Information

Warum gibt es die große und die kleine Furche in der DNA?


Ich weiß also, dass die große/kleine Furche durch die versetzte Paarung der beiden Stränge in der Helix entsteht. Mein Lehrbuch sagt mir nur, dass "die Tonhöhe die Versatzpaarung der DNA verursacht und dies zu den großen und kleinen Grooves führt."

Ich bin mir nicht sicher, was das sagt. Was genau ist Pitch und wie entstehen die Grooves?


Tonhöhe ist kein gutes Wort dafür, da seine Bedeutung mehrdeutig ist. Es ist schwer, eine universelle Nomenklatur für die DNA-Geometrie zu finden, aber siehe den Abschnitt "Basenpaar-Geometrie" dieser Wikipedia-Seite. Die relevante Eigenschaft ist das, was sie "Öffnung" nennen.

Aus dem Biochemie-Lehrbuch von Berg:

Um es in Worten zu erklären: Wenn die glykosidischen Bindungen (die die Nukleinbase an den Zucker im Rückgrat anbinden) auf beiden Seiten in 90-Winkeln gerade herausragen, dann wären die Rillen in doppelsträngiger DNA symmetrisch. Da die glycosidischen Bindungen in einem Winkel (relativ zur Grenzfläche zwischen den AT- oder GC-Paaren) sind, ist eine der "Flächen" des Basenpaars größer als die andere.

Worte und flache Bilder werden Ihnen jedoch nie wirklich ein gutes intuitives Gefühl dafür geben, was mit der 3D-Struktur der Rillen vor sich geht. Ein guter Modellbausatz wird Ihnen dabei eine große Hilfe sein.


DNA-bindende Proteine ​​spielen eine zentrale Rolle bei allen Aspekten der genetischen Aktivität innerhalb eines Organismus, wie Transkription, Verpackung, Umlagerung, Replikation und Reparatur. Daher ist es äußerst wichtig, die Natur von Komplexen zu untersuchen, die zwischen Proteinen und DNA gebildet werden, da sie die Grundlage für unser Verständnis dieser Prozesse bilden. In den letzten zehn Jahren haben wir eine starke Expansion bei der Bestimmung hochwertiger Strukturen von DNA-bindenden Proteinen erlebt. Die Strukturen, insbesondere die ihrer Komplexe mit DNA, haben wertvolle Einblicke in die stereochemischen Bindungsprinzipien geliefert, einschließlich der Art und Weise, wie bestimmte Basensequenzen erkannt werden und wie die DNA-Struktur bei der Bindung häufig modifiziert wird.

Es wird eine Klassifizierung von Protein-DNA-Komplexen anhand der Strukturen der DNA-bindenden Regionen in den Proteinen beschrieben. Die Taxonomie wurde zuerst von Harrison [1] vorgeschlagen und später von Luisi [2] modifiziert. Hier bauen wir auf der ursprünglichen Klassifikation mit entsprechenden Erweiterungen auf, um den neu gelösten Strukturen Rechnung zu tragen. Der Aufbau der Strukturen in einem solchen System vereinfacht den Vergleich der verschiedenen Bindungsarten, ermöglicht die Identifizierung gemeinsamer Themen zwischen strukturell verwandten Proteinen und hebt auch ungewöhnliche Merkmale hervor, die ein bestimmtes Protein von anderen unterscheiden. Die Untersuchung von Genen, die in PEDANT [3] funktionell zugeordnet werden, zeigt, dass typischerweise 2-3% eines prokaryontischen Genoms und 6-7 % eines eukaryontischen Genoms DNA-bindende Proteine ​​kodieren. Daher ist die hier vorgestellte Klassifizierung von Bauwerken bei weitem nicht vollständig und es werden viele weitere Einträge erwartet. Es sollte beachtet werden, dass die Anzahl der Strukturen in der PDB nicht unbedingt die relative Bedeutung des Proteins im Organismus widerspiegelt. Es wird jedoch erwartet, dass die Helix-Turn-Helix (HTH), der ßßa-Zinkfinger und die Reißverschlussmotive sehr verbreitet sind.

