DNA - Aufbau und Verpackung

Bestandteile der DNA

Die Desoxyribonukleinsäure (DNA) ist ein aus Nukleotiden zusammengesetztes Makromolekül. Die Nukleotide bestehen aus:

• einer Phosphatgruppe (am C5 Atom)
• dem Zucker Desoxyribose
• einer von vier Basen (am C1 Atom)
  • Cytosin (C)
  • Guanin (G)
  • Thymin (T)
  • Adenin (A)

Aufbau

Aufbau eines Einzelstrangs

Die Phosphatgruppen und Desoxyribosen der Nukleotide bilden das Phosphat-desoxyribose Rückgrat der DNA. An der Desoxyribose befindet sich jeweils eine der vier Basen. Aufgrund der negativen Ladung der Phosphatreste kann die DNA in wässriger Lösung keine Protonen abgeben und ist somit streng genommen keine Säure.

Die fünf Kohlenstoffatome der Desoxyribose sind von 1 bis 5 nummeriert.

Am 1er Ende des Zuckers befindet sich eine der Basen, am 5er Ende die Phosphatgruppe. Die Nukleotide sind über das C3 und C5 Atom verbunden, wobei die OH-Gruppe am C3 Atom mit dem Phosphatrest am C5 Atom eine 3′-5′Phosphodiesterbindung eingeht. Hierdurch erhält jeder Einzelstrang ein 3` und ein 5` Ende. Dies ist besonders wichtig, da bei der Replikation neue Nukleotide nur an die OH-Gruppe des 3` Endes gefügt werden können. Somit wächst der Strang von 5`nach 3`.

Quelle: DNA_chemical_structure.svg: Madeleine Price Ball, User:Madprime derivative work: Matt (talk), Chemische Struktur der DNA, CC BY-SA 3.0

Aufbau der Doppelhelix

Die DNA kommt normalerweise in Form einer Doppelhelix vor (B-DNA). Zwei Einzelstränge sind hierbei in entgegengesetzter Richtung aneinander gelegt, sodass sich auf beiden Seiten ein 5`und ein 3` Ende befindet. Hierbei ist am 3’ Ende immer eine Oh-Gruppe und am 5` Ende eine Phosphatgruppe. Hieraus folgt, dass wenn man den Strang in eine Richtung abfährt 5-3 Bindungen bei einem Strang und 3-5 Bindungen bei dem anderen zu sehen sind.

In dieser Helix liegen sich immer bestimmte Basen gegenüber, nämlich Adenin und Thymin verbunden durch zwei Wasserstoffbrücken und Cytosin und Guanin verbunden durch drei Wasserstoffbrücken. Die Stabilisierung der Doppelhelix erfolgt allerdings durch Stapelwechselwirkungen und nicht durch diese Wasserstoffbrücken. Durch die bestimmte Paarung der Basen sind die Stränge komplementär, der eine ergibt sich aus dem anderen. Immer paart sich ein Purin (A und G aus zwei Ringen) mit einem Pyrimidin (C und T aus einem Ring), sodass der Abstand der Stränge überall gleich ist. Die Form gleicht insgesamt einer Wendeltreppe. Das hier beschriebene Modell ist das Watson-Crick-Modell.

Verpackung / Organisation der DNA

In der Zelle liegt die DNA in Verbindung mit Proteinen (Desoxyribonucleoprotein-Komplex) als Chromatin (in lockerer Form Euchromatin, fester verpackt Heterochromatin) vor. Hierbei ist die DNA auf mehreren Ebenen durch Proteine möglichst raumsparend angeordnet. Auf der ersten Ebene verbindet sich ein Oktamer aus Histonen mit dem negativ geladenen Rückgrat der DNA, sodass es zu einer Wicklung von ca. 146 Nukleotidpaaren um das Histonoktamer kommt. Es entsteht ein Nukleosom, welches für eine Verkürzung der DNA um den Faktor 7 sorgt (von 68 nm auf rund 10 nm). Die dann kettenförmig aneinander gereihten Nukleosomen sind auf der höheren Ebene zu einer 30nm-Chromatinfaser verdichtet. Aus 30nm-Chromatinfaser wird auf widerum höherer Ebene das Chromosom aufgebaut, wobei der Weg dorthin noch weitgehend unbekannt ist und das Erbgut nur während bestimmter Abschnitte des Zellzyklus in Chromosomenform vorliegt. Aus einem DNA-Doppelstrang wird mehrfach verpackt ein Chromatid, welches auch allein ein Chromosom bilden kann (ist direkt nach der Kernteilung der Fall). Chromosomen bestehen in ihrer typischen Form vor der Anaphase aus Schwesterchromatiden, die am Centromer verbunden sind. Alle in einem Individuum vorkommenden Chromosomen werden als Karyotyp bezeichnet (Darstellung im Karyogramm). Der Mensch hat 46 Chromosomen.

Unterschiede RNA, DNA

Unterschiede im Aufbau

Der Zucker der Nukleotide bei der Ribonukleinsäure (RNA) ist Ribose, der der Desoxyribonukleinsäure (DNA) Desoxyribose. Auch ist die vierte Base bei der RNA Uracil und nicht wie bei der DNA Thymin. Zudem liegt die RNA meist als Einzelstrang und die DNA hingegen als Doppelstrang vor.

Unterschiede in der Funktion

DNA:

Die DNA enthält das Erbgut (den vollständigen Bauplan) eines Organismus.

RNA:

Die RNA ist nur bei bestimmten Virentypen Träger des Erbguts. In Zellen ist sie für die Umsetzung genetischer Information in Proteine zuständig (als mRNA fungiert sie als Informationsüberträger) und ist an der Genregulation beteiligt.