DNA‑Aufbau: Zucker‑Phosphat‑Rückgrat und Basen‑Struktur erklärt
Die Abkürzung DNA steht für deoxyribonucleic acid. Im Deutschen heißt es DNS (Desoxyribonukleinsäure). Die DNA enthält die Erbinformationen. Es lohnt sich daher, ihren Aufbau genauer anzuschauen.
Grundaufbau der DNA
Die Desoxyribonukleinsäure ist ein langes Kettenmolekül (Polymer) aus vielen Bausteinen, die man Desoxyribonukleotide oder kurz Nukleotide nennt. Jedes Nukleotid hat drei Bestandteile: Phosphat, den Zucker Desoxyribose sowie eine heterozyklische Nukleobase oder kurz Base. Die Desoxyribose- und Phosphorsäure-Untereinheiten sind bei jedem Nukleotid gleich. Sie bilden das Rückgrat des Moleküls. Der Phosphatrest fungiert als Protonendonator, also als Säure. Das Nukleotid ist somit negativ geladen.
Der Zucker Desoxyribose ist ein Fünfring, der Hydroxy‑Gruppen besitzt. Die fünf Kohlenstoffatome einer Desoxyribose sind von 1' bis 5' nummeriert. Am 1'-Ende dieses Zuckers ist die Base gebunden. Am 5'-Ende hängt der Phosphatrest. Die Desoxyribose unterscheidet sich von der Ribose durch das Fehlen eines Sauerstoffatoms am C2'-Atom.
Ein Nucleosid besteht aus einer Base und einer Desoxyribose; ist am Zucker noch ein Phosphat gebunden, nennt man die Einheit Nukleotid. Jeder Desoxyribose‑Rest eines Strangs ist mit einer Nukleinbase über eine glycosidische Bindung verbunden.
Zucker‑Phosphat‑Rückgrat: Entstehung und Richtung
Die Phosphorsäure H3PO4 ist Ausgangspunkt für die Phosphatreste in der DNA. Die Phosphorsäure kann als Säure mit dem Zucker, also der Desoxyribose, in einer Kondensationsreaktion zu einem Ester reagieren. Dadurch entsteht eine starke Verbindung. In der DNA verbindet sich jede Phosphat‑Gruppe mit zwei Desoxyribose‑Bausteinen; das Phosphat ist mit dem C3'-Atom des einen Zuckers und mit dem C5'-Atom des nächsten Zuckers verknüpft. Dabei entsteht eine Phosphodiester‑Bindung.
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Ein Einzelstrang wächst immer in 5'→3'‑Richtung, denn die DNA‑Polymerasen können neue Nukleotide nur an die OH‑Gruppe am 3'-Ende anfügen, nicht aber am 5'-Ende. Das eine Ende der Nukleotidkette besitzt eine freie 3'OH‑Gruppe, das andere Ende eine freie 5'OH‑Gruppe, die meist mit einem Phosphatrest verknüpft ist. Laut Konvention schreibt man die Reihenfolge der Basen in einer Nukleinsäure immer in 5'→3'‑Richtung.
Basen: Arten und Paarungsregeln
Die eigentlichen Informationen der DNA sind in den Sprossen der Leiter versteckt. Diese bestehen aus den vier organischen Basen Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin. Die Basen der DNA sind Guanin, Cytosin, Adenin und Thymin; die Basen der RNA weisen statt Thymin Uracil auf. Die Basen sind heterozyklische Purin‑ und Pyrimidinderivate. Adenin und Guanin sind Purine (zwei Ringe), Cytosin und Thymin sind Pyrimidine (ein Ring).
Die Basenpaarung erfolgt nach festen Regeln: Adenin paart mit Thymin (2 Wasserstoffbrücken), Guanin paart mit Cytosin (3 Wasserstoffbrücken). Weil stets ein Purin mit einem Pyrimidin kombiniert wird, ist der Abstand zwischen den beiden Zucker‑Phosphat‑Rückgraten überall gleich, es entsteht eine regelmäßige Struktur. Bei der Basenpaarung gilt die sogenannte Chargaff‑Regel: die entsprechenden Basen liegen in einer nahezu gleichen Anzahl vor.
