Desoxyribonukleinsäure - DNA - dient als Träger von Erbinformationen, die von lebenden Organismen an die nächsten Generationen weitergegeben werden, und als Matrix für den Aufbau von Proteinen und verschiedenen regulatorischen Faktoren, die der Körper für Wachstums- und Lebensprozesse benötigt. In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf die häufigsten Formen der DNA-Struktur. Wir werden auch darauf achten, wie diese Formen aufgebaut sind und in welcher Form sich die DNA in einer lebenden Zelle befindet.
Organisationsebenen des DNA-Moleküls
Es gibt vier Ebenen, die die Struktur und Morphologie dieses riesigen Moleküls bestimmen:
- Die primäre Ebene oder Struktur ist die Reihenfolge der Nukleotide in der Kette.
- Die Sekundärstruktur ist die berühmte "Doppelhelix". Dieser Satz hat sich eingebürgert, obwohl eine solche Struktur eigentlich einer Schraube ähnelt.
- Die Tertiärstruktur entsteht dadurch, dass zwischen einzelnen Abschnitten des doppelsträngigen, verdrillten DNA-Strangs schwache Wasserstoffbrückenbindungen entstehen,was dem Molekül eine komplexe räumliche Konformation verleiht.
- Die Quartärstruktur ist bereits ein komplexer Komplex aus DNA mit einigen Proteinen und RNA. In dieser Konfiguration wird die DNA im Zellkern in Chromosomen verpackt.
Primärstruktur: Bestandteile der DNA
Die Blöcke, aus denen das Makromolekül der Desoxyribonukleinsäure aufgebaut ist, sind Nukleotide, bei denen es sich um Verbindungen handelt, von denen jede Folgendes enthält:
- stickstoffh altige Base - Adenin, Guanin, Thymin oder Cytosin. Adenin und Guanin gehören zur Gruppe der Purinbasen, Cytosin und Thymin zu den Pyrimidinen;
- 5-Kohlenstoff-Monosaccharid Desoxyribose;
- Orthophosphorsäurerest.
Bei der Bildung einer Polynukleotidkette spielt die Reihenfolge der Gruppen, die durch Kohlenstoffatome in einem kreisförmigen Zuckermolekül gebildet werden, eine wichtige Rolle. Der Phosphatrest im Nukleotid ist mit der 5'-Gruppe (gelesen "fünf Striche") von Desoxyribose verbunden, dh mit dem fünften Kohlenstoffatom. Die Kettenverlängerung erfolgt durch Anhängen eines Phosphatrests des nächsten Nukleotids an die freie 3'-Gruppe von Desoxyribose.
So hat die Primärstruktur der DNA in Form einer Polynukleotidkette 3'- und 5'-Enden. Diese Eigenschaft des DNA-Moleküls nennt man Polarität: Der Aufbau einer Kette kann nur in eine Richtung gehen.
Sekundärstrukturbildung
Der nächste Schritt in der strukturellen Organisation der DNA basiert auf dem Prinzip der Komplementarität stickstoffh altiger Basen - ihrer Fähigkeit, sich paarweise miteinander zu verbindendurch Wasserstoffbrückenbindungen. Komplementarität – gegenseitige Entsprechung – tritt auf, weil Adenin und Thymin eine Doppelbindung bilden und Guanin und Cytosin eine Dreifachbindung bilden. Bei der Bildung einer Doppelkette stehen sich diese Basen daher gegenüber und bilden die entsprechenden Paare.
Polynukleotidsequenzen sind in der Sekundärstruktur antiparallel angeordnet. Wenn also eine der Ketten wie 3' - AGGZATAA - 5' aussieht, dann sieht das Gegenteil so aus: 3' - TTATGTST - 5'.
Wenn ein DNA-Molekül gebildet wird, wird die doppelte Polynukleotidkette verdreht, und die Salzkonzentration, die Wassersättigung und die Struktur des Makromoleküls selbst bestimmen, welche Formen die DNA bei einem bestimmten Strukturschritt annehmen kann. Es sind mehrere solcher Formen bekannt, die mit den lateinischen Buchstaben A, B, C, D, E, Z bezeichnet werden.
