Die Sekundärstruktur
In Zellen existiert ein DNA-Einzelstrang jeweils nur kurzfristig und nur über kurze Abschnitte, z.B. während der Zellteilung oder während der Transkription. Normalerweise paart sich ein DNA-Einzelstrang nämlich immer mit einem zweiten Einzelstrang. Diese Paarung ergibt sich dadurch, dass immer eine Base des einen Einzelstrangs mit einer bestimmten Base des anderen Strangs Wasserstoffbrücken ausbildet. Die beiden Basen, welche sich gegenüberstehen, nennt man komplementär. Adenin paart sich mit Thymin, Guanin mit Cytosin:
Lewin B.:
"Gene" 2. Auflage 1991,
VCH Verlagsgesellschaft mBH,
Weinheim (D),
ISBN 3-527-28052-9
A + G = T + C
A / T = G / C = 1
Die Sekundärstruktur einer Nukleinsäure wird durch die
Abfolge komplementärer Basen bestimmt. Im Falle der DNA bleiben die Doppelstränge nicht einfach in einer Ebene, vielmehr verdrillen sie sich schraubenartig zu einer Doppelhelix, wobei die hydrophoben
Basen innen liegen, die Zuckerringe und die Phosphodiesterbrücken hingegen das Rückgrat bilden und aussen liegen.
Die DNA-Doppelhelix hat folgende Eigenschaften: Sie dreht nach rechts und hat einen Durchmesser von etwa 2 nm. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Basen beträgt 0,34 nm und der helicale Drehungswinkel der benachbarten Basenpaare beträgt 36°. Das ergibt pro Umdrehung 10 Basenpaare und eine Hubhöhe von 3,4 nm.. Die planaren Basen liegen horizontal übereinander und können durch diese Stapelung ("base stacking") die Konformation der DNA stabilisieren.
Die DNA-Doppelhelix hat folgende Eigenschaften: Sie dreht nach rechts und hat einen Durchmesser von etwa 2 nm. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Basen beträgt 0,34 nm und der helicale Drehungswinkel der benachbarten Basenpaare beträgt 36°. Das ergibt pro Umdrehung 10 Basenpaare und eine Hubhöhe von 3,4 nm.. Die planaren Basen liegen horizontal übereinander und können durch diese Stapelung ("base stacking") die Konformation der DNA stabilisieren.
Weil sich die Zucker-Base-Bindungen der komplementären Basenpaare nicht direkt gegenüber liegen, also nicht diametral zueinander stehen (ihr Abstand beträgt weniger als der Durchmesser der Helix, vergl. obige Skizze), sind die
vertikalen Abstände zwischen den beiden Einzelsträngen der DNA nicht immer gleich gross, sie bilden entweder eine kleine oder eine grosse Grube.
Die beiden Einzelstränge der DNA sind zueinander antiparallel angeordnet, d. h. das 5'-Ende des einen Strangs liegt dem 3'-Ende des andern gegenüber und umgekehrt.
Folgende Abbildung veranschaulicht obige Feststellungen:
Bildquelle: Prof. Hans Trachsel: "Einführung in die Molekularbiologie -
Skript für Studierende der Human- und Veterinärmedizin",
Institut für Biochemie und Molekularbiologie der Universität Bern, 1996
Sie können dies an einem einfachen Beispiel üben: Versuchen Sie aus folgender DNA-Sequenz den komplementären Strang zu finden:
5'-AATCAGCGATCGCTG-3'
Lösung
X
Matrizenstrang:5'-AATCAGCGATCGCTG-3'
Komplementärer Strang:
3'-TTAGTCGCTAGCGAC-5'
Der komplementäre Strang hat also die Basensequenz 5'-CAGCGATCGCTGATT-3' - Sequenzen werden in 5'⇒3'-Richtung hingeschrieben!
Vergewissern Sie sich, dass Sie alle Eigenschaften der gezeigten DNA verstehen. Sie ist die am häufigsten vorkommende Konformation der DNA und wird als B-Form bezeichnet.
Sie können sich die Struktur der DNA wahrscheinlich am besten vorstellen, wenn Sie das dreidimensionale Modell zuhilfe nehmen.