Dieser Aufsatz bietet einen allgemeinen Überblick über die gefundenen DNA-bindenden Strukturen sowie detaillierte Beschreibungen der einzelnen Proteinfamilien. Da unser Hauptforschungsinteresse in der Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen Proteinen und DNA liegt, liegt unser Hauptaugenmerk auf Röntgenstrukturen von Komplexen, die die erforderlichen Details liefern. Ebenfalls eingeführt wird eine neue webbasierte Ressource für komplexe Protein-DNA-Strukturen.


Nukleinsäurestruktur

Nukleinsäuren können riesige Polymere bilden, die viele Formen annehmen können. Als solche gibt es mehrere Möglichkeiten, die Nukleinsäurestruktur zu diskutieren. „Nucleinsäurestruktur“ kann so etwas Einfaches bedeuten wie die Abfolge von Nukleotiden in einem DNA-Stück. Oder es könnte etwas so Komplexes bedeuten wie die Art und Weise, wie sich das DNA-Molekül faltet und wie es mit anderen Molekülen interagiert.

Hier ein wenig über jede Ebene der Nukleinsäurestruktur:

Primärstruktur

Nukleotide – die Bausteine ​​der Nukleinsäuren und die „Buchstaben“ des genetischen „Codes“ – bestehen aus zwei Komponenten:

    Eine stickstoffhaltige Base wie Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin oder Uracil. DNA und RNA haben jeweils vier mögliche stickstoffhaltige Basen, wobei DNA Thymin oder „T“, RNA Uracil oder „U“ anstelle von Thymin verwendet.

    Jede dieser vier Basen hat unterschiedliche Bindungseigenschaften, die dafür sorgen, dass die Zelle nicht einen Buchstaben mit dem anderen „verwechselt“. Thymin und Uracil haben fast identische Strukturen und Eigenschaften, wodurch sie ähnliche Rollen in den beiden verschiedenen Nukleinsäuretypen erfüllen können.

Sekundärstruktur

Sekundärstruktur bezieht sich darauf, wie Nukleotidbasen Wasserstoffbrücken miteinander verbinden und welche Form dies aus ihren beiden Strängen ergibt.

Die Wasserstoffbrückenbindungen, die sich zwischen komplementären Basen von zwei Nukleinsäuresträngen bilden, unterscheiden sich stark von der kovalenten Bindung, die sich zwischen Schwestermonomeren in einem Nukleinsäurestrang bildet.

Die Bindungen zwischen den Basen in einem einzelnen Nukleinsäurestrang sind kovalent – ​​sie teilen ihre Elektronen vollständig und sind auf eine Weise gebunden, die sehr schwer zu brechen ist. Atome, die durch kovalente Bindungen verbunden sind, sind alle Teil desselben Moleküls.

Wasserstoffbrücken hingegen sind schwache Bindungen, die von schwachen, vorübergehenden Anziehungen zwischen positiv geladenen Wasserstoffkernen und den Elektronen anderer Atome herrühren. Die Moleküle teilen sich keine Elektronen, sodass sie ziemlich leicht getrennt werden können. Auch Veränderungen von Umweltfaktoren wie Säure können Wasserstoffbrückenbindungen stören.

Die häufigste Sekundärstruktur, mit der wir vertraut sind, ist die Doppelhelix, die sich bildet, wenn zwei komplementäre DNA-Stränge Wasserstoffbrücken miteinander verbinden. Andere Strukturen sind ebenfalls möglich, wie eine „Stammschleife“ – die entsteht, wenn sich ein einzelnes RNA-Molekül zurückfaltet und Wasserstoffbrücken mit sich selbst bilden – oder eine vierarmige Struktur, die entstehen kann, wenn vier verschiedene Nukleinsäurestränge Wasserstoffbrücken bilden mit verschiedenen Teilen voneinander.

Es wird angenommen, dass einige dieser Sekundärstrukturmöglichkeiten verwendet werden, um die Kontrolle der Genexpression zu unterstützen und andere biologische Funktionen auszuführen. Im Allgemeinen exprimieren Transkriptionsenzyme nur Gene, auf die sie zugreifen können. Wenn ein Gen oder ein RNA-Schnipsel in einem Gewirr von Nukleinsäuren „gebunden“ ist, können die Enzyme es möglicherweise weniger erreichen. Gene in offeneren, einfachen Sekundärstrukturen können dagegen eher exprimiert werden.

