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Lexikon der Biochemie: Desoxyribonucleinsäuren

Desoxyribonucleinsäuren, DNA, aus Desoxyribonucleotiden aufgebautes Biopolymer, das in allen lebenden Zellen und vielen Viren vorkommt. DNA ist der Träger der genetischen Information, die durch identische Replikation der DNA-Moleküle bei der Zellteilung an die Tochterzellen weitergegeben wird.
 Struktur. Jede Mononucleotideinheit des DNA-Polymers besteht aus phosphorylierter 2-Desoxyribose, die mit einer der vier Basen Adenin, Guanin, Cytosin oder Thymin (Abk. A, G, C oder T) N-glycosidisch verknüpft ist. In DNA höherer Organismen ist Cytosin teilweise durch 5-Methylcytosin, in Phagen-DNA teilweise durch 5-Hydroxymethylcytosin ersetzt. Zur Struktur der Basen Nucleoside. Die Verknüpfung der Mononucleotide zu einer linearen Polynucleotidkette erfolgt über 3',5'-Phosphodiesterbrücken (Nucleinsäuren, Phosphodiester). Die prozentualen Anteile der vier Basen der DNA können in verschiedenen Organismen sehr unterschiedlich sein. So enthält die DNA des Tuberkelbazillus 18% A, die aus Kalbsthymus 30 % A. Jedoch ist die Anzahl an A immer gleich der an T und die Anzahl an G immer gleich der an C (GC-Gehalt). Dieses Ergebnis und die Resultate von Röntgenstrukturanalysen (Wilkins und Franklin) haben zur Aufstellung des Watson-Crick-Modells geführt, das die Struktur der DNA als Doppelhelix erklärt [Nature 171 (1953) 737]. Diese Erkenntnis der DNA-Struktur bedeutete eine Revolution der Biowissenschaften, da erst hierdurch erklärt werden konnte, wie die DNA der Träger der genetischen Information sein kann. Dem Watson-Crick-Modell zufolge besteht das DNA-Molekül aus zwei komplementären, aber nicht identischen Polynucleotideinzelsträngen, die sich spiralförmig um eine gemeinsame imaginäre Achse winden. Die beiden Spiralbänder bestehen aus Zucker-Phosphat-Ketten, von denen die Basen in unregelmäßiger Folge, aber in regelmäßigen Abständen in das Innere der Doppelhelix hineinragen. Die beiden Stränge werden durch Wasserstoffbrücken zwischen den Basen der Einzelstränge verbunden. Damit die Stränge in der Helix zusammenpassen, muss einem Purin in einem Strang ein Pyrimidin im anderen Strang gegenüberliegen. Wasserstoffbrückenbindungen können sich (bei Beschränkung auf die Doppelhelix) nur zwischen Adenin und Thymin (A-T) oder Guanin und Cytosin (G-C) ausbilden, so dass die Basensequenz entlang eines Strangs die Sequenz des anderen Strangs bestimmt (Basenpaarung). Die genetische Information ist in der Basensequenz der DNA codiert (genetischer Code). Die beiden Stränge verlaufen antiparallel, d.h. dass die Phosphatdiester zwischen den Desoxyriboseeinheiten in einer Kette von 3' nach 5' gelesen werden und in der anderen von 5' nach 3'. Bei den meisten Organismen wird nur einer der beiden Stränge (der Matrizenstrang, nichtcodierende Strang, Sinnstrang, codogene Strang) transcribiert, während der komplementäre Nichtmatrizenstrang (codierende Strang, Antisinnstrang, nichtcodogene Strang) nicht transcribiert wird. Die Nomenklatur dieser komplementären Stränge wird im Stichwort Nomenklaturkonventionen erklärt.
Die Doppelhelix ist nicht völlig symmetrisch. Sie lässt eine breite und eine schmale Furche erkennen, die sich zwischen den Zucker-Phosphat-Ketten der übereinanderliegenden Windungen ausbilden und die für die Replikations- und Transcriptionsvorgänge an der DNA wichtige sterische Voraussetzungen schaffen (Abb.).
Diese rechtsgängige Doppelhelix mit zehn Basenpaaren je Helixwindung wird B-DNA genannt. Sie stellt vermutlich eine gute Näherung für die Struktur der entspannten DNA dar. Die DNA ist ein dynamisches Molekül, dessen verschiedene Konformationen miteinander im Gleichgewicht stehen. Dieses Gleichgewicht wird beeinflusst durch die Nucleotidsequenz, die Ionenstärke, die Umgebung, die Gegenwart von Proteinen (z.B. Histone und andere DNA-bindende Proteine) und dem Ausmaß an topologischer Spannung, unter der das Molekül steht.
