DNA und Proteine: Struktur, Funktion und Bindungen

Die DNA: Struktur, Funktion und Formen

Grundlagen der DNA

DNA: Definition

Ein lineares Polymer, bestehend aus einer Pentose, einem Phosphat und einer Stickstoffbase (Adenin, Thymin, Cytosin und Guanin).

Primärstruktur der DNA

Die Primärstruktur der DNA beschreibt die Reihenfolge der Nukleotide, die durch Phosphodiesterbindungen miteinander verbunden sind. Diese Bindungen werden zwischen dem Phosphatrest am 5'-Kohlenstoff eines Nukleotids und der Hydroxylgruppe am 3'-Kohlenstoff des nächsten Nukleotids gebildet. Ein DNA-Strang hat zwei freie Enden: ein 5'-Phosphatende und ein 3'-Hydroxylende. Diese Nukleotidketten unterscheiden sich in Größe, Zusammensetzung und Basensequenz (z.B. ATCG), die angeben, welche Basen sich an welcher Stelle in der Kette befinden.

Die Reihenfolge, in der die DNA-Nukleotide verbunden sind, ist entscheidend für die Proteinbildung. Die in einem bestimmten Teil des DNA-Moleküls enthaltene genetische Information trägt die notwendigen Anweisungen, um Aminosäuren in einer spezifischen Reihenfolge zu verknüpfen. Dies bildet die Primärstruktur eines Proteins, welche wiederum dessen dreidimensionale Struktur und Funktion in der Zelle bestimmt.

Sekundärstrukturen der DNA

Sekundärstruktur der DNA (B-Form)

Die Sekundärstruktur der DNA (B-Form) wurde 1953 von Watson und Crick beschrieben. Man wusste bereits, dass die DNA aus Nukleotiden aufgebaut ist und kannte die Dimensionen der Phosphodiesterbindungen. Sie nutzten die Arbeiten anderer Forscher als Grundlage für die Entdeckung der DNA-Struktur.

• Das DNA-Molekül ist lang, steif und nicht gefaltet.
• Im Molekül wiederholen sich kleine Details alle 0,34 nm und größere Details alle 3,4 nm.
• Die Basenzusammensetzung ist unterschiedlich, aber für die gleiche Art gilt: Der Gehalt an Purinbasen (A+G) entspricht dem Gehalt an Pyrimidinbasen (T+C).

Das Watson-Crick-Modell der DNA

Watson und Crick schlugen ein Modell vor, das mit diesen Daten im Einklang stand und das Funktionieren der DNA erklärte. Wichtige Punkte sind:

• Die DNA-Doppelhelix hat einen Durchmesser von 2 nm und besteht aus zwei Polynukleotidketten, die sich um eine imaginäre Achse winden. Die stickstoffhaltigen Basen liegen in Ebenen, die parallel zueinander und senkrecht zur Achse der Doppelhelix angeordnet sind.
• Die Rotation ist rechtsgängig und plectonemisch, d.h., die beiden Stränge müssen entrollt werden, um sie zu trennen.
• Jedes Basenpaar ist vom nächsten um 0,34 nm getrennt. Eine vollständige Umdrehung der Doppelhelix besteht aus 10 Basenpaaren und hat eine Länge von 3,40 nm.
• Die Polynukleotidketten sind antiparallel und komplementär, d.h., es besteht eine spezifische Korrespondenz zwischen den stickstoffhaltigen Basen.

DNA-A-Form

Die DNA-A-Form entsteht aus der Sekundärstruktur, wenn die Umgebungsfeuchtigkeit auf unter 75% reduziert wird und ist unter physiologischen Bedingungen selten zu finden. Dies ist eine rechtsgängige Doppelhelix. Die Basenpaare sind um 20° zur Achse geneigt, der Durchmesser beträgt 2,3 nm und es gibt 11 Basenpaare pro Umdrehung.

DNA-Z-Form

Die DNA-Z-Form ist länger und schmaler als die B-Form. Sie hat einen Durchmesser von 3,8 nm und 12 Basenpaare pro Helixwindung. Die beiden Polynukleotidketten sind in einer Zick-Zack-Form gewunden und drehen sich gegen den Uhrzeigersinn. Diese Zick-Zack-Form wird durch die hohe Präsenz von Cytosin und Guanin begünstigt. Es wird angenommen, dass diese DNA-Struktur an Prozessen der Genexpression beteiligt ist.