Tertiärstruktur

Tertiärstruktur bezieht sich auf die Position der Atome einer Nukleinsäure im Raum. Es gibt mehrere gängige Messungen, die diskutiert werden, wenn über die Tertiärstruktur einer Nukleinsäure gesprochen wird, darunter:

    „Händigkeit“

    Asymmetrische Moleküle sind unseren Händen sehr ähnlich. Jede unserer Hände hat zum Beispiel die gleiche Form – die gleichen Komponenten, die auf die gleiche Weise miteinander verbunden sind. Aber unsere Hände sind eindeutig nicht austauschbar. Das liegt daran, dass eine unserer Hände den Daumen auf der rechten Seite hat, während die andere den Daumen auf der linken Seite hat. Unsere Hände sind keine identischen, austauschbaren Strukturen, sondern Spiegelbilder voneinander.

    Ebenso können asymmetrische Moleküle mit gleichen Teilen und Verbindungen identisch sein oder Spiegelbilder voneinander sein. Einige Moleküle sind „rechtshändig“, andere sind „linkshändige“ Spiegelbilder dieser Moleküle.

    Bei biologischen Molekülen kann die „Händigkeit“ entscheidend sein, um die Wirkung einer Chemikalie auf einen Organismus zu bestimmen. Bei einigen Medikamenten und Giften interagiert nur ein Stereoisomer mit den Enzymen unseres Körpers. Ein Molekül kann keine Wirkung auf uns haben, während sein Spiegelbild nützlich oder tödlich sein kann.

Während jedes asymmetrische Molekül ein Stereoisomer haben kann, ist die „Länge der Helixwindung“ für Nukleinsäuren ziemlich einzigartig.

Der Bindungswinkel zwischen Nukleotiden bewirkt, dass die meisten Nukleinsäuren eine Helixform bilden. Aber kleine Unterschiede in der Form der Helix können Unterschiede in der Interaktion der Helix mit unseren Enzymen und anderen Molekülen verursachen. Die Details dieser Helixform können also wichtig sein!

Dies ist ein weiteres Maß für die genaue Form und Eigenschaften einer Nukleinsäurehelix. Dies kann chemisch und biologisch wichtig sein, da es bestimmt, welche Enzyme und Moleküle die DNA oder RNA beeinflussen können.

Quartäre Struktur

Quartäre Struktur bezieht sich auf die großen Formen und Strukturen, die durch Nukleinsäuren hergestellt werden können. Ähnlich wie Aminosäuren und Proteine ​​können Nukleinsäuren große Strukturen bilden. Die Form dieser Strukturen kann für ihre Funktionen wichtig sein.

Beispiele für quartäre Nukleinsäurestrukturen sind Chromatiden – riesige DNA-Moleküle, die für die Lagerung und den Transport während der Zellteilung eng gepackt sind – und Ribosomen, bei denen es sich um Organellen handelt, die teilweise aus RNA bestehen.

Einige Ribozyme erfüllen ihre Aufgaben auch teilweise durch die Verwendung einer Quartärstruktur. Dadurch können sie mit ihren Substraten interagieren. Genau wie Enzyme aus Proteinen müssen Ribozyme genau auf ihr Substrat passen, um dessen chemische Reaktionen zu katalysieren.


Biologische Strukturen

Natürlich vorkommende DNA-Moleküle können kreisförmig oder linear sein. Die Genome von einzelligen Bakterien und Archaeen (den Prokaryoten) sowie die Genome von Mitochondrien und Chloroplasten (bestimmte funktionelle Strukturen innerhalb der Zelle) sind zirkuläre Moleküle. Darüber hinaus haben einige Bakterien und Archaeen kleinere zirkuläre DNA-Moleküle, die als Plasmide bezeichnet werden und typischerweise nur wenige Gene enthalten. Viele Plasmide werden leicht von einer Zelle zur anderen übertragen. Für ein typisches Bakterium ist das Genom, das alle Gene des Organismus kodiert, ein einzelnes zusammenhängendes ringförmiges Molekül, das eine halbe Million bis fünf Millionen Basenpaare enthält. Die Genome der meisten Eukaryoten und einiger Prokaryoten enthalten lineare DNA-Moleküle, die Chromosomen genannt werden. Die menschliche DNA zum Beispiel besteht aus 23 Paaren linearer Chromosomen mit drei Milliarden Basenpaaren.

