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Grundstruktur der DNA

Auf der vorangegangenen Seite wurde erklärt, dass in den Chromosomen DNA-Fäden aufgewickelt sind. Woraus besteht ein DNA¹⁾-Faden, was ist Desoxyribonucleinsäure?

Das Bild auf der rechten Seite zeigt zunächst einmal die komplette Struktur der DNA-Fäden. Sie bestehen aus einer Wendel die Doppelhelix genannt wird. Zwei Stränge winden sich umeinander und werden durch Moleküle zusammengehalten die weiter unten noch erklärt werden. Die Pünktchen zwischen den Sechsecken mit den Buchstaben A, C, G und T bedeuten „Wasserstoffbrückenbindung²⁾“. Diese wurde in der Lerneinheit zur organischen Chemie bereits erklärt.

Räumliche Struktur der DNA-Doppelhelix ( )

Vereinfachte Struktur der DNA-Doppelhelix. 1´, 2´, siehe "Zählweise" ( )

Ergänzung: Nomenklatur und Zählweise der Kohlenstoffatome in einem Ring

VRML-Szene: Hier können Sie sich ein Stück aus der Doppelhelix ansehen (Cosmo Player)

Molekularer Aufbau der DNA

Das Nucleotid - Grundstrukturelement der DNA ( )

Lineare Struktur eines DNA-Strangs mit Basen und Zucker-Phosphat-Rückgrat ( )

Die Buchstaben A, C, G und T bedeuten:
A = Adenin, C = Cytosin, G = Guanin und T = Thymin.

Diese vier Basen treten immer nur paarweise auf:
A mit T und C mit G

Die kleinen Fünfecke bei den Basen Adenin (A) und Guanin (G) in der Abbildung rechts oben sind Zuckermoleküle. Alle vier Basensorten sind entweder direkt oder über ein zusätzliches Zuckermolekül mit den Zuckermolekülen (S: engl. sugar) der beiden wendelförmigen Stränge verbunden. Die Zuckermoleküle in den Wendeln sind jeweils über eine sog. Phosphatbrücke (P) miteinander verbunden.

Ein Nucleosid besteht aus einem Phosphatrest und einem Zucker, welches durch die Ergänzung einer der vier Basen zum Nucleotid wird, dem Baustein der DNA, siehe Abbildung rechts.

Aufgabe 3.4-1

In der Abbildung mit der Doppelhelix gibt es als waagerechte Verbindungslinien manchmal zwei und manchmal drei gepunktete Linien. Was bedeuten diese und warum ist die Anzahl unterschiedlich?

Lösung

Ergänzung: Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den komplementären Basen der DNA

Die Verbindungsstruktur der DNA-Nucleotide zu einer Nucleotidkette ist in der rechten Abbildung veranschaulicht.

Die Kombination zweier DNA-Einzelstränge zur Doppelhelix wird klar, wenn man sich vorstellt, dass ein Strang um 180 Grad gedreht und komplementär gepaart wird, was zu einer Struktur führt, die in dem Zusatzfenster „Verbindungsstruktur“ visualisiert ist. Durch die Drehung wird von einem ''5-Strich Phosphatende'' und einem ''3-Strich OH Ende'' gesprochen.

In der räumlichen Darstellung, die etwa per Röntgenkristallographie aufgedeckt werden kann, präsentiert sich das Ganze dann wie in der Abbildung oben rechts dargestellt (Doppelhelix).

Zur eindeutigen Darstellung der Basen eines Strangs hat man sich darauf geeinigt, vom 5'-Ende zu beginnen, dann die Sequenz folgen zu lassen und mit dem 3'-Ende zu terminieren. Mithin also z.B. 5'-ATTTATCTAGGGA-3', wobei sich das vereinfacht zu ATTTATCTAGGGA. Der Zucker eines Nucleotids wird gleichfalls durchnummeriert, um sich einfacher auf ihn beziehen zu können. Wichtig anzumerken ist ferner, dass es bei Doppelsträngiger DNA zu Überhängern kommen kann, also ungepaarten Basen, die sog. klebrigen Enden/sticky ends.

Ergänzung: Verbindungsstruktur der DNA-Nucleotide zu einer Nucleotidkette.

VRML-Szene: Die DNA als VRML-Modell (153 KB) (Cosmo Player)

¹⁾ Das A steht für das englische Wort für Säure: acid
²⁾ Die Wasserstoffbrückenbindung ist eine besondere Art der Atombindung (kovalente Bindungen). Bei Bindungen zwischen unterschiedlichen Atomen kommt es zu einer Verlagerung der Ladungen innerhalb des Moleküls, d.h. das Molekül ist elektrisch polarisiert. Diese molekularen Dipole üben aufeinander elektrostatische Kräfte aus. Besonders der bei Biomolekülen immer vorhandene Wasserstoff wird in den Atombindungen ionisiert und damit elektropositiv. Hierdurch kann er mit andern Molekülen die elektronegativ sind eine Bindung eingehen.