Die Konfigurationen C, D und E kommen in Wildtieren nicht vor und wurden nur unter Laborbedingungen beobachtet. Wir werden uns die Hauptformen der DNA ansehen: die sogenannte kanonische A- und B- sowie die Z-Konfiguration.
A-DNA ist ein trockenes Molekül
A-Form ist eine rechtsgängige Schraube mit 11 komplementären Basenpaaren in jeder Windung. Sein Durchmesser beträgt 2,3 nm, und die Länge einer Windung der Spirale beträgt 2,5 nm. Die durch die gepaarten Basen gebildeten Ebenen haben eine Neigung von 20° in Bezug auf die Achse des Moleküls. Benachbarte Nukleotide sind kompakt in Ketten angeordnet – zwischen ihnen liegen nur 0,23 nm.
Diese Form von DNA tritt bei geringer Hydratation und mit einer erhöhten Ionenkonzentration von Natrium und Kalium auf. Es ist typisch fürProzesse, bei denen DNA mit RNA einen Komplex bildet, da letztere keine anderen Formen annehmen kann. Darüber hinaus ist die A-Form sehr widerstandsfähig gegen UV-Strahlung. In dieser Konfiguration kommt Desoxyribonukleinsäure in Pilzsporen vor.
Wet B-DNA
Bei geringem Salzgeh alt und hohem Hydratationsgrad, also unter normalen physiologischen Bedingungen, nimmt DNA ihre Hauptform B an. Natürliche Moleküle liegen in der Regel in der B-Form vor. Sie ist es, die dem klassischen Watson-Crick-Modell zugrunde liegt und am häufigsten in Illustrationen dargestellt wird.
Diese Form (sie ist auch rechtshändig) zeichnet sich durch eine weniger kompakte Anordnung der Nukleotide (0,33 nm) und eine große Schraubensteigung (3,3 nm) aus. Eine Umdrehung enthält 10,5 Basenpaare, die Drehung jedes von ihnen relativ zur vorherigen beträgt etwa 36 °. Die Ebenen der Paare stehen nahezu senkrecht zur Achse der "Doppelhelix". Der Durchmesser einer solchen Doppelkette ist kleiner als der der A-Form - er erreicht nur 2 nm.
Nicht-kanonische Z-DNA
Im Gegensatz zur kanonischen DNA ist das Molekül vom Z-Typ eine linksgängige Schraube. Mit einem Durchmesser von nur 1,8 nm ist es das dünnste von allen. Seine Windungen, 4,5 nm lang, scheinen langgestreckt zu sein; Diese DNA-Form enthält 12 gepaarte Basen pro Windung. Der Abstand zwischen benachbarten Nukleotiden ist ebenfalls ziemlich groß - 0,38 nm. Die Z-Form hat also die geringste Verdrehung.
Es wird in den Bereichen, in denen Purin vorhanden ist, aus einer B-Typ-Konfiguration gebildetund Pyrimidinbasen, mit einer Änderung des Geh alts an Ionen in Lösung. Die Bildung von Z-DNA ist mit biologischer Aktivität verbunden und ist ein sehr kurzfristiger Prozess. Diese Form ist instabil, was zu Schwierigkeiten beim Studium ihrer Funktionen führt. Bisher sind sie nicht ganz klar.
DNA-Replikation und ihre Struktur
Sowohl die Primär- als auch die Sekundärstruktur der DNA entstehen während eines Phänomens namens Replikation - der Bildung von zwei identischen "Doppelhelixen" aus dem übergeordneten Makromolekül. Während der Replikation entwindet sich das ursprüngliche Molekül und an den freigesetzten Einzelketten bauen sich komplementäre Basen auf. Da die DNA-Hälften antiparallel sind, läuft dieser Prozess auf ihnen in unterschiedliche Richtungen ab: Bezogen auf die Elternketten vom 3'-Ende zum 5'-Ende, dh neue Ketten wachsen in Richtung 5' → 3'. Der führende Strang wird kontinuierlich zur Replikationsgabel hin synthetisiert; am nacheilenden Strang erfolgt die Synthese von der Gabel aus in getrennten Abschnitten (Okazaki-Fragmenten), die dann durch ein spezielles Enzym, die DNA-Ligase, zusammengenäht werden.