In allen Zellen liegt die DNA nicht frei in Lösung vor, sondern als proteinbeschichteter Komplex namens Chromatin. Bei Prokaryonten hilft die lose Proteinhülle auf der DNA, die negative Ladung des Phosphodiester-Rückgrats abzuschirmen. Chromatin enthält auch Proteine, die die Genexpression steuern und die charakteristischen Formen von Chromosomen bestimmen. In Eukaryoten windet sich ein Abschnitt der DNA zwischen 140 und 200 Basenpaaren lang um einen diskreten Satz von acht positiv geladenen Proteinen, die als Histone bezeichnet werden, und bilden eine kugelförmige Struktur, die als Nukleosom bezeichnet wird. Zusätzliche Histone werden von aufeinanderfolgenden DNA-Abschnitten umhüllt und bilden eine Reihe von Nukleosomen wie Perlen an einer Schnur. Die Transkription und Replikation von DNA ist bei Eukaryoten komplizierter, da die Nukleosomenkomplexe zumindest teilweise zerlegt werden müssen, damit die Prozesse effektiv ablaufen können.

Die meisten prokaryotischen Viren enthalten lineare Genome, die typischerweise viel kürzer sind und nur die Gene enthalten, die für die virale Vermehrung notwendig sind. Bakterielle Viren, die als Bakteriophagen (oder Phagen) bezeichnet werden, können sowohl lineare als auch zirkuläre DNA-Formen enthalten. Zum Beispiel das Genom des Bakteriophagen λ (Lambda), der das Bakterium infiziert Escherichia coli, enthält 48.502 Basenpaare und kann als lineares Molekül in einer Proteinhülle verpackt vorliegen. Die DNA des Phagen λ kann auch in zirkulärer Form vorliegen (wie im Abschnitt Ortsspezifische Rekombination beschrieben), die in das zirkuläre Genom der Wirtsbakterienzelle integriert werden kann. Sowohl zirkuläre als auch lineare Genome sind bei eukaryontischen Viren zu finden, aber sie verwenden häufiger RNA als genetisches Material.


Unterschied zwischen DNA und Genen

Definition

DNA: DNA ist eine Chemikalie, die die genetische Information eines Organismus speichert.

Gene: Gene sind die DNA-Abschnitte, die für verschiedene Proteine ​​kodiert sind.

DNA: DNA bestimmt viele Funktionen wie die Genregulation.

Gene: Gene bestimmen die Eigenschaften eines Organismus.

Größe des Moleküls

DNA: DNA ist ein langkettiges Polynukleotid.

Gene: Gene sind kleine DNA-Abschnitte. Ein einzelnes DNA-Molekül kann Tausende von Genen und anderen nicht-kodierenden Regionen tragen.

Genmaterial

DNA: DNA ist nicht das einzige genetische Material, das Organismen gemeinsam haben.

Gene: Gene bestehen entweder aus DNA oder RNA.

Studien

DNA: Die Studien über DNA sind kürzlich entwickelt worden.

Gene: Das Studium hat längst begonnen.

Abschluss

Genomische DNA besteht hauptsächlich aus Genen und Junk-DNA. Alle Arten von nicht-kodierender DNA werden zusammenfassend als Junk-DNA bezeichnet. Diese Junk-DNA spielt auch eine entscheidende Rolle für das Funktionieren eines Organismus. Sie sind hauptsächlich an der Genregulation beteiligt. Beispielsweise sind cis- und trans-regulatorische Elemente wichtig bei der Kontrolle der Transkription von Genen. Somit besteht der Hauptunterschied zwischen DNA und Genen darin, dass Gene nur eine spezifische Sequenz der DNA sind, die die Merkmale bestimmt.

