DNA (Desoxyribonukleinsäure, von engl. desoxyribonucleic acid) ist ein Molekül, das wie eine Kette aus einzelnen Bausteinen zusammengesetzt ist. Diese Bausteine nennt man (Desoxyribo-)Nukleotide, und es gibt vier davon: Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) und Thymin (T). Jedes Nukleotid ist auch aus weiteren Bausteinen zusammengesetzt: Einen Phosphatrest und den Zucker Desoxyribose haben alle, sie unterscheiden sich aber in einer von vier Nukleobasen. Die DNA-Kette ist über Zucker und Phosphat der Nukleotide verbunden, deshalb bezeichnet man beides zusammen auch als Rückgrat (backbone) der DNA.
Folge von drei Nukleotiden, in denen Zucker, Phosphat und Basen hervorgehooben sind. (Quelle: Wikipedia)Die DNA liegt üblicherweise doppelsträngig vor, man hat also zwei Ketten, die nebeneinander liegen. Die Stabilität dieser Struktur kommt dadurch zustande, dass immer zwei Basen zueinander zu liegen kommen und Wechselwirkungen (Wasserstoffbrücken) eingehen können. Diese Wechselwirkungen folgen aber einem Muster: Es können nur A und T miteinander paaren, und C und G. Darum kann man auch problemlos von der Sequenz (der Abfolge der Nukleotide A, C, G und T) eines Strangs auf die des anderen Strangs schließen. Diese Art der Basenpaarung bezeichnet man nach den Erstbeschreibern des Aufbaus der DNA auch Watson-Crick-Basenpaarung.
Doch das Bild, wie ich es bisher beschrieben habe stimmt immer noch nicht ganz, so käme nämlich nur eine Leiter heraus. Links und rechts die Kette aus Zucker und Phosphat, und die beiden Basen als Querstreben. Da die beiden Stränge umeinander gewunden sind, nimmt die DNA aber nicht die Form einer Leiter, sondern die einer Doppelhelix an.
Nachdem jetzt die nötigen Grundbegriffe geklärt sind will ich endlich auf die Formen eingehen, die die DNA annehmen kann. Und was liegt dabei näher, als mit der bekanntesten Form der DNA zu beginnen?
B-DNA und A-DNA
Sicher hat jeder schon mal das berühmte Bild von Watson und Crick neben ihrem Modell der DNA gesehen. Gezeigt ist darauf die DNA in der Form, wie sie auch in lebenden Zellen zu finden ist, in der B-Form, kurz auch B-DNA genannt. Aufgrund von spektroskopischen und Röntgenbeugungsdaten ist sehr viel über die Eigenschaften dieser DNA-Form bekannt: Die Doppelhelix ist rechtsgewunden, und eine komplette Windung umfasst 10,4 Nukleotide und hat 3,4 nm Abstand zur nächsten. Weitere Daten könnt ihr der Tabelle unten entnehmen.
Struktur von A-DNA, B-DNA und Z-DNA. (Quelle: Wikipedia)Nimmt man B-DNA und verringert den Wassergehalt der Probe, dann nimmt die Doppelhelix eine andere Form an, die A-Form. Hier ist schon das Zuckermolekül der Nukleotide im Vergleich mit der B-DNA verdreht, weil eine Wasserschicht um die DNA herum verloren geht. Das hat dann zur Folge, dass auch die Helix selbst ungewöhnlich aussieht: Sie ist breiter als die der B-DNA und die einzelnen Nukleotide sind zur Helixachse stark geneigt.
Z-DNA
Noch abenteuerlicher wird es bei einer Form namens Z-DNA. Liegt ein hoher Salzgehalt vor, und hat man eine DNA-Sequenz in der Guanine und Cytosine abwechselnd vorkommen (GCGCGC etc.), dann nimmt die Bindung zwischen der Base und dem Zuckermolekül von Guanosin eine andere Konformation ein (syn statt anti). Diese Konformation bleibt beim Cytosin aber unverändert in anti. Die Folge davon ist, dass Z-DNA eine Zick-Zack-Struktur annimmt. Außerdem ist Z-DNA im Vergleich zu A- und B-DNA linksgewunden! [1]
C-DNA und D-DNA
Diese beiden Formen gehören mit der B-DNA in eine Familie, sind aber künstlicher Natur. C-DNA (nicht zu verwechseln mit cDNA!) bildet sich bei leicht verringertem Wassergehalt aus.
Nimmt man statt abwechselnden G und C (wie in der Z-DNA) die beiden anderen Nukleotide Adenin und Thymin, erhält man eine Helix mit deutlich weniger Nukleotiden pro Windung (8 statt der 10,4 in B-DNA), die außerdem noch gebogen ist. Zudem bilden sich hier außer den bekannten Watson-Crick-Basenpaarungen auch noch Hoogsteen-Basenpaarungen aus, auf die ich in einem anderen Teil der Serie genauer eingehen will.
Doch mit diesen Formen ist lange nicht Schluss! Laut diesem Paper [PDF frei zugänglich!] sind bis 2003 alle Buchstaben außer F, Q, U, V und Y für DNA-Formen vergeben worden. Aber keine Angst, mit den Formen ist hier jetzt Schluss. Nächstes mal kommt eine ganz andere Struktur dran, die die DNA in der Zelle ausbilden kann. Und: So chemisch wie heute wirds auch nicht mehr (wird viele freuen, ein paar wenige enttäuschen).
[1] "Es gibt also doch linksgewundene DNA!", schreien gerade alle Grafikdesigner erleichtert auf, die schon einmal ein Bild von rechtsgewundener B-DNA gespiegelt haben, dass es schöner auf das Titelbild einer Zeitschrift oder eines Buches passt. Und das kommt gar nicht so selten vor wie man denkt...
Ghosh A, Bansal M (2003): A glossary of DNA structures from A to Z. Acta Cryst D59, 620-626. doi:10.1107/S0907444903003251
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