Struktur der DNA

Von Susha Cheriyedath, M.Sc.Überprüft von Sally Robertson, B.Sc.

Die Entdeckung der DNA-Struktur durch James Watson und Francis Crick im Jahr 1953 ist eine der revolutionärsten wissenschaftlichen Entdeckungen bis heute. Die Forschungsarbeiten, die zur Entdeckung der Nukleinsäurestruktur führten, begannen jedoch bereits einige Jahre zuvor und umfassten viele verschiedene Forscher auf der ganzen Welt.

Frühere Entwicklungen

Im Jahr 1869 identifizierte der Schweizer Biochemiker Frederich Miescher als Erster die DNA als im Kern von Lymphozyten vorhanden. Die Bedeutung des Moleküls wurde jedoch erst mehr als 50 Jahre später erkannt. 1919 schlug der russische Biochemiker Phoebus Levene vor, dass Nukleinsäuren aus Nukleotiden bestehen, die sich aus einer der vier Basen A (Adenin), T (Thymin), G (Guanin) und C (Cytosin), einem Zucker und einer Phosphatgruppe zusammensetzen.

Der österreichische Biochemiker Erwin Chargaff startete, inspiriert durch Oswald Averys Arbeit von 1944 über die DNA als genetisches Material, in den 1950er Jahren ein Forschungsprojekt, das sich mit der Chemie der Nukleinsäuren befasste. Auf der Grundlage seiner Beobachtungen über die Menge der Basen in der DNS formulierte er die Chargaffsche Regel, die besagt, dass die Gesamtmenge der Purine (A + G) nahezu gleich der Gesamtmenge der Pyrimidine (C + T) ist. Die Kombination aus Levenes Erkenntnissen und den entscheidenden röntgenkristallographischen Arbeiten zur DNA-Struktur von Rosalind Franklin und Maurice Wilkins legte den Grundstein für die bahnbrechende Entdeckung der Doppelhelixstruktur durch Watson und Crick im Jahr 1953.

Im Jahr 1962 erhielten Watson, Crick und Wilkins gemeinsam den Nobelpreis für Medizin „für ihre Entdeckungen über die molekulare Struktur der Nukleinsäuren und ihre Bedeutung für die Informationsübertragung in lebendem Material.“

Die DNA-Doppelhelix

Struktur und Bestandteile

Die DNA besteht aus zwei Polynukleotidketten oder -strängen, die so umeinander gewickelt sind, dass sie einer gedrehten Leiter ähneln. Diese Struktur wird als Doppelhelix bezeichnet. Das Grundgerüst jedes dieser Stränge ist ein sich wiederholendes Muster aus einem 5-Kohlenstoff-Zucker und einer Phosphatgruppe. Jeder Zucker ist an eine der vier stickstoffhaltigen Basen gebunden: A, T, G oder C.

Der im Nukleotid enthaltene Zucker ist eine Desoxyribose, daher der Name Desoxyribonukleinsäure (DNA). In der Doppelhelix-DNA-Struktur sind alle vier Basen auf die Innenseite der Doppelhelix beschränkt und werden durch Wasserstoffbrückenbindungen (H) gehalten, die komplementäre Basen auf den beiden Strängen verbinden. Die Zucker-Phosphat-Rückgrate der DNA befinden sich auf der Außenseite der Doppelhelix.

Wasserstoffbrücken

Adenin und Thymin sind durch zwei H-Bindungen gepaart, während Cytosin und Guanin durch drei H-Bindungen gepaart sind. Die Basen sind auf der Leiter gestapelt, und die hydrophobe Bindung zwischen den Basen verleiht dem DNA-Molekül Stabilität.

Komplementäre Basenpaarung

Die beiden DNA-Stränge in der Doppelhelix verlaufen in entgegengesetzter Richtung (antiparallel zueinander), damit die Basen in jedem Basenpaar in die Doppelhelix passen. Das bedeutet, dass die Nukleotide in jedem DNA-Strang genau komplementär zu denen des anderen Strangs sind.

Die komplementäre Basenpaarung von A mit T und G mit C ermöglicht eine Optimierung der Energieniveaus innerhalb der Doppelhelix. In dieser Doppelhelix-Anordnung bleibt die Breite jedes Basenpaares gleich, d.h. der Abstand zwischen den Zucker-Phosphat-Rückgraten bleibt über die gesamte Länge des DNA-Moleküls gleich. Die Verdrehungen oder Windungen in den beiden Zucker-Phosphat-Rückgraten der Doppelhelix treten alle zehn Basenpaare auf, wodurch die Effizienz der Basenpaar-Packung maximiert wird.

Die beiden Polynukleotidstränge der DNA-Doppelhelix bieten eine einfache Grundlage für das Kopieren der Informationen im Molekül. Bei der Trennung dient jeder der beiden Stränge als Vorlage, um eine exakte oder identische Kopie des DNA-Moleküls zu erstellen.

1. http://tigger.uic.edu/classes/phys/phys461/phys450/ANJUM04/
2. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26821/
3. http://cs.boisestate.edu/~amit/teaching/342/lab/structure.html
4. http://www.nature.com/scitable/topicpage/discovery-of-dna-structure-and-function-watson-397
5. https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1962/

Weitere Lektüre

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Geschrieben von

Susha Cheriyedath

Susha hat einen Bachelor of Science (B.Sc.) in Chemie und einen Master of Science (M.Sc.) in Biochemie von der Universität von Calicut, Indien. Sie hatte schon immer ein großes Interesse an Medizin und Gesundheitswissenschaften. Im Rahmen ihres Masterstudiums spezialisierte sie sich auf Biochemie, mit Schwerpunkt auf Mikrobiologie, Physiologie, Biotechnologie und Ernährung. In ihrer Freizeit liebt sie es, in der Küche mit ihren supertollen Backexperimenten einen Sturm zu entfachen.

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