Vom Nukleotid über die Basenpaarung zur Doppelhelix
Wie ist die DNA aus ihren Bausteinen aufgebaut?
Nukleinsäure
Sequenz 5′→3′
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Der Bau der DNA
Das Nukleotid: drei Bausteine
Schreibweise: In der Chemie findet man auch die Formen Nucleotid, Nucleosid und Nucleinsäure mit c. Gemeint ist dasselbe.
Ein Nukleotid-Molekül besteht aus drei Teilen:
einem Phosphat-Rest,
einem Zucker – in der DNA die 2-Desoxy-D-ribose, in der RNA die D-Ribose,
einer organischen Base: Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin (in der RNA statt Thymin das Uracil).
Die C-Atome des Zuckers werden mit einem Strich gezählt (1′, 2′, 3′ …), damit man sie von den C-Atomen der Base unterscheiden kann.
Die Base sitzt am C1′-Atom des Zuckers. Die Bindung heißt N-glykosidische Bindung, weil sie von einem Stickstoff-Atom der Base zum anomeren C-Atom des Zuckers führt – es ist dieselbe Art von Bindung wie zwischen zwei Zuckermolekülen, nur mit Stickstoff statt Sauerstoff. Der Phosphat-Rest hängt am C5′-Atom. Zucker mit Base allein heißt Nukleosid, erst mit Phosphat-Rest Nukleotid.
Adenin und Guanin sind Purine (Doppelring), Cytosin und Thymin sind Pyrimidine (Einfachring) – ebenso das Uracil der RNA.
Die Phosphat-Gruppen sind bei pH 7 deprotoniert. Im Strang trägt jede Phosphat-Gruppe eine negative Ladung; ein freies Nukleotid ist am 5′-Monophosphat sogar zweifach negativ geladen. Deshalb ist die DNA eine Säure (Desoxyribonukleinsäure) und wandert im elektrischen Feld zum Pluspol. Der Viewer zeigt diese Ladungen an.
Die Basenpaarung
Zwei Basen passen jeweils genau zueinander – nach Watson und Crick:
Adenin = Thymin: zwei Wasserstoffbrücken
Guanin ≡ Cytosin: drei Wasserstoffbrücken
Es passt immer ein Purin zu einem Pyrimidin. Nur so ist jedes Basenpaar gleich breit – im Modell beträgt der Abstand der beiden C1′-Atome bei jedem Paar rund 1,05 nm. Deshalb bleibt die Doppelhelix gleichmäßig, egal welche Sequenz sie hat. Zwei Purine wären zu breit, zwei Pyrimidine zu schmal.
Daraus folgt die Komplementarität: Kennt man einen Strang, so kennt man auch den anderen. Und daraus folgt die Chargaff-Regel: In jeder DNA ist der Anteil an Adenin gleich dem an Thymin und der an Guanin gleich dem an Cytosin.
Der Einzelstrang: 5′ und 3′
Die Nukleotide werden über den Zucker und den Phosphat-Rest zu einer Kette verknüpft: Der Phosphat-Rest verbindet das C5′-Atom des einen Zuckers mit dem C3′-Atom des nächsten. Diese Bindung heißt Phosphodiester-Bindung (der Phosphor trägt zwei Ester-Bindungen).
Dadurch hat jeder Strang eine Richtung: An einem Ende ist das C5′-Atom frei – dort sitzt der Phosphat-Rest (5′-Ende); am anderen Ende ist das C3′-Atom frei – dort sitzt eine Hydroxy-Gruppe (3′-Ende). Sequenzen werden immer von 5′ nach 3′ angegeben.
Wichtig: Formal entsteht die Phosphodiester-Bindung durch Kondensation unter Abspaltung von Wasser. In der Zelle läuft die Reaktion aber anders: Die DNA-Polymerase setzt Nukleosidtriphosphate ein und spaltet dabei Diphosphat ab. Die dabei frei werdende Energie treibt den Aufbau an.
Die Doppelhelix
Zwei Stränge winden sich umeinander – rechtsgängig und antiparallel: Wo der eine Strang von 5′ nach 3′ läuft, läuft der andere von 3′ nach 5′.
Auf eine Windung kommen 10 Basenpaare; je Basenpaar steigt die Helix um 0,34 nm an, eine volle Windung misst also rund 3,4 nm.
Die Basen liegen im Inneren, flach übereinander gestapelt (Abstand 0,34 nm). Diese Basenstapelung und die Wasserstoffbrücken halten die Helix zusammen.
Außen liegt das Zucker-Phosphat-Rückgrat mit seinen negativen Ladungen – es ist hydrophil und zeigt zum Wasser.
Beim Erhitzen lösen sich die Wasserstoffbrücken und die beiden Stränge trennen sich. Abschnitte mit vielen G≡C-Paaren (drei Wasserstoffbrücken) halten dabei länger zusammen als solche mit vielen A=T-Paaren (zwei).
Darstellung: Die Basenpaare und das Zucker-Phosphat-Rückgrat stammen aus einer echten B-DNA-Kristallstruktur (Dickerson-Dodecamer, 1BNA, 1,9 Å); die fehlenden Wasserstoff-Atome wurden geometrisch ergänzt. Die Helix wird daraus mit den idealen Parametern der B-DNA aufgebaut (36° Drehung und 338 pm Anstieg je Basenpaar). Geprüfte Werte: Wasserstoffbrücken 287 pm, Phosphodiester-Bindung 160 pm, N-glykosidische Bindung 147 pm, Basenstapelung 340 pm.