Referenz:
1. „DNA“. Wikipedia. 2017. Abgerufen am 13. Feb. 2017
2. „Was ist DNA?“. Genetik Home-Referenz. 2017. Abgerufen am 13. Feb. 2017
3. Susman M. „Gene: Definition und Struktur“. ENCYCLOPEDIA OF LIFE SCIENCES, Nature Publishing Group, 2001. Zugriff am 09.02.2017
4. Schleif R. “Genetik und Molekularbiologie“. 2. Aufl., The Johns Hopkins University Press, 1993, S. 22-47, abgerufen am 09.02.2017

Bild mit freundlicher Genehmigung:
1. „DNA einfach2“. Von Forluvoft – Eigene Arbeit (Public Domain) über Commons Wikimedia
2. „Gen“. Mit freundlicher Genehmigung: Nationales Institut für Humangenomforschung (Public Domain) über Commons Wikimedia

Über den Autor: Lakna

Lakna, Absolventin der Molekularbiologie und Biochemie, ist Molekularbiologin und hat ein breites und starkes Interesse an der Entdeckung naturbezogener Dinge


Warum gibt es die große und die kleine Furche in der DNA? - Biologie

DNA (Desoxyribonukleinsäure) wurde Ende des 19. Jahrhunderts entdeckt, aber ihre Rolle als Vererbungsmaterial wurde fünfzig Jahre später nicht aufgeklärt. Es nimmt eine zentrale und kritische Rolle in der Zelle als genetische Information ein, in der alle Informationen enthalten sind, die zur Vervielfältigung und Erhaltung des Organismus erforderlich sind. Alle Informationen, die zur Erhaltung und Fortpflanzung des Lebens notwendig sind, sind in einer linearen Anordnung von vier einfachen Basen enthalten: Adenin, Guanin, Thymin und Cytosin.

DNA wurde zuerst als monoton einheitliche Helix beschrieben, die allgemein als B-DNA bezeichnet wird. Heute wissen wir jedoch, dass DNA viele verschiedene Formen und Konformationen annehmen kann. Darüber hinaus haben viele dieser alternativen Formen biologische Bedeutung. Somit ist die DNA nicht einfach ein Informationsspeicher, aus dem Informationen durch RNA in Proteine ​​fließen. Vielmehr existieren strukturelle Informationen innerhalb der spezifischen Sequenzmuster der Basen. Diese Strukturinformation bestimmt die Interaktion von DNA mit Proteinen, um Prozesse der DNA-Replikation, Transkription in RNA und Reparatur von Fehlern oder Schäden an der DNA durchzuführen.

Die DNA besteht aus Purin- (Adenin und Guanin) und Pyrimidin- (Cytosin und Thymin) Basen, die jeweils über einen Ribose-Zucker mit einem Phosphat-Rückgrat verbunden sind. In der chemischen Struktur der Basen und des Zuckers sowie in der strukturellen Beziehung der Base zum Zucker sind viele Variationen möglich, die zu Unterschieden in Helixform und -form führen. Die häufigste DNA-Helix, B-DNA, ist eine Doppelhelix aus zwei DNA-Strängen mit etwa 10,5 Basenpaare pro Schraubendrehung.

Basen und Basenpaare.

Die vier in der DNA vorkommenden Basen sind in den Abbildungen 1 und 2 dargestellt. Die Purine und Pyrimidine sind die Informationsmoleküle des genetischen Bauplans der Zelle. Die beiden Seiten der Helix werden durch Wasserstoffbrücken zwischen Basenpaaren zusammengehalten. Wasserstoffbrücken sind schwache Anziehungen zwischen einem Wasserstoffatom auf der einen Seite und einem Sauerstoff- oder Stickstoffatom auf der anderen. Wasserstoffatome von Aminogruppen dienen als Wasserstoffbrücken-Donor, während die Carbonylsauerstoffe und Ringstickstoffe als Wasserstoffbrücken-Akzeptoren dienen. Die spezifische Lage der Wasserstoffbrücken-Donor- und -Akzeptorgruppen verleiht den Basen ihre Spezifität für Wasserstoffbrückenbindungen in einzigartigen Paaren. Thymin (T) paart sich mit Adenin (A) über zwei Wasserstoffbrücken und Cytosin (C) paart mit Guanin (G) über drei Wasserstoffbrücken (Abbildung 2). T paart sich normalerweise nicht mit G, noch paart C normalerweise mit A.