3 D-Modelle aufrufen: A-DNA
X
A-DNA
Man kann das Stereobild auch ohne eine Stereobrille als ein einziges, räumliches Bild sehen, wenn man es durch Üben schafft, zwei normalerweise miteinander verknüpfte Sehreflexe zu entkoppeln. Man muss die Augen streng parallel stellen, als wären sie auf ein fernes Objekt gerichtet, die Augenlinsen aber zugleich für nahes Sehen fokussieren.Achtung! Beim Betrachten des Stereobildes ohne Stereobrille dreht die Helix nach links statt nach rechts!
Bildquelle: Sippel E. und Nordheim A.: "Erbsubstanz DNA" Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH & Co Heidelberg, 2. Auflage, 1986
X
B-DNA
Man kann das Stereobild auch ohne eine Stereobrille als ein einziges, räumliches Bild sehen, wenn man es durch Üben schafft, zwei normalerweise miteinander verknüpfte Sehreflexe zu entkoppeln. Man muss die Augen streng parallel stellen, als wären sie auf ein fernes Objekt gerichtet, die Augenlinsen aber zugleich für nahes Sehen fokussieren.Achtung! Beim Betrachten des Stereobildes ohne Stereobrille dreht die Helix nach links statt nach rechts!
Bildquelle: Sippel E. und Nordheim A.: "Erbsubstanz DNA" Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH & Co Heidelberg,2. Auflage, 1986
X
Z-DNA
Man kann das Stereobild auch ohne eine Stereobrille als ein einziges, räumliches Bild sehen, wenn man es durch Üben schafft, zwei normalerweise miteinander verknüpfte Sehreflexe zu entkoppeln. Man muss die Augen streng parallel stellen, als wären sie auf ein fernes Objekt gerichtet, die Augenlinsen aber zugleich für nahes Sehen fokussieren.Achtung! Beim Betrachten des Stereobildes ohne Stereobrille dreht die Helix nach links statt nach rechts!
Bildquelle: Sippel E. und Nordheim A.: "Erbsubstanz DNA" Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH & Co Heidelberg, 2. Auflage, 1986
Versuchen Sie, die folgenden Fragen zu beantworten:
- Welches ist die Phosphorsäure, welches der Zucker?
- Sehen Sie die grosse und die kleine Grube?
- Wo liegt das 3'- und wo das 5' - Ende eines Stranges?
- Sehen Sie, wie die Basen übereinandergestapelt und gegeneinander versetzt sind?
- Betrachten Sie ein Basenpaar: welches ist die Purinbase und welches die Pyrimidinbase? Vielleicht erkennen Sie die Basen sogar und damit die Basensequenz!
Neben der B-DNA existieren noch eine Reihe weiterer DNA-Formen:
Die Basensequenz eines DNA-Abschnitts bestimmt, welche Konformation die Doppelhelix annimmt. Alternative Konformationen sind wichtig für die Erkennung bestimmter Abschnitte durch Eiweisse (z.B. bei der Replikation oder Transkription), weil die Basen dadurch für Eiweiße besser zugänglich gemacht werden.
Zusatzinfos
X
A-Form: Sie kommt z.B. als Intermediäres bei der Transkription vor (DNA/RNA-Helix). Die zusätzliche Hydroxylgruppe am C2 der Ribose verhindert, dass das DNA-RNA-Hybride die B-Konformation annehmen
kann. Aus demselben Grund kommt die A-Form auch bei doppelsträngiger RNA vor (z.B. in Viren). Die A-Form ist zwar ebenfalls rechtsdrehend, sie ist aber "dicker" als die B-Form und beide Gruben sind etwa gleich gross.Z-DNA: Alternierende Purin-/Pyrimidinsequenzen wie z.B.
3´-CGCGCGCGCG-5´
5´-GCGCGCGCGC-3´
bilden eine linksdrehende Doppelhelix, welche etwa 12 Basenpaare pro Umdrehung hat. Die Z-DNA verdankt ihren Namen ihrem "zick-zack"-artigen Zucker-Phosphat-Rückgrat.