Doppelhelix: Struktur und Stabilität
Die DNA bildet eine Doppelhelix. Die DNA liegt in der Zelle die meiste Zeit nicht als einsträngige Kette von Desoxyribonukleotiden vor, sondern als Doppelstrang. Die beiden Stränge sind komplementär zueinander und verlaufen antiparallel. Außen liegt das sogenannte DNA‑Rückgrat mit immer abwechselnd verknüpften Zucker‑ und Phosphatresten. Im Inneren der Helix liegen die Basen.
Man kann sich das Grundgerüst wie eine Leiter vorstellen: Die äußeren Stränge oder Holme der Leiter sind abwechselnd aus dem Zucker Desoxyribose und der Phosphorsäure aufgebaut. Die Sprossen der Leiter werden durch organische Basen gebildet, die jeweils fest vorgegebene Paare bilden. Modellhaft kann man sich die DNA als Leiter vorstellen; zusätzlich ist der DNA‑Doppelstrang zu einer Helix gedreht und wird daher auch als DNA‑Doppelhelix bezeichnet.
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Die Stabilisierung der Doppelhelix beruht auf mehreren Effekten: Basenpaarung über Wasserstoffbrücken, hydrophober Effekt, und „Basenstapel“ (stacking interactions) - Van‑der‑Waals‑Kräfte zwischen übereinanderliegenden Basen. Weiterhin beeinflusst der pH‑Wert und in der Lösung vorhandene Ionen die Stabilität; positiv geladene Ionen schirmen die negativen Phosphatladungen ab.
Konformationen der DNA
DNA kann verschiedene Strukturformen annehmen. Sie liegt in vivo hauptsächlich in der B‑Konformation vor (B‑DNA), die eine rechtsgängige Doppelhelix ist. Neben der B‑DNA gibt es auch A‑DNA und die linkshändige Z‑DNA. Außerdem können sich übergeordnete (tertiäre) Strukturen ausbilden, die durch Superspiralisierung (Supercoils) zustande kommen. Superspiralisierte DNA‑Moleküle haben eine viel kompaktere Struktur als entspanntere Formen.
Vom Nukleotid zur genetischen Information
Die Basenabfolge in einem DNA‑Strang codiert die genetische Information. Die Information des Erbguts steckt nun in der Anordnung der Basen auf den Abschnitten der DNA. Mehrere dieser Desoxyribonukleotide ergeben zusammen einen DNA‑Strang. Die DNA‑Einzelstränge sind aus mehreren Millionen kovalent verbundenen Nukleotiden aufgebaut (Polynukleotidstrang).
Bei der Replikation werden die Doppelhelix aufgewickelt und die Stränge getrennt; jeder Einzelstrang dient dann als Vorlage für den Aufbau eines neuen komplementären Stranges. Die spezifische Basenpaarung ermöglicht so die Erzeugung von zwei identischen Tochtermolekülen.
DNA, RNA und die Rolle bei der Proteinsynthese
Die DNA dient als Vorlage für die Synthese von RNA (Transkription). Die hierbei an der DNA‑Vorlage aufgebauten RNA‑Stränge erfüllen unterschiedliche Aufgaben; sie sind als rRNA, tRNA und mRNA an der Biosynthese von Proteinen beteiligt. Umgeschrieben in den Einzelstrang einer mRNA gibt deren Basensequenz bei der Proteinbiosynthese die Abfolge von Aminosäuren im zu bildenden Protein vor.
