Grundlagen und Struktur der DNA

Konzept der DNA

Chemisch gesehen handelt es sich um Polynukleotide, bestehend aus d-AMP, d-GMP, d-CMP und d-TMP. Die Nukleotide der DNA enthalten weder Uracil noch Ribose.

Merkmale

Die zelluläre DNA besitzt eine hohe Molekülmasse von vielen Millionen Dalton. Zum Beispiel besteht das menschliche Genom aus 3x10⁹ Nukleotidpaaren. Dies führt zu sehr langen Molekülen, z. B. 1,7 µm beim Poliovirus und 2,36 m, wenn man die gesamte DNA aller Chromosomen einer menschlichen Zelle aneinanderreihen würde.

DNA wurde erstmals 1869 isoliert, doch ihre Struktur wurde erst ab 1950 entschlüsselt. In eukaryotischen Zellen liegt sie im Zellkern vor, assoziiert mit Proteinen (Histone und andere), um Chromatin zu bilden – die Substanz, aus der die Chromosomen bestehen und von der die genetische Information transkribiert wird. Zudem findet sich DNA in bestimmten Zellorganellen (z. B. Chloroplasten und Mitochondrien).

Struktur der DNA

Man unterscheidet drei strukturelle Ebenen:

• Primärstruktur: Die Reihenfolge der Nukleotide.
• Sekundärstruktur: Die Doppelhelix.
• Tertiärstruktur: Perlenkette, Kristallstruktur, DNA-Supercoiling.

In eukaryotischen Zellen gibt es über die Tertiärstruktur hinaus weitere Ebenen der Verpackung.

Primärstruktur der DNA

Die Nukleotidsequenz bildet einen Faden. Die Primärstruktur wird durch die Reihenfolge der Nukleotide in der Kette bestimmt. Um die Reihenfolge anzugeben, nutzt man die Namen der Basen (A, T, C, G) in der korrekten Abfolge sowie die 5'- und 3'-Enden der Kette. Beispiel: 5'-ACGTTTAACGACAAGTATTAAGACAAGTATTAA-3'.

Die Kombinationsmöglichkeit der vier verschiedenen Nukleotide und die enorme Länge der Polynukleotidketten ermöglichen eine riesige Anzahl an Varianten, was die Speicherung komplexer genetischer Informationen erklärt.

Das Modell der Doppelhelix nach Watson und Crick

1. Die DNA besteht aus zwei Polynukleotidsträngen, die rechtsgängig um eine gemeinsame Achse gewickelt sind.
2. Die Ketten sind antiparallel: Ein Strang verläuft in 3'→5'-Richtung, der andere in 5'→3'-Richtung.
3. Die Phosphatgruppen liegen außen und interagieren mit Kationen im Kernplasma, was dem Molekül Stabilität verleiht.
4. Die stickstoffhaltigen Basen liegen im Inneren der Helix. Die Basen der einzelnen Stränge sind über Wasserstoffbrücken miteinander gekoppelt.
5. Basenpaarung: Adenin paart sich nur mit Thymin, Guanin nur mit Cytosin.

Daher bestimmt die Primärstruktur eines Stranges die des anderen; beide Stränge sind komplementär. Diese Komplementarität ermöglicht die DNA-Replikation: Beide Stränge können getrennt werden und als Vorlage für die Synthese eines neuen komplementären Stranges dienen (semikonservative Replikation).

Denaturierung der DNA

Wird eine DNA-Lösung ausreichend erhitzt, trennen sich die Stränge, da die Wasserstoffbrücken zwischen den Basen brechen – die DNA denaturiert. Die Denaturierungstemperatur hängt vom GC-Anteil ab: Da Cytosin und Guanin drei Wasserstoffbrücken ausbilden (Adenin und Thymin nur zwei), erfordert ein höherer GC-Anteil eine höhere Temperatur. Auch pH-Wert-Änderungen oder hohe Salzkonzentrationen können die Denaturierung bewirken. Bei Wiederherstellung der Bedingungen renaturiert die DNA.

Tertiärstruktur in eukaryotischen Zellen

Die langen DNA-Moleküle müssen im Zellkern kompakt verpackt werden. Dies dient auch der Regulation der Transkription. Die DNA ist mit Proteinen zu Chromatin verbunden.

• Nukleosomen: Die DNA-Doppelhelix wickelt sich um kugelförmige Proteinkomplexe (Histone). Jedes Nukleosom enthält 8 Histone und etwa 200 Basenpaare.
• 30-nm-Faser: Nukleosomen können zu Fasern mit einer Dicke von 30 nm verpackt werden, wobei sechs Nukleosomen pro Windung um eine durch Histon H1 gebildete Achse angeordnet sind.

Arten der DNA-Struktur

• Einzelsträngig: Zum Beispiel bei einigen Viren.
• Doppelsträngig: Bei allen anderen Viren, Bakterien und Eukaryoten.

Zudem kann die DNA linear (Kern eukaryotischer Zellen, einige Viren) oder zirkulär (Mitochondrien, Chloroplasten, Bakterien, Viren) vorliegen.