Desoxyribonukleinsäure (DNA)

Langes unverzweigtes Polymer
Besteht nur aus 4 Bausteinen → Desoxyribonukleotide
Die Desoxyribonukleotide sind aus 3 chemischen Stoffklassen aufgebaut:
- Phosphorsäure
- Zucker (Pentose) → Desoxyribose
- 4 organische Stickstoff-Basen:
  - Pyrimidinbasen: Cytosin und Thymin
  - Purinbasen: Adenin und Guanin
Die Desoxyribonukleotide sind durch Esterbindungen über die Phosphorsäure miteinander verbunden
Die 4 Basen hängen an dieser sich wiederholenden Zucker-Phosphatkette wie Anhänger an einem Halsband
Wie konnte ein so einfaches Molekül komplexe Informationen speichern?
Die Lösung lag in der räumlichen Struktur der DNA
In den 50ern wusste man schon, dass die DNA ein schraubenartiges (helikales) Polymer aus zwei Strängen ist
Das überraschte nicht, denn eine Helix bildet sich oft, wenn alle benachbarten Untereinheiten in einem Polymer regelmäßig orientiert sind
Wichtig war aber die Doppelsträngigkeit der DNA
Erwin Chargaff (1905–2002) fand 1951, dass je 2 Basen im Verhältnis 1:1 vorkommen
→ Thymin-Adenin und Cytosin-Guanin
Aus diesen und anderen Ergebnissen entwickelten WATSON und CRICK 1953 ihr Modell der DNA-Doppelhelix

Alle Basen des DNA-Moleküls sind im Inneren der Helix
Die Zucker-Phosphate sind außen
D. h. die Basen der Stränge kommen in sehr engen Kontakt miteinander
Der Kontakt war so eng, dass sich bestimmte Basen sehr spezifisch miteinander paaren mussten
Das Modell sagte die Basenpaarung Thymin-Adenin und Cytosin-Guanin voraus
Übereinstimmung mit Chargaff, der ein 1:1-Verhältnis der jeweiligen Basenpaare untereinander fand
Diese Paarung war auch am stabilsten
Die beiden Stränge sind gegenläufig: 5' → 3'- und 3' → 5'-Richtung

Chemische Struktur der DNA

Quelle: DNA, Wikipedia

Jeder DNA-Strang enthält eine Nukleotidsequenz, die genau komplementär zu der des Nachbarstranges ist
Beide Stränge tragen tatsächlich die gleiche genetische Information
Strang A kann als Matrize für Strang A' dienen und umgekehrt
Beide Stränge können also getrennt werden und jeder einzelne dient dann als Vorlage für den jeweils fehlenden
Semikonservative DNA-Verdoppelung → DNA-Replikation

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DNA-Replikation – sehr gute 3D-Animation (in Englisch)

Quelle: YouTube-Video von Micro B Life

Sie bewiesen 1958 die semikonservative Replikation (Meselson-Stahl-Versuch)

Dichtegradientenzentrifugation
Zentrifugation in Cäsiumchlorid → Dichtegradient entsteht
Zu untersuchende Substanz bildet eine Bande
DNA-Bande wird im UV-Licht sichtbar
Bakterien gefüttert mit schwerem Stickstoff, bauen diesen in DNA ein → DNA wandert in Dichtegradienten tiefer
Bakterien mit schwerer DNA, mit normalem Medium gefüttert
Nach einer Generation kommt deren DNA genau zwischen normaler und schwerer DNA zu liegen → sie besteht also aus einem „leichten“ und einem „schweren“ Strang → semikonservativ

Strukturmodell der DNA-Doppelhelix mit 20 Basenpaarungen