DNA ist eine doppelsträngige Helix, die genetische Information speichert. Ihre Struktur und Topologie sind grundlegend für ihre Funktion bei Replikation, Transkription und Reparatur, und das Molekül kann je nach Sequenz und Umgebungsbedingungen verschiedene Konformationen annehmen.

Nukleotid-Bausteine

DNA ist ein Polymer aus Desoxyribonukleotiden, die jeweils aus drei Komponenten bestehen. Eine stickstoffhaltige Base, entweder ein Purin (Adenin oder Guanin) oder ein Pyrimidin (Cytosin oder Thymin), ist an den 1’-Kohlenstoff der Desoxyribose gebunden. Eine Phosphatgruppe ist an den 5’-Kohlenstoff verestert. Nukleotide sind durch Phosphodiesterbindungen zwischen dem 5’-Phosphat eines Nukleotids und der 3’-Hydroxylgruppe des nächsten verbunden, was ein Zucker-Phosphat-Rückgrat mit Richtungsabhängigkeit erzeugt.

Die Doppelhelix

Die klassische B-DNA-Struktur, 1953 von Watson und Crick beschrieben, ist eine rechtsgängige Doppelhelix mit mehreren Schlüsselmerkmalen. Zwei Polynukleotidstränge verlaufen antiparallel, einer in 5’-3’-Richtung und der andere in 3’-5’-Richtung. Die Zucker-Phosphat-Rückgrate befinden sich außen, während die Basen im Inneren durch Wasserstoffbrücken paaren. Adenin paart mit Thymin durch zwei Wasserstoffbrücken, und Guanin paart mit Cytosin durch drei Wasserstoffbrücken, was GC-reiche Sequenzen stabiler macht. Die Helix hat einen Durchmesser von etwa 2 nm, einen Anstieg von 0,34 nm pro Basenpaar und vollendet eine Umdrehung alle 10,5 Basenpaare.

Alternative DNA-Konformationen

B-DNA ist die häufigste Form unter physiologischen Bedingungen, aber DNA kann andere Konformationen annehmen. A-DNA ist eine kürzere, breitere rechtsgängige Helix, die unter dehydrierenden Bedingungen entsteht und für DNA-RNA-Hybride relevant ist. Z-DNA ist eine linksgängige Helix mit einem zickzackförmigen Rückgrat, die an alternierenden Purin-Pyrimidin-Sequenzen entsteht, insbesondere bei CG-Wiederholungen. Die Z-DNA-Bildung wird durch negative Supercoiling begünstigt und könnte regulatorische Rollen bei der Transkription haben.

DNA-Supercoiling

DNA in Zellen muss kompaktiert werden, um in den Zellkern oder die Zelle zu passen. Zirkuläre DNA-Moleküle wie bakterielle Chromosomen und Plasmide werden supergewickelt, wenn sie über- oder unterwickelt sind. Negatives Supercoiling, bei dem die DNA unterwickelt ist, ist der natürliche Zustand der meisten zellulären DNA und erleichtert die Strangtrennung, die für Replikation und Transkription benötigt wird. Positives Supercoiling tritt vor Replikationsgabeln auf und muss abgebaut werden.

Topoisomerasen sind Enzyme, die die DNA-Topologie verwalten. Die Topoisomerase I erzeugt einen transienten Einzelstrangbruch, um die Torsionsspannung abzubauen, und ändert die Verknüpfungszahl um eins. Die Topoisomerase II erzeugt einen Doppelstrangbruch und führt ein weiteres DNA-Segment hindurch, wodurch sich die Verknüpfungszahl um zwei ändert. Diese Enzyme sind Angriffspunkte für Krebsmedikamente wie Etoposid und Camptothecin.

Chromatinstruktur

Eukaryotische DNA wird durch Assoziation mit Histonproteinen in Chromatin verpackt. Die Grundeinheit ist das Nukleosom, bestehend aus 147 Basenpaaren DNA, die um ein Oktamer aus Kernhistonen gewickelt sind – je zwei von H2A, H2B, H3 und H4. Das Linker-Histon H1 bindet zwischen Nukleosomen und fördert die Faltung höherer Ordnung. Diese Verpackung kompaktiert DNA um etwa das 10.000-fache und reguliert den Zugang zu genetischer Information.

DNA-Denaturierung und -Renaturierung

Die beiden DNA-Stränge können durch Erhitzen oder alkalische Bedingungen, die Wasserstoffbrücken aufbrechen, getrennt werden. Die Agarose-Gelelektrophorese nutzt diese Eigenschaften, um DNA-Fragmente nach Größe zu trennen. Die Schmelztemperatur hängt vom GC-Gehalt ab, wobei GC-reiche DNA höhere Temperaturen für die Denaturierung benötigt. DNA-Renaturierung, auch Annealing genannt, tritt ein, wenn Abkühlung es komplementären Strängen ermöglicht, die Doppelhelix neu zu bilden. Dieser Prozess ist die Grundlage für Hybridisierungstechniken, einschließlich Southern Blot und DNA-Microarrays.

Der genetische Code

Die genetische Information ist in der linearen Basensequenz der DNA kodiert. Drei aufeinanderfolgende Nukleotide bilden ein Codon, das eine von zwanzig Aminosäuren spezifiziert. Der genetische Code ist degeneriert, das heißt, die meisten Aminosäuren werden durch mehrere Codons spezifiziert, wobei die ersten beiden Positionen typischerweise am wichtigsten sind. Der Code ist nahezu universell bei allen bekannten Organismen, was einen gemeinsamen evolutionären Ursprung stark unterstützt.