Das DNA-Fragment d(CpGpCpGpCpGp) kristallisiert als linksgängige Doppelhelix [A. Wang et al. Nature 282 (1979) 680-686]. Diese Struktur ist als Z-DNA bekannt, da eine imaginäre Linie, die die Phosphatgruppen rund um die äußere Oberfläche verbindet, eine Zick-Zack-Linie beschreibt. (In der B-DNA folgen die Phosphatgruppen einer glatten Spirale, Abb.). Die beiden Stränge der Z-DNA verlaufen antiparallel und komplementäre Basen werden wie bei der B-DNA durch Wasserstoffbrückenbindungen verbunden. Die Orientierung der Basen zum Rückgrat des Moleküls unterscheidet sich jedoch von der in der rechtsgängigen B-DNA. In der Z-DNA befinden sich die flachen Ebenen der Basenringsysteme in einem Winkel von ungefähr 90 ° zur Längsachse des Moleküls und sind parallel zueinander angeordnet. Im Vergleich zu den Basen der B-DNA sind sie jedoch um 180 ° gedreht. Im Fall des Guanins geschieht dies durch Rotation um die glycosidische Bindung, so dass die Guaninreste in syn-Konfiguration vorliegen. Im Fall des Cytosins sind sowohl die Base als auch die Desoxyribose rotiert, so dass die Cytosinreste in der anti-Konfiguration verbleiben. Daraus ergibt sich eine alternierende Orientierung benachbarter Zucker: das O1' des dG zeigt nach unten, das O1' des dC nach oben. Aus diesem Grund besteht die Wiederholungseinheit der Z-DNA aus einem Dinucleotid (Mononucleotid in der B-DNA). Für weitere Vergleiche s. die Tabelle.
Ein dritter Helixtyp wird bei Röntgenstrukturuntersuchungen von DNA in relativ wasserarmen Lösungen (75%) beobachtet. Die A-DNA ist rechtsgängig wie die B-DNA, es liegen jedoch elf Basenpaare je Helixwindung vor, die in Bezug auf die Ebene senkrecht zur Helixachse um 13° geneigt sind. Im Gegensatz zur B-DNA besitzt die A-DNA eine sehr tiefe große Furche. Da die 2'-OH-Gruppe des Riboseteils der RNA die RNA daran hindert, eine B-Konformation anzunehmen, nimmt man an, dass DNA-RNA-Hybride die A-Konformation einnehmen.
Die mittleren Helixparameter der drei DNA-Formen sind in der Tabelle aufgeführt.
Die "Propellerverdrehung" (engl. propeller twist) eines Basenpaares ist der Winkel zwischen den Ebenen dieser beiden Basen. (Man sollte sich die "Sprosse" der DNA-Leiter eher in Form eines zweiflügeligen Propellers als in Form eines flachen Bretts vorstellen). Die Neigung der Basen (engl. base inclination) und die Neigung der Basenpaare bezogen auf ihre Nachbarbasen (engl. base roll) bezieht sich auf die Durchschnittsebene des Basenpaares. Die Basenneigung ist der Winkel zwischen dieser Durchschnittsebene und der Ebene senkrecht zur Helixachse, während die relative Neigung der Winkel zwischen zwei aufeinanderfolgenden Basenpaaren ist. Die Standardabweichungen für die Propellerverdrehung, die relative Neigung und die Basenneigung gegen die Helixachse können der Tabelle entnommen werden. Sie sind vermutlich auf sterische Wechselwirkungen zwischen den Basen zurückzuführen. Manche Kombinationen können enger gepackt werden als andere. Die Van-der-Waals-Anziehungskraft zwischen den Basen stellt sicher, dass jedes Paar so fest wie möglich gebunden wird. Die Variationen der Helixparameter sind deshalb auf die Basensequenz zurückzuführen. Diese kann vermutlich durch solche Proteine erkannt werden, deren Funktion die Erkennung spezifischer Sequenzen erfordert.
Die Achse der B-DNA verläuft durch die Basenpaare, während die Achse der Z-DNA praktisch leer ist und sich eine einzelne, tiefe, enge Furche in das Zentrum des Z-DNA-Moleküls ausdehnt. Ein Teil des Imidazolrings des Guanins ist auf der äußeren konvexen Oberfläche des Z-DNA-Moleküls exponiert. Auf diese Weise gleicht die Helix der Z-DNA einem Materialband, bei dem ein gezackter Saum aus Phosphatgruppen um eine imaginäre zentrale Achse gewunden ist. In Lösung existiert poly(dG-dC)(dG-dC) in der B- oder Z-Konformation. Die gegenseitige Umwandlung dieser beiden Formen ineinander kann mit Hilfe der Inversion des Circulardichroismusspektrums des Moleküls gemessen werden [R.M. Pohl u. T.M. Jovin J. Mol. Biol. 67 (1972) 375-396]. B-DNA und Z-DNA sind immunologisch verschieden. So konnte durch die Verwendung spezifischer Antikörper gezeigt werden, dass das negativ superspiralisierte Plasmid pBR322 einen Sequenzbereich enthält, der eine linksgängige Z-DNA-Sequenz bildet: d(CpApCpGpGpGpTpGpCpGpCpApTpGp) [A. Nordheim et al. Cell 31 (1982) 309-318]. Die Z-Konformation ist demzufolge nicht auf poly(dGdC) beschränkt. In diesem Fall ist die Bildung der Z-Struktur begünstigt, weil sie die Spannung freisetzt, die durch die Superspiralisierung hervorgerufen wird. Sowohl B- als auch Z-DNA existieren möglicherweise als Familien eng verwandter Strukturen, deren Mitglieder sich durch leichte Modifikationen der Konformation unterscheiden. Zwei solcher Konformationen der Z-DNA (ZI und ZII) wurden beschrieben.
