Nukleinsäuren: DNA
Das Akronym DNA wurde aus der englischen Bezeichnung deoxyribonucleic acid, als Ersatz für das deutsche Wort Desoxyribonucleinsäure=DNS, gebildet. Im Zuge der Internationalisierung der Wissenschaften hat die Abkürzung DNA die deutsche, DNS, langsam verdrängt. Die DNA wird als Träger der Erbinformation betrachtet, neueste Erkenntnisse (Winter 2013) zeigen jedoch, dass man das bisher nur ansatzweise versteht, worauf wir auch kurz eingehen werden.
Es gibt noch eine weitere Nucleinsäure, die RNA (auch diese kürzte man früher als RNS ab), der der zweite Abschnitt dieses Kapitels gewidmet ist. Wenden wir uns erst einmal der Nucleinsäure DNA zu!
Die DNA ist ein lineares (unverzweigtes) Makromolekül, das auf Monomereinheiten, den Nucleotiden, aufgebaut ist. Die Grundstruktur der Nucleotide kann in drei Bereiche geteilt werden:
Ein Monomer=Nucleotid der DNA
Phosphat bildet, zusammen mit der Desoxyribose, die eigentliche Kette des Makromoleküls, die sich an den gestrichelten Linien fortsetzt. Desoxyribose ist eine Pentose, deren Hydroxygruppe am 2‘-Kohlenstoffatom „desoxidiert“ ist, also seines Sauerstoffatoms beraubt – zurück bleibt eine $CH_2$-Gruppe
Methylengruppe(-$CH_2$-) der Desoxyribose
Die Desoxyribose ist weiter an ihrem 5‘-Kohlenstoffatom mit Phosphorsäure zum Phosphat verestert und an ihrem 1‘-Kohlenstoffatom über eine C-N-Bindung mit einer Nucleobase verbunden. Die DNA kennt vier Typen dieser Nucleobasen: Cytosin, Guanin, Thymin und Adenin, die die genetische Information codieren:
CGTA – Die vier Buchstaben des „DNA-Alphabets“
In Gegensatz zum Codesystem der Elektronik mit der Basis 2 (Zweiersystem, Dualsystem, Binärsystem) hat der genetische Code also vier „Buchstaben“.
Diese Nucleotide bilden, wie bereits erwähnt, die Makromolekül-Kette der DNA. Dazu wird immer abwechselnd ein Phosphorsäure- und Desoxyribose-Rest mittels Esterbindungen zusammengehalten. Diese Grundstruktur entspricht also formal einem Polyester:
Durch Veresterung der 5‘-OH-Gruppen des einen Desoxyribose-Moleküls mit der 3‘-OH-Gruppe der nächsten Desoxyribose entsteht die Kette – die dadurch ein 5’- und ein 3‘-Ende besitzt!
Durch die so entstehenden 5‘- und 3‘-Enden besitzt die DNA eine Richtung, die in der Molekularbiologie eine große Rolle spielt, u.a. für das Auslesen des gespeicherten Codes.
Die einzelnen Nucleobasen der DNA können einen energetisch günstigeren Zustand einnehmen, indem sie Wasserstoffbrückenbindungen zu einer anderen Nucleobase ausbilden. Dabei existieren zwei Kombinationsmöglichkeiten:
Guanin paart sich mit Cytosin (und andersherum!)
Adenin paart sich mit Thymin (und andersherum!)
Dies führt zu einer leiterartigen Struktur:
Leiterstruktur des DNA-Doppelstranges
welche sich zur bekannten Doppelhelix verwindet:
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