Abbildung 1. DNA-Nukleotide umfassen eine Base, einen Desoxyribose-Zucker und ein Phosphat. Die Kohlenstoffe des Zuckers sind von 1&prime ("eine Primzahl") bis 5&prime nummeriert. Die Phosphatgruppe verbindet das 3&prime-Ende eines Nukleotids mit dem 5&prime-Ende des nächsten. Die Phosphate sind negativ geladen, was ihre Anziehung zu positiv geladenen Histonproteinen fördert (nicht gezeigt).

Desoxyribose-Zucker.

In der DNA sind die Basen mit einem &beta-D-2-Desoxyribose-Zucker mit einem Wasserstoffatom an der 2&prime-Position ("zwei Primzahlen") verbunden. Der Zucker ist ein sehr dynamischer Teil des DNA-Moleküls. nicht so wie Nukleotid Basen, die planar und starr sind, lässt sich der Zuckerring leicht verbiegen und in verschiedene Konformationen verdrehen (die in verschiedenen Strukturformen der DNA vorkommen). In der kanonischen B-DNA, der akzeptierten und häufigsten Form der DNA, wird die Zuckerkonfiguration als C2&prime endo bezeichnet.

Nukleoside und Nukleotide.

Der Begriff "Nukleosid" bezieht sich auf eine Base und Zucker. „Nukleotid“ hingegen bezieht sich auf die Basen-, Zucker- und Phosphatgruppe (Abbildung 1). Eine Bindung, die als glykosidische Bindung bezeichnet wird, hält die Base an den Zucker und die 3&prime-5&prime ("drei Primzahl-fünf Primzahl") Phosphodiesterbindung hält die einzelnen Nukleotide zusammen. Nukleotide werden vom 3'-Kohlenstoff des Zuckers in einem Nukleotid mit dem 5'-Kohlenstoff des Zuckers des benachbarten Nukleotids verbunden. Das 3&prime- und das 5&prime-Ende sind chemisch sehr unterschiedlich und haben unterschiedliche reaktive Eigenschaften. Während der DNA-Replikation werden neue Nukleotide nur an das 3&prime-OH-Ende eines DNA-Strangs hinzugefügt. Diese Tatsache hat wichtige Auswirkungen auf die Replikation.

Wie oben erwähnt, werden die beiden Einzelstränge durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen einzelnen T·A- und C·G-Basenpaaren zusammengehalten. In der DNA ist die Figur 2. Wasserstoffbrückenbindung zwischen den Basen. Beachten Sie, dass die Abstände zwischen den Basenpaaren für die beiden Basenpaare fast identisch sind, sodass der Abstand über die Doppelhelix unverändert bleibt. Hoogsteen-Wasserstoffbrücken können eine Doppelhelix mit einem dritten Strang verbinden, um eine Tripelhelix zu bilden. der Abstand zwischen den beteiligten Atomen beträgt 2,8 bis 2,95 Angström (10 &minus 10 Meter). Obwohl einzeln schwach, bietet die große Anzahl von Wasserstoffbrücken entlang einer DNA-Kette genügend Stabilität, um die beiden Stränge zusammenzuhalten.

Die Stabilisierung von Duplex-(doppelsträngiger) DNA hängt auch von der Basenstapelung ab. Die ebenen, starren Basen stapeln sich übereinander, ähnlich wie ein Stapel Münzen. Da die beiden Purin.Pyrimidin-Paare (A.T und C.G) die gleiche Breite haben, stapeln sich die Basen ziemlich gleichmäßig. Die Stapelung nahe der Mitte der Helix bietet Schutz vor chemischen und Umwelteinflüssen. Beide Hydrophobe Wechselwirkungen und van der Waals Kräfte halten Basen in Stapelwechselwirkungen zusammen. Etwa die Hälfte der Stabilität der DNA-Helix kommt von Wasserstoffbrücken, während die Basenstapelung den Rest bereitstellt.