Abweichend von diesem Modell kommt in einigen Viren DNA als einsträngiges, gewundenes Molekül vor. Einzelstrang- wie Doppelstrang-DNA können als ringförmige Moleküle auftreten (Bakterien, Mitochondrien). Die Ringe können durch Ausbildung tertiärer Windungen in sich verdrillt sein (Super-helices, hyper-gewundene Konfiguration). Die Zahl dieser Superspiralwindungen je DNA-Molekül ist eine Funktion der Molekülgröße (33-44 für mitochondriale DNA). Superhelix.
Im Zusammenhang mit Konformationsuntersuchungen doppelsträngiger DNA kamen Cyriax und Gäth 1978 zu der Schlussfolgerung, dass Übergänge zwischen der doppelhelicalen DNA und nichtgewundenen Strukturen möglich sind. Die nichtgewundene Übergangskonformation wurde als cis-Leiter-Konformation bezeichnet, da sich die Zuckerphosphatketten in cis-ähnlicher Stellung zu den Basenpaaren befinden, die wie Leitersprossen angeordnet sind. Ohne Erzeugung innerer Spannungen im Molekül können sich DNA-Stränge aus der cis-Leiter-Konformation in andere Konformationen einschließlich der helicalen Struktur überführen lassen und umgekehrt. Das cis-Leiter-Modell kann als Übergangskonformation aus der Doppelhelix zur Einzelstrangstruktur, aber auch zu anderen hochgeordneten Strukturen betrachtet werden. Das Molekulargewicht der DNA ist schwer zu bestimmen, da das Molekül während der Extraktion leicht auseinander bricht. Das höchste gemessene Mr beträgt 1·109Da (ungefähr 2·106 Basenpaare), aber das berechnete Mr von E.-coli-DNA beträgt 2,8·109Da (3-4·106 Basenpaare). (Das ringförmige Molekül der E.-coli.-DNA wurde im Elektronenmikroskop photographiert.) Die gemessenen Mr für Säugetier-DNA sind viel kleiner (108Da), was vermutlich die Schwierigkeit widerspiegelt, die DNA von chromosomalen Proteinen zu befreien, ohne sie zu beschädigen. Es gibt genetische Hinweise, dass die DNA eines einzigen Chromosoms eine riesengroße Kette ist, die 10-20mal so groß ist wie die E.-coli-DNA. Die E.-coli-DNA ist etwa 1.000 μm lang, während die Länge der mitochondrialen DNA etwa 50 μm beträgt.
Prokaryontische DNA ist in Form riesiger Ringe an die Membran gebunden. Gelegentlich enthalten die Zellen auch kleinere Fragmente, die sog. Plasmide oder Episomen. Bei Eukaryonten ist die DNA zu etwa 95% im Zellkern lokalisiert und an spezifische Proteine gebunden (Chromatin). Diese Nucleoproteine sind die Grundsubstanz der Chromosomen. Mitochondrien und Chloroplasten enthalten ebenfalls DNA (extrachromosomale DNA). Mitochondriale DNA macht etwa 1-2% der Gesamt-DNA der Zelle aus, Chloroplasten-DNA bis zu 5%. Der Gesamt-DNA-Gehalt der Zelle ist bei verschiedenen Organismen unterschiedlich, innerhalb eines Organismus jedoch in den verschiedenen Geweben gleich (die Keimzellen diploider Organismen enthalten nur 50 % der DNA von Körperzellen).
Die verschiedenen DNA-Arten einer Zelle können aufgrund der unterschiedlichen Basenzusammensetzung (GC-Gehalt) und Größe durch Zentrifugation in CsCl-Gradienten voneinander getrennt werden. Die Dichte (Schwimmdichte, als g CsCl/cm3 angegeben) wird zur Charakterisierung der DNA herangezogen (z.B. Mäuseleber: Kern-DNA 1,702; Satelliten-DNA 1,691; Mitochondrien-DNA 1,701. Euglena: Kern-DNA 1,707; Mitochondrien-DNA 1,691; Chloroplasten-DNA 1,686).