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Zur Herstellung eines Proteins wird die Doppelhelix aufgespalten und ein Strang wird dupliziert. Dieser wandert vom Zellkern in die Zelle und bildet nun die Vorlage, damit ein Molekül aus drei passenden Basen an die richtige Stelle der abgelesenen DNA andockt. Diese drei Basen tragen ein Codon, das für eine bestimmte Aminosäure steht. So wird durch die Folge der Basen auf der abgelesenen DNA die Folge der Aminosäuren bestimmt. So werden die Bausteine unseres Körpers mithilfe der DNA zusammengebaut.
Größenordnungen, Chromosomen und Verpackung
Die DNA‑Moleküle sind wesentlich länger als RNA‑Moleküle und enthalten die gesamte genetische Information eines Organismus. Das menschliche Genom umfasst etwa 3,2×10^9 Basenpaare. Diese sind aber nicht auf einem langen, durchgehenden DNA‑Doppelstrang zu finden, sondern auf 23 Chromosomen aufgeteilt. Jedes Chromosom ist ein lineares DNA‑Molekül mit einer bestimmten Länge. In den meisten Körperzellen liegen die Chromosomen doppelt vor - als Paare. Dabei kommt ein Teil des Paares von der Mutter und der andere Teil vom Vater.
Die gesamte DNA‑Menge einer Zelle liegt als circa 2 Meter langer DNA‑Faden vor und muss verpackt werden. Die DNA liegt im Zellkern von Eukaryoten an Proteinkomplexe gebunden vor. Diese bilden Nukleosomen („Perlen auf einer Kette“), die weiter verdichtet zu Chromatinfasern und Schleifen gefaltet werden. Die Nukleosomen bestehen aus Histonproteinen (H2A, H2B, H3, H4) und etwa 147 bp DNA, die darum gewickelt sind. Chromatin kann in lockerem Euchromatin (aktiv) und dichterem Heterochromatin (inaktiv) vorliegen.
Variabilität und Mutationen
Die DNA kann sich verändern. Man spricht dann von Mutationen. Es gibt verschiedene Arten von Mutationen, einschließlich Chromosomen‑, Punkt‑, Frameshift‑ und Trinukleotid‑Repeat‑Mutationen. Veränderungen in der Anzahl oder Struktur der Chromosomen führen zu verschiedenen Krankheitsbildern, z. B. Entwicklungsstörungen. Die Untersuchung der Chromosomen mit verschiedenen molekularbiologischen und zytogenetischen Methoden ermöglicht oft eine eindeutige Diagnosestellung.
Wichtige chemische und funktionelle Details
- Die Desoxyribose ist an Position 1' mit einer Base verbunden und an Position 5' mit einem Phosphatrest.
- Die Basenstapelung und Wasserstoffbrücken bilden die nicht‑kovalenten Kräfte, die die Doppelhelix zusammenhalten.
- Intramolekulare Isomerisierungen der Basen (Keto/Enol) sind relevant, da nur die Ketoform korrekt paaren kann; Enolformen könnten Mutationen verursachen.
- Desoxyribonukleotide, denen das Sauerstoffatom am C3'-Atom fehlt (Didesoxyribonukleotide), führen zum Abbruch von Polymerisationsprozessen und werden in der Sequenzierung und Therapie genutzt.
Zusammenfassung der Schlüsselkonzepte
Die DNA ist ein langkettiges Molekül, das aus zwei gegenläufigen Einzelsträngen besteht, die zusammen eine Doppelhelix bilden. Jeder Einzelstrang besitzt ein Zucker‑Phosphat‑Rückgrat und enthält als dritten Baustein jeweils eine der vier Basen Adenin, Thymin, Guanin oder Cytosin. Die Basen sind so angeordnet, dass sich immer nur Adenin mit Thymin und Guanin mit Cytosin paart. Dadurch sind die beiden DNA‑Stränge komplementär zueinander. Die Desoxyribose und die Phosphatgruppen bilden das äußere Rückgrat, die Basen liegen im Inneren der Helix. Die Abfolge der Basen kodiert die genetische Information und steuert über Transkription und Translation die Aminosäuresequenz von Proteinen.
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