Biologie für Laien I

Die Bausteine der DNA sind Nukleotide. Die wichtigsten Bestandteile eines jeden Nukleotids sind eine stickstoffhaltige Base, Desoxyribose (5-Kohlenstoff-Zucker) und eine Phosphatgruppe (siehe Abbildung 1). Jedes Nukleotid wird in Abhängigkeit von seiner Stickstoffbase benannt. Die stickstoffhaltige Base kann ein Purin sein, wie Adenin (A) und Guanin (G), oder ein Pyrimidin, wie Cytosin (C) und Thymin (T). Uracil (U) ist auch ein Pyrimidin (wie in Abbildung 1 zu sehen), aber es kommt nur in RNA vor, worüber wir später mehr sprechen werden.

Abbildung 1. Jedes Nukleotid besteht aus einem Zucker, einer Phosphatgruppe und einer stickstoffhaltigen Base. Der Zucker ist Desoxyribose in der DNA und Ribose in der RNA.

Die Nukleotide verbinden sich miteinander durch kovalente Bindungen, die als Phosphodiesterbindungen oder Verknüpfungen bekannt sind. Der Phosphatrest ist an die Hydroxylgruppe des 5′-Kohlenstoffs eines Zuckers eines Nukleotids und die Hydroxylgruppe des 3′-Kohlenstoffs des Zuckers des nächsten Nukleotids gebunden, wodurch eine 5′-3′-Phosphodiesterbindung entsteht.

In den 1950er Jahren arbeiteten Francis Crick und James Watson an der Universität Cambridge, England, zusammen, um die Struktur der DNA zu bestimmen. Auch andere Wissenschaftler wie Linus Pauling und Maurice Wilkins waren auf diesem Gebiet aktiv. Pauling hatte mit Hilfe der Röntgenkristallographie die Sekundärstruktur von Proteinen entdeckt. In Wilkins‘ Labor nutzte die Forscherin Rosalind Franklin Röntgenbeugungsmethoden, um die Struktur der DNA zu verstehen. Watson und Crick waren in der Lage, das Puzzle des DNA-Moleküls auf der Grundlage von Franklins Daten zusammenzusetzen, da Crick ebenfalls Röntgenbeugung studiert hatte (Abbildung 2). Im Jahr 1962 erhielten James Watson, Francis Crick und Maurice Wilkins den Nobelpreis für Medizin. Leider war Franklin zu diesem Zeitpunkt bereits verstorben, und Nobelpreise werden nicht posthum verliehen.

Abbildung 2. Die Arbeit der Pionierwissenschaftler (a) James Watson, Francis Crick und Maclyn McCarty führte zu unserem heutigen Verständnis der DNA. Die Wissenschaftlerin Rosalind Franklin entdeckte (b) das Röntgenbeugungsmuster der DNA, was zur Aufklärung ihrer Doppelhelixstruktur beitrug. (credit a: Modifikation einer Arbeit von Marjorie McCarty, Public Library of Science)

Watson und Crick schlugen vor, dass die DNA aus zwei Strängen besteht, die umeinander verdreht sind und eine rechtshändige Helix bilden. Die Basenpaarung findet zwischen einem Purin und einem Pyrimidin statt; nämlich A paart sich mit T und G paart sich mit C. Adenin und Thymin sind komplementäre Basenpaare, und Cytosin und Guanin sind ebenfalls komplementäre Basenpaare. Die Basenpaare werden durch Wasserstoffbrückenbindungen stabilisiert; Adenin und Thymin bilden zwei Wasserstoffbrückenbindungen und Cytosin und Guanin bilden drei Wasserstoffbrückenbindungen. Die beiden Stränge sind antiparallel zueinander, d. h. das 3′-Ende des einen Stranges steht dem 5′-Ende des anderen Stranges gegenüber. Die Zucker und Phosphate der Nukleotide bilden das Rückgrat der Struktur, während die stickstoffhaltigen Basen im Inneren gestapelt sind. Jedes Basenpaar ist von dem anderen Basenpaar durch einen Abstand von 0,34 nm getrennt, und jede Windung der Helix misst 3,4 nm. Es sind also zehn Basenpaare pro Windung der Helix vorhanden. Der Durchmesser der DNA-Doppelhelix beträgt 2 nm und ist überall gleich. Nur die Paarung zwischen einem Purin und einem Pyrimidin kann den einheitlichen Durchmesser erklären. Die Verdrehung der beiden Stränge umeinander führt zur Bildung von gleichmäßig beabstandeten Haupt- und Nebenfurchen (Abbildung 3).

Abbildung 3. Die DNA hat (a) eine Doppelhelixstruktur und (b) Phosphodiesterbindungen. Die (c) Haupt- und Nebenfurchen sind Bindungsstellen für DNA-Bindeproteine während Prozessen wie der Transkription (dem Kopieren von RNA von der DNA) und der Replikation.

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