Struktur der DNA - cosbucienii-profesionisti-cluj

Struktur von DNA
Vortrag im Rahmen des
biochemischen Seminars für
Lehramtskandidaten
Referent: Franz Alt
Bausteine der Nucleinsäuren
Gerüst
5
HO
OH
O
4
1
3
2
OH OH
5
HO
OH
O
4
1
3
2
O
HO P OH
OH
OH
- β-D-Ribofuranose (RNA) bzw.
- β-D-Desoxyribofuranose (DNA)
sowie Phosphatgruppen
Zucker:
Bausteine der Nucleinsäuren
Gerüst
O
O
-
P
O
Veresterung jeweils an 3‘ und 5‘
OH
O
O
-
OH
O
O
HO
HO
HO
HO
O
O
O
O
O
O
P
O
-
O
O
P
O
O
-
O
O
P
O
O
-
O
P
O
O
-
O
Die Phosphodiesterbindung an 3‘ und 5‘ konstituiert das lineare Gerüst
der Nucleinsäuren
Informationsträger – die Basen
O
NH2
N
HN
N
N
O
O
N
N
H
H
Pyrimidin
N
N
H
Cytosin
NH2
N
N
O
NH
N
N
H
Purin
Thymin
N
N
N
CH3
Adenin
N
H
Guanin
N
NH2
Nucleoside
NH2
N
HO
N
O
N
N
OH
Verknüpfung zum Nucleosid, hier Adenosin (Adenin + Desoxyribose)
Jeweils N-9 (Purinderivate) bzw. N-1 (Pyrimidinderivate) mit C-1‘ des Zuckers
über N-glykosidische Bindung verknüpft.
Die Base liegt oberhalb der Ebene des Zuckermoleküls (auf der Seite der
CH2OH-Gruppe), d.h. handelt es sich um eine β-glykosidische Bindung.
Wird zusätzlich der C-5‘-Alkohol mit Phosphorsäure verestert, spricht man
von Nucleotiden.
Verknüpfung von Nucleotideinheiten zur Nucleinsäure
O
H3C
O
O
5'
P
O
NH
-
N
O
O
O
Hohe Flexibilität der Nucleinsäure: z.B.
freie Drehbarkeit um C-5‘, umklappen der
Sesselkonformationen, Ausrichtung der
Basen…
OH
O
O
N
P
O
N
-
N
O
N
H
O
NH2
NH2
3'
O
O
P
N
O
N
-
N
O
O
O
N
Sekundärstruktur
• Wichtige Hinweise zur Klärung der Struktur der DNA:
– 40er Jahre, Erwin Chargaff: Die Zahl der Adeninreste entspricht
annähernd der Zahl der Thyminreste, die Zahl der Guaninreste
der der Cytosinreste
– 50er Jahre, Rosalind Franklin und Maurice Wilkins:
Röntgenstrukturanalyse der DNA lässt auf einen helikalen
Aufbau mit zwei Wiederholungen entlang der Längsachse
schließen (prim. 0,34nm, sek. 3,4nm)
• 1953 James Watson / Francis Crick: Einseitige
Publikation zur molekularen Struktur der DNA:
– Basenpaarung: Zwei gegenläufige Stränge sind
durch H-Brücken zwischen Purin- und
Pyrimidinbasen verknüpft (A mit T, G mit C). Sie
sind komplementär.
– Die DNA bildet eine Doppelhelix aus, die Basen
befinden sich im Inneren der Helix.
– Das Phosphat-Ribose-Gerüst befindet sich außen,
was Kationen einen guten Zugang zu den
negativen Ladungen der Phosphatbrücken bietet.
– Die Basenpaarung weist auf einen möglichen
Kopiermechanismus hin.
1962: Nobelpreis für Medizin
Basenpaarung
• Zusätzlich zu den H-Brücken resultieren zwei
Stapelungseffekte aus der Anordnung der
Basen:
– Die hydrophoben Basengruppen entziehen
sich im Inneren der Helix dem Wasser.
– Van-Der-Waals-Kräfte zwischen den
gestapelten Basenpaaren tragen ebenfalls zur
Stabilität bei.
DNA kann aufgrund ihrer
Flexibilität auch weitere
Strukturen bilden, so z.B. die
kürzere A-DNA oder die
linksgängige Z-DNA.
Darüber hinaus können bei
entsprechenden
Basenabfolgen Haarnadeloder kreuzförmige Strukturen
entstehen.
Bereiche solcher Strukturen
sind wahrscheinlich am DNAStoffwechsel oder der Teilung
beteiligt.
Haarnadelstruktur und kreuzförmige
Struktur von DNA-Abschnitten.
aus Palindrom-DNA: umgekehrte
Sequenzwiederholung (wie RENTNER,
ANNA) mit doppelter Symmetrie.
Strukturvarianten der DNA-Doppelhelix (je
36bp). Die B-Form entspricht der WatsonCrick-Strucktur und ist unter physiologischen
Bedingungen die stabilste.
Tertiärstrukturen
• Gesamtlänge der DNA eines menschl.
Genoms: ca. 1m, d.h. 2m pro Zelle.
• Die DNA muss also einer enormen
Packung unterliegen.
Superspiralisierung
• Die Verdrillung einer verdrillten
Struktur nennt man
Superspiralisierung. Anschauliches
Beispiel ist das Spiralkabel eines
Telefons.
• Durch Ändern der Verwindungszahl
(also der Verdrillung der helikalen
Struktur) entsteht eine Spannung
im Molekül, welche durch
Superspiralisierung oder auch
Kreuzstrukturen (an Palindromen)
kompensiert wird.
Links: Elektronenmikroskopische Aufnahme
ringförmiger mitochondrialer DNA
Nucleosomen
• Nucleosomen sind regelmäßige Strukturen von
an die DNA gebundenen Histonkomplexen
(Histone: 5 Typen kleiner basischer Proteine)
Hintergrund: DNA-Strang an Histonkomplexe (Kugeln) gebunden.
Elektronenmikroskopische Aufnahme
Histone sind in eukaryotischen Zellen notwendig, um die Superspiralisierung zu
erreichen, da keine entsprechenden Enzyme vorhanden sind. Durch die
Umwicklung der Histonkerne entstehen negative Spiralen um den Kern und positive
Spiralen im freien Teil der DNA. Topoisomerasen können die positiven Spiralen
entfernen.
Rechts: Modell der Verdichtung durch das
Prinzip der Spiralisierung von Spiralen
Unten: partiell entfaltetes menschliches
Chromosom; DNA-Schleifen sind an einer
Gerüststruktur verankert.
Literatur
• Crick, F. H. C.; Watson, J. D.: Molecular structure of
nucleic acids. A structure for desoxyribose nucleic acid.
Erschienen in: Nature, 25. April 1953, S.737.
• Cox, M. M.; Nelson, D. L.: Lehninger Biochemie. 4.,
vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage.
Übersetzung der. 5. amerikanischen Ausflage. Berlin,
Heidelberg 2009, Kap. 8 und 24.
• Berg, J.M.; Tymoczko, J.L.; Stryer, L.: Stryer Biochemie.
6. Auflage. Heidelberg, 2007, Kap. 4 und 28.
• Bildmaterial entnommen aus: Lehninger Biochemie.