In Bakterien und Blaualgen, die keinen Zellkern haben, ist die ringförmige DNA in Kernäquivalenten (Bakterienchromosom) lokalisiert und darüber hinaus in extrachromosomalen Komponenten, den Plasmiden bzw. Episomen.
 DNA-Stoffwechsel. Die Verdopplung der DNA-Moleküle als wesentliche Voraussetzung der Weitergabe der genetischen Information, erfolgt in einem komplizierten Prozess, an dem eine Vielzahl von Enzymen beteiligt sind und der als Replikation bezeichnet wird.
Der Abbau von DNA findet in lebenden Zellen normalerweise nicht statt (aber Apoptose), es gibt jedoch verschiedene Enzyme in Geweben, die die DNA von toten oder zerstörten Zellen abbauen (Nucleasen, Desoxyribonuclease I + II, Phosphodiesterase). Wenn Bakteriophagen in Bakterienzellen eindringen, produzieren sie Nucleasen, die die Wirts-DNA abbauen. (Die DNA einiger Bakterien enthält eine signifikante Anzahl an methylierten Basen, z.B. 5-Methylcytosin und 6-Methyladenin, die die DNA anscheinend vor dem Abbau durch Viren schützen. Die geradzahligen T-Bakteriophagen, die E. coli angreifen, enthalten Hydroxymethylcytosin anstelle von Cytosin, wodurch die DNA vor der eigenen Desoxyribonuclease geschützt wird.) Im Labor kann die DNA durch Säurehydrolyse abgebaut werden. Durch starke Säure wird sie vollständig in Phosphat, Basen und Desoxyribose gespalten. Unter milderen Bedingungen kann sie zu Nucleotiden und Nucleosiden abgebaut werden.
 Biologische Bedeutung. Die Information für die Synthese von Zellproteinen ist in der Basensequenz ihrer DNA enthalten (genetischer Code). Dies wurde mit Hilfe von Experimenten zur Transformation und Transduktion sowie durch das Aufdecken der Rolle der Phagen-DNA (Phagenentwicklung) direkt bewiesen. Andere DNA-Segmente codieren nicht für Proteine oder andere zelluläre RNA (tRNA, rRNA), regulieren jedoch deren Expression (Operon, Intron, DNA-bindende Proteine). DNA-Reparatur.



Abb. Desoxyribonucleinsäure. Drei Typen der DNA-Doppelhelix.
Die Form der A-DNA (links) ergibt sich aus der Verlängerung der Struktur der mittleren sechs Basen im Oktamer GGTATACC, dessen Kristallstruktur bestimmt wurde. B-DNA (Mitte) bildet sich durch Wiederholung der mittleren zehn Basenpaare des Dodekamers CGCGAATTCGCG. Z-DNA (rechts) ist eine linksgängige Helix aus alternierenden Guanin- und Cytosinresten; die Struktur wurde durch Verlängerung der mittleren vier Basenpaare von CGCGCG generiert. Die Wasserstoffatome werden nicht gezeigt. Die Basen werden als Plättchen mit schwarzen Seiten dargestellt. Alle Sauerstoffatome, die an Phosphor gebunden sind, sind schwarz gezeichnet. Die Phosphoratome sind schwarz (vor der Helix) oder gestreift (hinter der Helix) dargestellt. Die Kohlenstoff- und Ringsauerstoffatome der Desoxyribose werden durch Kreise repräsentiert. Die Dimensionen dieser Molekülstrukturen sind in der Tabelle aufgelistet.
Tab. 1. Desoxyribonucleinsäure. Vergleich der B-, A- und Z-DNA.

B-DNA A-DNA Z-DNA
Drehsinn der Helix rechts rechts links
Reste je Windung 10,4 10,9 12,0
Durchmesser der Helix [nm] 2,37 2,55 1,84
Abstand zwischen benachbarten Basenpaaren entlang der
Achse (= Anstieg je Rest [nm])
0,34 0,29 G-C 0,35
C-G 0,41
Länge einer Helixwindung (= Helixanstieg [nm]) 3,4 3,2 4,5
Rotation benachbarter Basenpaare relativ zueinander (= helicale Verdrehung) (mittlerer und beobachteter Bereich) 36° (16-44°) 33° (28-42°) G-C 51°
C-G 8,5°
Propellerverdrehung 11,7 ± 4,8° 15,4 ± 6,2ø 4,4 ± 2,8°
relative Basenneigung (zu den Nachbarbasen) -1,0 ± 5,5° 5,9 ± 4,7° 3,4 ± 2,1°
Basenneigung (zu der Helixachse) -2,0 ± 4,6° 13,0 ± 1,9° 8,8 ± 0,7°

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