DNA-Doppelhelix, Chargaff-Regeln und Komplementarität
Wie die beiden DNA-Stränge zusammenhalten, warum daraus die Chargaff-Regeln folgen und wie sich A- und B-DNA unterscheiden.
Das Wichtigste in Kürze
- Die DNA-Doppelhelix besteht aus zwei antiparallelen, basenkomplementären Strängen, die nicht kovalent verbunden sind.
- Wasserstoffbrücken zwischen den Basen und Stapelwechselwirkungen der π-Systeme halten die Stränge zusammen.
- Bei der Denaturierung trennen sich die Stränge ohne Bruch kovalenter Bindungen; GC-reiche DNA schmilzt bei höherer Temperatur.
- Chargaff-Regeln: A = T, G = C und Purine = Pyrimidine; A = G oder (A + T) = (G + C) gelten nicht allgemein.
- Der GC-Gehalt ist artspezifisch und ein taxonomisches Merkmal.
- A-DNA und B-DNA unterscheiden sich in Windungslänge und Furchen, nicht in der Basensequenz.
Worum es geht
Die Doppelhelix speichert Erbinformation stabil und lässt sich trotzdem für Replikation und Transkription öffnen. Aus ihrer Basenpaarung folgen die Chargaff-Regeln, mit denen man Basenanteile berechnet.
Zusammenhalt der Doppelhelix
DNA besteht aus zwei Polynucleotidsträngen, die sich um eine gemeinsame Achse winden. Sie sind antiparallel: Ein Strang läuft von 5′ nach 3′, der andere gegenläufig. Ihre Basen sind komplementär, A paart mit T und G mit C. Zu 5′-ATGCC-3′ gehört also der Gegenstrang 3′-TACGG-5′.
Die Stränge sind nicht kovalent verbunden. Sie halten über Wasserstoffbrücken zwischen je einer Purin- und einer Pyrimidinbase zusammen. Dazu kommt die Stapelwechselwirkung: Die flachen Basenpaare liegen wie Münzen in einer Rolle übereinander, und ihre π-Elektronensysteme ziehen sich an.
Hitze oder Lauge trennen die Stränge. Diese Denaturierung löst nur die schwachen Wechselwirkungen. Sie ist also kein enzymatischer Abbau, denn keine kovalente Bindung bricht. Dabei steigt die Absorption bei 260 nm. GC-reiche DNA schmilzt erst bei höherer Temperatur, weil G·C drei Wasserstoffbrücken bildet und stärker stapelt.
Chargaff-Regeln
Jede Base hat einen festen Partner. Deshalb gilt in doppelsträngiger DNA A = T und G = C. Daraus folgt: Purine (A + G) und Pyrimidine (T + C) sind gleich häufig.
Die Chargaff-Regeln werden im Examen gerne gefragt. Gleich sind nur die Paarungspartner und die Summen von Purinen und Pyrimidinen. A = G, C = T oder (A + T) = (G + C) gelten nicht allgemein.
Das Verhältnis (A + T)/(G + C) ist artspezifisch. Der GC-Gehalt, also der Anteil von G + C an allen Basen, dient daher als taxonomisches Merkmal, etwa bei Bakterien.
Aus einer Base erhältst du alle anderen, hier für 18 % Cytosin:
- Partner: G = C = 18 %.
- Rest: A + T = 100 % − 36 % = 64 %.
- Teilen: A = T = 32 %.
DNA-Konformationen
Dieselbe Sequenz kann verschiedene räumliche Formen annehmen. In der Zelle überwiegt die rechtsgängige B-DNA mit etwa 10 Basenpaaren und 3,4 nm je Windung. Ihre große Furche ist breit, die kleine schmal. Die A-DNA entsteht bei Wasserentzug und in RNA-Doppelsträngen. Sie ist gedrungener, hat etwa 11 Basenpaare je Windung und geneigte Basenpaare. Ihre große Furche ist tief und eng, die kleine flach. Die Basensequenz bleibt dabei gleich.
Die Helix ist ein verbreitetes Bauprinzip, auch Proteine bilden sie als α-Helix. In der Tertiärstruktur unterscheidet sich die gestreckte DNA-Doppelhelix von mRNA und tRNA. Diese Einzelstränge falten sich über innere Basenpaarungen, die tRNA etwa zur L-Form. DNA ist groß genug für das Elektronenmikroskop. Eindeutig charakterisiert wird sie durch ihre Nucleotidsequenz.
Quiz
Aussage 1
A-DNA und B-DNA unterscheiden sich in der Länge einer Windung und in den Abmessungen ihrer Furchen.
A-DNA ist gedrungener mit etwa 11 Basenpaaren je Windung und tiefer, enger großer Furche. B-DNA hat etwa 10 Basenpaare je Windung und eine breite große Furche. Die Sequenz ist gleich.
Aussage 2
Bei der Hitzedenaturierung der DNA werden die Phosphodiesterbindungen des Rückgrats gespalten.
Die Denaturierung löst nur Wasserstoffbrücken und Stapelwechselwirkungen. Kovalente Bindungen bleiben erhalten, die Stränge trennen sich lediglich.
Aussage 3
Enthält eine doppelsträngige DNA 30 % Adenin, so beträgt ihr Guaninanteil 20 %.
A = T = 30 %, also A + T = 60 %. Für G + C bleiben 40 %, davon je 20 % G und C.
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