Funktion und Vorkommen der DNA

Biologische Funktion der DNA

Die DNA ist der Speicher für genetische Informationen und das Molekül, das für die Übertragung der notwendigen Anweisungen zum Aufbau aller Proteine in einem Lebewesen auf die Nachkommen verantwortlich ist. Dazu besitzt sie die Fähigkeit, durch Replikation Kopien von sich selbst zu erstellen, basierend auf der Komplementarität zwischen den Basen der beiden DNA-Stränge.

DNA in verschiedenen Organismen

• Prokaryoten: Besitzen ein ringförmiges DNA-Molekül (das bakterielle Chromosom). Oft sind auch kleine Plasmide vorhanden.
• Eukaryoten: Die DNA befindet sich im Zellkern und bildet lineare Moleküle, die mit Proteinen (Histonen) assoziiert sind. Dieser Komplex bildet eine Faser, die als Chromatin bezeichnet wird. Wenn sich die Zelle teilt, kondensiert das Chromatin zu Chromosomen.
• Viren: Bei Viren kann die DNA verschiedene Formen annehmen, da sie als einzelnes oder doppelsträngiges Molekül vorliegen kann.

Aminosäuren und Proteine

Aminosäuren

Aminosäuren: Definition

Aminosäuren sind einfache organische Verbindungen mit niedrigem Molekulargewicht, die sich zu Proteinen verbinden. Chemisch bestehen sie aus Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H), Sauerstoff (O) und Stickstoff (N). Sie zeichnen sich dadurch aus, dass ihr Molekül eine Carboxylgruppe (-COOH), eine Aminogruppe (-NH2) und eine Seitenkette (R-Gruppe) besitzt, die alle über kovalente Bindungen an ein zentrales Kohlenstoffatom (α-Kohlenstoff) gebunden sind.

Es gibt 20 proteinogene Aminosäuren, die die Bausteine der Proteine sind. Es gibt jedoch etwa 150 weitere Aminosäuren, die in Zellen und Geweben vorkommen, aber nicht Teil der Proteine sind (nicht-proteinogene Aminosäuren).

Säure-Base-Eigenschaften von Aminosäuren

In wässriger Lösung liegen Aminosäuren als Zwitterionen (hybride Form) vor. Jede Aminosäure kann sich sowohl als Säure als auch als Base verhalten; sie werden als amphotere Stoffe bezeichnet. Wenn ein Molekül eine Nettoladung von Null hat, befindet es sich am isoelektrischen Punkt. Wenn eine Aminosäure beispielsweise einen isoelektrischen Punkt von 6,1 hat, ist ihre Nettoladung bei pH 6,1 Null. Aminosäuren und Proteine verhalten sich als Puffersubstanzen.

Peptidbindungen

Die Peptidbindung

Eine Peptidbindung ist eine kovalente Bindung zwischen der Aminogruppe (-NH2) einer Aminosäure und der Carboxylgruppe (-COOH) einer anderen Aminosäure. Peptide und Proteine werden durch die Verbindung von Aminosäuren über Peptidbindungen gebildet. Man spricht von Dipeptiden (2 Aminosäuren), Tripeptiden (3 Aminosäuren) oder Oligopeptiden (bis ca. 50 Aminosäuren).

Die Peptidbindung beinhaltet den Verlust eines Wassermoleküls und die Bildung einer kovalenten CO-NH-Bindung. Es handelt sich um eine Amidbindung. Neue Aminosäuren werden immer am C-terminalen Ende des Peptids angefügt.

Merkmale der Peptidbindung

• Die Peptidbindung ist eine kovalente Bindung, die kürzer ist als die meisten anderen C-N-Bindungen.
• Sie besitzt einen partiellen Doppelbindungscharakter, der eine freie Rotation verhindert.
• Die vier Atome der Peptidgruppe (C, O, N, H) und die beiden angrenzenden α-Kohlenstoffatome liegen in der gleichen Ebene, mit festen Abständen und Winkeln.
• Die einzigen Bindungen, die sich frei drehen können, sind die Cα-C-Bindung und die N-Cα-Bindung.