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DNA-Strukturen

DNA Doppelhelix

Tutorial: Allgemeine DNA-Strukturen

Abb.1
Baugruppen der DNA im Detail

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Die Doppelhelix der DNA wurde als Strukturmodell 1953 von James Watson und Francis Crick postuliert. Ihre Annahme gründeten Watson und Crick auf Röntgenbeugungsbilder von Rosalind Franklin und Maurice Wilkens. Das Strukturmodell für die DNA-Doppelhelix zeichnet sich durch folgende Eigenschaften aus. Das Tutorial gibt einen Überblick über die wichtigsten Strukturelemente der Doppelhelix.

  1. Zwei Stränge sind helical um eine gemeinsame Achse gewunden. Sie laufen dabei in entgegengesetzte Richtungen, d.h. der eine Strang beginnt am oberen Ende mit dem 5´-Phosphat und endet am unteren Ende mit dem freien 3´-OH, während der andere Strang unten mit dem 5´-Phosphat beginnt und oben mit seinem 3´-OH endet.
  2. Die Basen liegen immer nach innen und die Zucker-Phosphat-Reste sind nach außen gerichtet.
  3. Der Helixdurchmesser beträgt 2 nm. Aufeinanderfolgende Basen haben einen Abstand von 0,34 nm und sind um 36° gegeneinander verdreht. Eine Drehung um 360° ist damit nach zehn Basen erreicht. Daraus leitet sich eine Ganghöhe von 3,4 nm ab.
  4. Zwei gegenüberliegende Basen sind über Wasserstoff-Brückenbindungen miteinander verbunden.
  5. Die Basen an einem Strang können prinzipiell jede beliebige Reihenfolge einnehmen, während der andere Strang dazu komplementär sein muss.
  6. Während die Geometrie der einzelnen Basenpaare stets erhalten bleibt, ändert sich der Winkel der Basenstapelung in Abhängigkeit von der Basenabfolge. Basen mit guten Stapelkräften sind Adenin, Guanin und Cytosin, während Thymin nur sehr schwache Stapelkräfte ausbildet.

Die Doppelhelix ist ein Strukturelement, das in allen Nucleinsäuren vorkommt. Auch die einsträngige RNA und die biologisch oder chemisch hergestellte einsträngige DNA liegt stets mit maximaler Basenpaarung vor, so dass sich doppelhelicale Bereiche mit unstrukturierten Bereichen abwechseln. Die treibende Kraft sind die hydrophoben Eigenschaften der Basen. Das Zucker-Phosphat-Rückgrat ist so flexibel, dass zahlreiche, ganz unterschiedliche Formen eingenommen werden können.

Die Doppelhelix erhält ihre Stabilität sowohl durch die Wasserstoff-Brückenbindungen als auch durch die Stapel- Wechselwirkungen (engl. "stacking interaction")1). Den weitaus größeren Anteil haben dabei die hydrophoben Wechselwirkungen zwischen den π-Elektronensystemen aufeinanderfolgender Basen. Da es sich um planare quasi-aromatische Strukturen handelt, kommt es zur Ausbildung von Stapeln. Erst wenn alle Stapel-Wechselwirkungen geschwächt sind, kommt es zur thermischen Strangtrennung, die damit dem kooperativen Verhalten von kristallinen Substanzen sehr ähneln. Die Wasserstoff-Brückenbindungen zwischen den Basenpaaren leisten nur einen zusätzlichen Stabilitätsbeitrag. Die Zahl der Wasserstoff-Brücken kann deshalb nicht zur Erklärung der unterschiedlichen thermischen Stabilität von AT- und GC-reichen Nucleinsäuren herangezogen werden.

1)Die Stapel-Wechselwirkungen dienen vor allem der thermischen Stabilität der DNA, während die Wasserstoff-Brückenbindungen vor allem für die Spezifität der Basenpaarungen verantwortlich sind.
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