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DNA-Strukturen

Basenstapelung und Strukturstabilisierung

In wässriger Lösung reichen die Wasserstoff-Brückenbindungen zwischen den Basenpaaren als strukturstabilisierende Kräfte für ein stabiles Vorkommen der DNA-Doppelhelix nicht aus. Die Kraft, die hierfür verantwortlich ist, wird als "stacking force" (Basenstapelkraft) bezeichnet.

Die Basenstapelkräfte werden als Dipoleffekt zwischen partiell positiv geladenen exocyclischen Gruppen der Basen mit den π-Elektronenwolken der vertikal benachbarten Basen verstanden. Dabei spielt die quasi-aromatische Struktur der Heterocyclen der Basen eine wesentliche Rolle. Während Adenosin, Guanosin und Cytidin jeweils eine exocyclische Amino-Gruppe besitzen, fehlt diese bei Thymidin bzw. Uridin in der RNA. Daraus erklären sich die besonders schwachen Stapelkräfte des Thymidins (Uridins), wie sie in der Tabelle 1 mit den thermodynamischen Parametern angegeben sind.

Tab.1
Energie der Stapelkräfte übereinanderliegender Basenpaare in vacuo. Die Angaben in der Tabelle beziehen sich auf Berechnungen in vacuo, die Energien für GC-Basenpaare in Lösung beziffern sich auf -15 kJ/mol und von AT-Basenpaaren auf -6 kJ/mol.
PaarungEnergie [kJ/mol]Energie [kJ/mol Dimer]
C-G G-C- 61.6- 14.59
C-G A-TorT-A G-C- 44.0- 10.51
C-G T-AorA-T G-C- 41.1- 9.81
G-C C-G- 40.6- 9.69
G-C G-CorC-G C-G- 34.6- 8.26
T-A A-T- 27.5- 6.57
G-C T-AorA-T C-G- 27.5- 6.57
G-C A-TorT-A C-G- 28.4- 6.78
A-T A-TorT-A T-A- 22.5- 5.37
A-T T-A- 16.0- 3.82

Die Tabelle belegt einen fast vierfachen Unterschied zwischen den am besten gestapelten Doppelpaaren CG/GC und AT/TA. Die unterliegenden Daten wurden quantenchemisch berechnet. Sie stimmen mit dem Schmelzverhalten synthetischer DNA sehr gut überein und erklären überzeugend das unterschiedliche Schmelzverhalten bestimmter Bereiche natürlich vorkommender DNA. So erleichtern alternierende AT-Basenpaare die Strangtrennung am Promotor. Die AAAAT-Sequenz kommt mehrfach am Startpunkt der DNA-Replikation vor, wo eine Strangtrennung notwendige Voraussetzung für die Funktion ist.

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