Desoxyribonukleinsäure oder DNA ist ein Molekül, das in fast allen lebenden Organismen Träger der genetischen Information ist. Sie enthält die biologischen Anweisungen für die Entwicklung, das Überleben und die Fortpflanzung von Organismen. Die DNA befindet sich im Zellkern, wo sie mit Hilfe mehrerer Proteine, der so genannten Histone, zu einer kompakten Form, dem Chromosom, verpackt ist. Sie ist auch in Zellstrukturen zu finden, die Mitochondrien genannt werden. Bei Prokaryonten ist die DNA jedoch nicht in einem Zellkern oder einer Membran eingeschlossen, sondern befindet sich im Zytoplasma. Die DNA in Prokaryonten ist im Allgemeinen zirkulär und supergewickelt und enthält keine Histone. Die DNA speichert genetische Informationen in Form von Nukleotidsequenzen in speziellen Regionen, die als Gene bezeichnet werden und zur Herstellung von Proteinen dienen. Die Umwandlung der genetischen Information in Proteine ist ein zweistufiger Prozess, bei dem die Nukleotidsequenz in der DNA durch einen Prozess namens Transkription in ein Molekül namens Ribonukleinsäure oder RNA umgewandelt wird. Die RNA wird in einem weiteren Prozess, der Translation, zur Herstellung von Proteinen verwendet. Das menschliche Genom enthält fast 3 – 109 Basen mit etwa 20.000 Genen auf 23 Chromosomen.

Die DNA wurde erstmals von dem deutschen Biochemiker Frederich Miescher im Jahre 1869 entdeckt. Auf der Grundlage der Arbeiten von Erwin Chargaff, James Watson, Francis Crick, Maurice Wilkins und Rosalind Franklin wurde die Struktur der DNA im Jahr 1953 entdeckt. Die Struktur der DNA besteht aus zwei komplementären Strängen von Polynukleotiden, die in entgegengesetzter Richtung verlaufen und durch Wasserstoffbrückenbindungen zusammengehalten werden. Diese Struktur hilft der DNA, sich während der Zellteilung zu replizieren, und auch, dass ein einzelner Strang während der Transkription als Vorlage dienen kann.

• 1 Merkmale eines DNA-Moleküls
  • 1.1 Doppelhelix
  • 1.2 Komplementäre Basen
  • 1.3 Denaturierung und Renaturierung der DNA
  • 1.4 Furchen
• 2 Biologische Funktionen
  • 2.1 Replikation
  • 2.2 Transkription und Translation
• 3 Formen der DNA
• 4 Geschichte der DNA-Struktur
• 5 DNA-Modelle

Merkmale eines DNA-Moleküls

Doppelhelix

besteht aus zwei Polynukleotidketten, . Die in der DNA besteht aus einer an die 5′ gebundenen, die durch eine beta-glykosidische Bindung mit einem Purin oder einem Pyrimidin verbunden ist. Die Ribose ist ein Hauptfaktor dafür, welche der DNA-Formen vorliegt. In dieser Szene, die die B-DNA zeigt, befindet sich das 2′-Kohlenstoffatom außerhalb der Ebene der anderen Glieder des fünfgliedrigen Rings. Die vier Basentypen sind die beiden Purinbasen mit zwei Ringen und die beiden Pyrimidinbasen mit einem Ring und . Die Wasserstoffatome an einigen Stickstoff- und Sauerstoffatomen können tautomere Verschiebungen erfahren. Die Stickstoffatome, die an der Tautomerenbildung beteiligt sind, erscheinen als Amino- oder Iminogruppen, und die Sauerstoffatome liegen entweder in Keto- oder Enolform vor. Es gibt eine Präferenz für die Amino- und Ketoformen, die für die biologische Funktion der DNA sehr wichtig ist, da sie eine Verbindung mit der Desoxyribose herstellt und zur Spezifität der Wasserstoffbrückenbindungen bei der Basenpaarung und damit zur Komplementarität der Ketten führt. Der Iminostickstoff kann bei der Wasserstoffbrückenbindung nur als abgebendes Atom dienen, der Aminostickstoff kann aber auch als aufnehmendes Atom dienen. Jedes Nukleotid in einer DNA-Kette ist mit einem anderen über verbunden. Die DNA besteht aus vier Nukleotiden. Das Zucker-Phosphat-Grundgerüst der DNA ist aufgrund der Phosphodiester-Bindung sehr regelmäßig, während die Anordnung der Basen sehr unregelmäßig ist.

A C G T

Purine Pyrimidine

Komplementäre Basen

Die beiden Ketten in einer DNA sind durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen bestimmten Basen verbunden. Adenin bildet Basenpaare mit Thymin und Guanin mit Cytosin. Diese spezifische Basenpaarung zwischen und ist als Watson-Crick-Basenpaarung bekannt. Die Spezifität der Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basen führt zu einer Komplementarität der Nukleotidabfolge in den beiden Ketten. So ist in einem DNA-Strang der Adenin-Gehalt gleich dem Thymin-Gehalt und der Guanin-Gehalt ist gleich dem Cytosin-Gehalt. Im Allgemeinen ist eine DNA mit einem höheren GC-Gehalt stabiler als eine mit einem höheren AT-Gehalt, was auf die Stabilisierung durch Basenstapelwechselwirkungen zurückzuführen ist.

