Abschnitt 12 · Chemie des Lebens
Desoxyribonukleinsäure, allgemein bekannt als DNA, wird von allen Lebensformen als Speichermedium für genetische Information verwendet. DNA enthält die grundlegenden Baupläne für die Entwicklung und Erhaltung eines jeweiligen Organismus. DNA ist der RNA chemisch sehr ähnlich, unterscheidet sich jedoch in einigen wichtigen Aspekten.
Dieser Abschnitt gibt einen Überblick über ihre chemische Struktur, die untrennbar mit ihrer Funktion verbunden ist.
Die monomeren Einheiten der DNA sind Desoxyribonukleotide, die aus einem Desoxyribose-Zucker, einer Phosphatgruppe und einer von vier Nukleobasen bestehen. Die Phosphatgruppe ist am 5'-Kohlenstoffatom der Desoxyribose befestigt, während die entsprechende Base am 1'-Kohlenstoffatom gebunden ist. Im Gegensatz zu RNA, die Ribose-Zucker enthält, fehlt der Desoxyribose der DNA eine Hydroxylgruppe (OH) an ihrem 2'-Kohlenstoff. Dies hat wichtige Auswirkungen auf die allgemeine Struktur der DNA, die wir in Kürze diskutieren werden.
So wie bei der RNA können die vier Standardbasen der DNA in zwei Typen unterteilt werden: Purine und Pyrimidine. Cytosin (C) und Thymin (T) sind Pyrimidine mit ihrer typischen Einzelringstruktur, die zwei Stickstoffatome enthält. Thymin entspricht Uracil in der RNA. Tatsächlich kann Thymin auch als 5-Methyluracil bezeichnet werden, da es eine Methylgruppe am 5'-Atom des Pyrimidinrings enthält. Die Verbindung mit Desoxyribose wird in dieser Darstellung am unteren Stickstoff gebildet.
Die Purinbasen Adenin (A) und Guanin (G) bestehen jeweils aus zwei stickstoffhaltigen Ringen. Zusammen mit dem Pyrimidin Cytosin sind diese Basen in DNA und RNA jeweils identisch. In dieser Darstellung ist der untere linke Stickstoff des jeweiligen Purins an Desoxyribose gebunden.
Die Polymerisation der DNA erfolgt zwischen der 3'-Hydroxylgruppe (OH) der Desoxyribose eines vorhandenen DNA-Terminus und der Phosphatgruppe, die am 5'-Kohlenstoff eines ankommenden Desoxyribonukleosid-Triphosphats (dNTP) befestigt ist. Bei der Bindungsbildung werden zwei Phosphatgruppen als Diphosphat (PPᵢ) freigesetzt, das gleichzeitig Energie für die Reaktion selbst liefert.
Die resultierende polymere DNA ist durch ihr Zucker-Phosphat-Rückgrat kontinuierlich verbunden, während die Nukleobasen seitlich des Strangs herausragen. Ein Ende eines DNA-Moleküls endet mit einer Phosphatgruppe, die am 5'-Kohlenstoff des Desoxyribose-Zuckers befestigt ist. Daher wird es als 5'-Ende des DNA-Strangs bezeichnet. Der gegenüberliegende Terminus endet mit einem freien 3'-OH und wird daher 3'-Ende genannt. Zusätzliche Nukleotide können nur am 3'-Ende eines DNA-Strangs hinzugefügt werden.
DNA ist im Gegensatz zur RNA normalerweise über ihre gesamte Länge doppelsträngig. Zwei DNA-Stränge assoziieren durch spezifische Basenpaarung, wobei A nur mit T und G nur mit C paart und über zwei bzw. drei Wasserstoffbrücken verbunden sind. Die beiden Stränge verlaufen in entgegengesetzter Richtung, welche allgemein als von 5'-Ende zu 3'-Ende verlaufend definiert wird. Daher sind die beiden DNA-Stränge antiparallel zueinander und in ihrer Basensequenz reverskomplementär, da jede Base ihre jeweilige Paarungsübereinstimmung hat.
DNA hat eine helikale Struktur. Konkret bilden seine beiden Stränge eine Doppelhelix, wobei sich außen das Zucker-Phosphat-Rückgrat (grau dargestellt) und innen die über Wasserstoffbrücken verbundenen Basenpaare befinden. Die DNA-Doppelhelix hat eine große Furche (major groove), wo die Zucker-Phosphat-Rückgrate weiter auseinander liegen, und eine kleine Furche (minor groove), wo sie näher beieinander liegen.
Die Struktur der DNA eignet sich besonders für ihre Vervielfältigung und ihre Hauptfunktion, nämlich die Speicherung der Erbinformation. Diese Information, die als Bauplan für den Aufbau und Erhalt von Organismen dient, liegt in der spezifischen Basensequenz der DNA mit ihren vier "Buchstaben" A, G, C und T.
Wir erfahren mehr über das Kopieren, Lesen und Übersetzen der genetischen Informationen im folgenden Modul zur Genetik.
DNA kann auf verschiedene Weisen modifiziert werden, aber die wohl wichtigste Modifikation ist die DNA-Methylierung. Insbesondere die Methylierung von Cytosin am 5'-Atom des Pyrimidinrings ist bedeutend. Die resultierende Base heißt 5-Methylcytosin und paart sich immer noch mit Guanin, obwohl diese kleine chemische Veränderung tiefgreifende Auswirkungen auf die Regulation des genetischen Materials hat.
Das ist nur ein ein Beispiel für eine epigenetische Modifikation, auf die ebenfalls im nächsten Modul genauer eingegangen wird.
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