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DNA-Strukturen

Einführung

Hinweis
Die DNA ist ein Makromolekül, das je nach Funktion erhebliche strukturelle Änderungen durchlaufen kann. Die Basis dieser Änderungen wird bei den monomeren Bausteinen erklärt.

Die DNA der Zelle besteht aus zwei hochmolekularen, komplementären Polynucleotidketten, die einen umeinandergewundenen Doppelstrang bilden, der als Helix bezeichnet wird. Diese Struktur leitet sich aus der Synthese der DNA ab, indem während der sogenannten Replikation der zweite Strang nach der Matrize des ersten Stranges gebildet wird.

Die DNA aus der Hand des Chemikers kann dagegen sehr viel kürzer sein und liegt nach der Synthese zunächst als einzelsträngige DNA vor. Man spricht zur besseren Unterscheidung von einem Oligonucleotid.

Neben der doppelsträngigen DNA gibt es in der Zelle noch zahlreiche andere Formen. Diese Formen variieren je nach ihrer Funktion und werden nun vorgestellt. Sie alle erfüllen die stereochemischen und elektrostatischen Anforderungen, existieren aber häufig nur in Gegenwart von Proteinen. Bei der Änderung der Struktur spielt die Änderung der Hydrathülle eine entscheidende Rolle. DNA ohne Wasser ist biologisch nicht aktiv. Für die biologische Funktion sind chemische und enzymatische Veränderungen der DNA von höchster Bedeutung.

Der allgemeine Aufbau ist jedoch für alle Formen identisch, indem die Verknüpfung der einzelnen monomeren Bausteine stets über Phosphorsäurediester erfolgt. Die einzelnen Nucleoside bestehen jeweils aus einem Zuckeranteil (Desoxyribose), und einer der vier sogenannten Basen: Adenin, Cytosin, Guanin oder Thymin. Während der Phosphorsäure-Rest für den allgemein sauren Charakter verantwortlich ist, reagieren die Basen als Amine basisch. Nur Thymin hat keine freie Amino-Gruppe und unterscheidet sich auch in vielen anderen Eigenschaften von den anderen Basen.

Aufgrund des allgemeinen Aufbaus ergibt sich eine negative Gesamtladung, die nach außen gerichtet ist und für den hydrophilen Charakter der Oberfläche sorgt. Die negativen Ladungen werden durch Kationen, wie Na+und K+, ausgeglichen. Mg2+ bindet bevorzugt an Nucleosid-triphosphate, während Ca2+ in verschiedenen biotechnologischen Verfahren eine entscheidende Rolle spielt. Durch Hitze oder durch hohe Konzentrationen an Alkali gelingt eine Strangtrennung, man spricht von Denaturierung. Falsche Renaturierung führt zu unlöslicher DNA, da die Basen nun nicht mehr innen liegen können und deshalb dem Gesamtmolekül einen hydrophoben Gesamtcharakter verleihen.

Stabilität und Spezifität
Die Stabilität der DNA-Helix wird in erster Linie durch die Wechselwirkungen zwischen den Basen, den sogenannten Stapelwechselwirkungen erreicht. Die Wasserstoff-Brücken tragen erheblich geringer zur Stabilität bei und sind im Wesentlichen für die Spezifität der Wechselwirkungen verantwortlich.
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