DNA-Denaturierung und -Renaturierung

Ein DNA-Doppelstrang kann in zwei Einzelstränge aufgespalten werden, indem die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen ihnen aufgebrochen werden. Dies wird als DNA-Denaturierung bezeichnet. Thermische Energie, die durch Erhitzen bereitgestellt wird, kann zum Schmelzen oder Denaturieren von DNA verwendet werden. Moleküle mit einem hohen GC-Gehalt sind stabiler und denaturieren daher bei höheren Temperaturen als Moleküle mit einem höheren AT-Gehalt. Die Schmelztemperatur ist definiert als die Temperatur, bei der sich die Hälfte der DNA-Stränge in einer Doppelhelix und die andere Hälfte in einer zufälligen Windung befindet. Die denaturierten DNA-Einzelstränge haben die Fähigkeit, sich zu renaturieren und wieder doppelsträngige DNA zu bilden.

Furchen

In den Basen, die aneinander gepaart sind, aber in einem Winkel stehen. Daraus ergeben sich ungleiche Abstände zwischen den Zucker-Phosphat-Rückgraten und zwei Furchen: die und die, die unterschiedlich breit und tief sind. Die befinden sich auf der Oberfläche der Nebenrille, die Hauptrille liegt auf der gegenüberliegenden Seite. Die größere Größe der Hauptfurche ermöglicht die Bindung von DNA-spezifischen Proteinen.

Biologische Funktionen

Quellen:

Replikation

Die DNA unterliegt dem so genannten semikonservativen Replikationsmodus, bei dem die Tochter-DNA einen DNA-Strang der Eltern enthält. Die Replikation erfolgt durch das Abwickeln der Doppelhelix, gefolgt von Syntheseprimern, von denen aus die Replikation beginnt. Ein Enzym, die DNA-Polymerase, synthetisiert komplementäre Stränge zu jedem Elternstrang in 5′-3′-Richtung.

Transkription und Translation

Die Umwandlung von Genen in Proteine ist ein Prozess, der zwei Stufen umfasst, die Transkription und die Translation. In der Transkriptionsphase dient ein DNA-Molekülstrang als Vorlage für die Synthese eines RNA-Moleküls, der so genannten Boten-RNA. Diese Boten-RNA wird dann auf Ribosomen in Proteine übersetzt.

Formen der DNA

Für einen Vergleich der verschiedenen Formen der DNA, siehe Formen der DNA.

Geschichte der DNA-Struktur

Die folgende Zusammenfassung wurde mit Genehmigung aus einem Atlas der Makromoleküle kopiert:

1944 wurde gezeigt, dass Gene in der DNA enthalten sind (Avery et al.), und dies wurde nach den Experimenten von Hershey und Chase 1952 allgemein akzeptiert. Die doppelhelicale Struktur der DNA wurde 1953 von James Watson und Francis Crick (Nobelpreis, 1962) vorhergesagt. Ihre Vorhersage stützte sich zum Teil auf Röntgenbeugungsstudien von Rosalind Franklin, denen Watson und Maurice Wilkins nur unzureichend Anerkennung zollten. Die vorhergesagte Doppelhelix der B-Form wurde erst 1973 durch Kristallstrukturen mit atomarer Auflösung bestätigt, wobei zunächst Dinukleotide der RNA verwendet wurden (Rosenberg et al.). Die erste Kristallstruktur, die mehr als eine volle Windung der Doppelhelix enthält, wurde erst 1980 gelöst (1bna, 1981, 12 Basenpaare). Die Verzögerung von mehr als einem Vierteljahrhundert zwischen Vorhersage und empirischer Bestätigung ist auf die Entwicklung der Röntgenkristallographie für Makromoleküle zurückzuführen sowie auf die Notwendigkeit, eine kurze, definierte DNA-Sequenz für die Kristallisation herzustellen. Dieser kurze Bericht basiert auf einer Übersichtsarbeit von Berman, Gelbin und Westbrook, wo die Referenzen zu finden sind.

DNA-Modelle

Das in den Szenen dieses Artikels verwendete DNA-Modell ist ein theoretisches Modell (Image:B-DNA.pdb), das nicht in der Protein Data Bank verfügbar ist. Die PDB-Datei entspricht nicht bestimmten PDB-Formatkonventionen:

• Die Basen werden mit ADE, CYT, GUA und THY anstelle der Standardbezeichnungen DA, DC, DG und DT bezeichnet.
• Die Ketten sind nicht benannt. Normalerweise würden sie A und B heißen.

Eine Kette enthält die Reste mit den Nummern 1-12 in der Reihenfolge CGCG AATT CGCG. Die andere Kette enthält die Reste 13-24 mit einer identischen (antiparallelen) Sequenz.

Theoretische Modelle stellen in der Regel eine idealisierte DNA-Konformation dar, während reale DNA verschiedene Unregelmäßigkeiten wie Knicke und Biegungen aufweisen kann (siehe Beispiele, die an den Lac-Repressor gebunden sind). Es gibt zahlreiche empirische Modelle für die DNA, von denen die ersten in den 1970er und 80er Jahren verfügbar wurden (siehe oben). Im Mai 2012 enthält die Protein Data Bank fast 4.000 Einträge, die DNA enthalten. Über 1.300 enthalten nur DNA, während über 2.000 Einträge Protein-DNA-Komplexe enthalten. Über 100 Einträge enthalten Protein, DNA und RNA, und über 100 enthalten DNA/RNA-Hybridmoleküle.

Für weitere interaktive Visualisierungen von DNA siehe DNA.MolviZ.Org, ein Tutorial, das in neun Sprachen verfügbar ist.