DNA: Struktur, Funktion und genetische Information – Ein Überblick

DNA als Träger der genetischen Information

In den frühen zwanzigsten Jahrhunderten war es möglich, dass Gene auf den Chromosomen lagen und die Träger der genetischen Information seien. Die Beweise dafür, dass Gene aus der DNA (nicht-Protein) bestehen, wurden jedoch erst um 1950 in der wissenschaftlichen Gemeinschaft vollständig akzeptiert.

Chemische Zusammensetzung von Nukleinsäuren

Es gibt zwei Arten von Nukleinsäuren:

• Desoxyribonukleinsäure oder DNA
• Ribonukleinsäure oder RNA

Beide sind lange Polymere der Nukleotide. Sie bestehen aus einer stickstoffhaltigen Base, einem Zucker und Phosphorsäure.

Stickstoffhaltige Basen

Es gibt vier verschiedene stickstoffhaltige Basen in Nukleinsäuren:

• In der DNA sind: Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T).
• In der RNA sind: Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Uracil (U).

Die stickstoffhaltigen Basen sind einfache Moleküle, die Stickstoff enthalten. Adenin und Guanin sind Purinbasen, Strukturen, die aus zwei Ringen bestehen, ähnlich dem Purin. Cytosin, Thymin und Uracil sind Pyrimidinbasen, die aus einem einzigen Ring bestehen, ähnlich dem Pyrimidin.

Zucker und Nukleosidbildung

Die Kohlenhydrate sind ein Pentosezucker und variieren je nach Nukleinsäure (DNA oder RNA):

• In der DNA ist es Desoxyribose.
• In der RNA ist es Ribose.

Die Bindung des Stickstoffs 1 der Base und des Kohlenstoffs 1 einer Pentose durch eine N-glykosidische Bindung bildet ein Nukleosid. Diese werden gebildet, indem man die Endung „-osin“ an den Namen der Purinbase und „-idin“ an die Pyrimidinbasen anhängt. Wenn an ein Nukleosid eine Phosphorsäure über die Hydroxylgruppe an C-5' der Pentose durch eine Phosphorsäureesterbindung angefügt wird, bildet es ein Nukleotid.

Polynukleotidketten

Nukleinsäuren sind Polynukleotide. Die Nukleotide werden durch die Bindung des Phosphatradikals am Kohlenstoff 5' eines Nukleotids an die Hydroxylgruppe am Kohlenstoff 3' des nächsten verbunden. Daher werden sie in Richtung 5' $\rightarrow$ 3' durch eine Phosphodiesterbindung zusammengehalten.

Struktur der DNA

Die DNA ist eine sehr lange, unverzweigte Kette, die nur aus vier Arten von Nukleotiden besteht. Die DNA-Struktur weist drei Ebenen auf. Um in den Zellkern zu passen, muss die DNA mit Proteinen verpackt werden.

Primärstruktur der DNA

Die Primärstruktur der DNA ist die Nukleotidsequenz einer einzelnen Schnur oder eines Fadens. Sie kennzeichnet ein Pentose-Phosphat-Rückgrat sowie eine Abfolge stickstoffhaltiger Basen. Die Reihenfolge der Nukleotide in diesem langen linearen Molekül, nicht nur die einfache Zusammensetzung, ermöglicht es ihm, Informationen zu speichern, die vielfältig sind: die sogenannte biologische oder genetische Information.

Sekundärstruktur der DNA

Die Sekundärstruktur der DNA ist die räumliche Anordnung von zwei Polynucleotidsträngen oder Ketten zur Doppelhelix. Dabei treffen die stickstoffhaltigen Basen im Inneren aufeinander und bilden Wasserstoffbrückenbindungen, während das Pentose-Phosphat-Rückgrat außen liegt.

Die Methode der Röntgenbeugung von Franklin und Wilkins ermöglichte die Beobachtung der DNA-Struktur als Faser mit einem Durchmesser von 20 Å, in der sich Einheiten alle 3,4 Å wiederholten und eine weitere Wiederholung alle 34 Å auftrat.

Das Doppelhelix-Modell von Watson und Crick

Die DNA besteht aus zwei antiparallelen Polynucleotidketten. Das bedeutet, dass die Stränge 5' $\rightarrow$ 3' in entgegengesetzter Richtung orientiert sind. Sie sind komplementär und umeinander gewunden als Doppelhelix oder Plectonem.

Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basen und hydrophobe Wechselwirkungen zwischen den Ringen stabilisieren die Anordnung der Basen in der Helix. Pentose und Phosphat liegen außen.

Aufgrund der Ionisationsfähigkeit der Phosphate sind Nukleinsäuren sauer und liegen als Polyanionen vor. Die durch die Basenkomplementarität definierte Struktur dieses Modells erklärt, wie dieses Molekül in der Lage ist, sich zu kopieren und exakte Kopien an die Tochterzellen weiterzugeben.

Die Doppelhelix ist sehr stabil, aber bei Erhitzung über $65^{\circ}\text{C}$ trennen sich die beiden Stränge und es tritt die DNA-Denaturierung auf. Bei Absenkung der Temperatur erfolgt die Renaturierung der Doppelhelix, was auch die Hybridisierung von zwei komplementären, aber unterschiedlichen DNA-Teilen ermöglicht.

Tertiärstruktur der DNA

Die DNA besitzt eine Tertiärstruktur, die aus einer Faser besteht, die sich um sich selbst windet, eine Art Superhelix. Diese Anordnung wird als supercoiled DNA bezeichnet und durch Enzyme wie die Topoisomerase II bewirkt. Diese Krümmung sorgt für Stabilität des Moleküls und reduziert dessen Länge.