Während die Synthese weitergeht, werden die bereits gebildeten Enden der Tochtermoleküle spiralförmig verdrillt. Dann, bevor die Replikation abgeschlossen ist, beginnen die neugeborenen Moleküle in einem Prozess namens Supercoiling eine Tertiärstruktur zu bilden.
Super Twisted Molecule
Die supercoiled Form der DNA tritt auf, wenn ein doppelsträngiges Molekül eine zusätzliche Drehung macht. Es kann im Uhrzeigersinn (positiv) oder seingegen (in diesem Fall spricht man von negativer Superspule). Die DNA der meisten Organismen ist negativ superspiralisiert, d. h. gegen die Hauptwindungen der „Doppelhelix“.
Durch die Bildung zusätzlicher Schleifen - Supercoils - erhält die DNA eine komplexe räumliche Konfiguration. In eukaryotischen Zellen erfolgt dieser Prozess mit der Bildung von Komplexen, in denen sich DNA negativ um Histonproteinkomplexe windet und die Form eines Fadens mit Nukleosomenkügelchen annimmt. Freie Abschnitte des Threads werden Linker genannt. Nicht-Histon-Proteine und anorganische Verbindungen sind ebenfalls an der Aufrechterh altung der Supercoiled-Form des DNA-Moleküls beteiligt. So entsteht Chromatin - die Substanz der Chromosomen.
Chromatin-Stränge mit nukleosomalen Kügelchen können die Morphologie in einem Prozess namens Chromatin-Kondensation weiter verkomplizieren.
Endgültige Kompaktierung der DNA
Im Zellkern wird die Form des Desoxyribonukleinsäure-Makromoleküls extrem komplex und verdichtet sich in mehreren Schritten.
- Zunächst wird das Filament zu einer speziellen Solenoid-Struktur gewickelt – einer 30 nm dicken Chromatinfibrille. Auf dieser Ebene f altet sich die DNA und verkürzt ihre Länge um das 6- bis 10-fache.
- Außerdem bildet die Fibrille mit Hilfe spezifischer Gerüstproteine Zickzackschleifen, wodurch die lineare Größe der DNA bereits um das 20- bis 30-fache reduziert wird.
- Auf der nächsten Ebene werden dicht gepackte Schleifendomänen gebildet, die meistens eine Form haben, die herkömmlicherweise als "Lampenbürste" bezeichnet wird. Sie heften sich an das intranukleäre ProteinMatrix. Die Dicke solcher Strukturen beträgt bereits 700 nm, während die DNA um etwa das 200-fache gekürzt wird.
- Die letzte Ebene der morphologischen Organisation ist chromosomal. Die Schleifendomänen werden so stark verdichtet, dass insgesamt eine 10.000-fache Verkürzung erreicht wird. Wenn die Länge des gestreckten Moleküls etwa 5 cm beträgt, verringert sie sich nach dem Packen in Chromosomen auf 5 Mikrometer.
Die höchste Komplikationsstufe der DNA-Form erreicht das Stadium der Metaphase der Mitose. Dann erhält es ein charakteristisches Aussehen - zwei Chromatiden, die durch ein Einschnürungszentromer verbunden sind, das die Divergenz der Chromatiden im Teilungsprozess sicherstellt. Interphase-DNA ist bis auf Domänenebene organisiert und in keiner bestimmten Reihenfolge im Zellkern verteilt. So sehen wir, dass die Morphologie der DNA eng mit den verschiedenen Phasen ihrer Existenz verbunden ist und die Merkmale der Funktion dieses wichtigsten Moleküls für das Leben widerspiegelt.