Doppelsträngige DNA in ihrer kanonischen B-Form ist eine rechtsgängige Helix, die aus zwei einzelnen DNA-Strängen besteht, die antiparallel ausgerichtet sind (eine rechtsgängige Helix dreht sich, wenn sie am Ende betrachtet wird, vom Betrachter weg im Uhrzeigersinn). Bei antiparalleler DNA sind die beiden Stränge in entgegengesetzter Polarität organisiert, wobei ein Strang in 5&prime-3&prime-Richtung und der andere in 3&prime-5&prime-Richtung orientiert ist.

In der rechtshändigen B-DNA-Doppelhelix sind die gestapelten Basenpaare durch etwa 3,24 Angström getrennt, wobei 10,5 Basenpaare eine helikale Windung (360º) bilden, die eine Länge von 35,7 Angström hat. Zwei aufeinanderfolgende Basenpaare sind daher um 34,3° gegeneinander gedreht. Die Breite der Helix beträgt 20 Angström. Ein idealisiertes Modell der Doppelhelix ist in Abbildung 3 gezeigt. Wie zu sehen ist, erzeugt die Organisation der Basen eine große und eine kleine Furche.

Adenin und Thymin sollen komplementär sein, ebenso wie Cytosin und Guanin. Komplementär bedeutet "übereinstimmendes Gegenteil". Adeninn und Thymin ergänzen sich in Form und Ladung, so dass sie sich anziehen und verbinden (ebenso wie Cytosin und Guanin). Tatsächlich ist ein ganzer Strang der Duplex-DNA komplementär zum Gegenstrang. Während der Replikation lösen sich die beiden Stränge auf und jeder dient als Vorlage Figur 3. Kanonische BDNA-Doppelhelix. zur Bildung eines neuen komplementären Strangs, so dass die Replikation mit zwei exakten doppelsträngigen Kopien endet.

Während die überwiegende Mehrheit der DNA in der kanonischen B-DNA-Form vorliegt, kann die DNA eine erstaunliche Reihe alternativer Strukturen annehmen. Dies ist das Ergebnis bestimmter besonderer Sequenzanordnungen der DNA und in vielen Fällen der Energie in der DNA-Doppelhelix aus dem DNA-Supercoiling, der Eigenschaft der DNA, bei der sich die Doppelhelix in einem hochenergetischen Zustand um sich selbst dreht. Einige identifizierte alternative DNA-Konformationen sind in Abbildung 4 gezeigt.

Abgewickelte DNA.

Da A·T-Basenpaare zwei Wasserstoffbrückenbindungen enthalten und C·G-Basenpaare drei enthalten, sind A+T-reiche Bahnen thermisch weniger stabil als C+G-reiche Bahnen in DNA. Unter denaturierenden Bedingungen (Hitze oder Alkali) beginnt die DNA zu "schmelzen" (sich zu trennen), und es bilden sich unverwundene DNA-Regionen, und es sind die A+T-reichen Sequenzen, die zuerst schmelzen. Darüber hinaus können sich A+T-reiche Regionen in Gegenwart von superhelikaler Energie (einem hochenergetischen Zustand der DNA, der aus ihrem Supercoiling resultiert, was die natürliche Form der DNA in den Chromosomen der meisten Organismen ist) abwickeln und unter Bedingungen abgewickelt bleiben normalerweise in der Zelle zu finden. Solche Stellen bieten oft Plätze für DNA-Replikationsproteine, um in die DNA einzudringen, um den Prozess der Chromosomenduplikation zu beginnen.

Kreuzförmige Strukturen.

DNA-Sequenzen werden als palindrom bezeichnet, wenn sie eine umgekehrte Wiederholungssymmetrie aufweisen, wie in der Sequenz GGAATTAATTCC, die vom 5'- zum 3'-Ende gelesen wird. Palindromische Sequenzen können eher intramolekulare Bindungen (innerhalb eines Einzelstrangs) als die normalen intermolekularen (zwischen den beiden komplementären Strängen) Wasserstoffbrückenbindungen bilden. Um Kreuzformen ("kreuzförmig") zu bilden, muss die DNA eine kleine ungewickelte Struktur bilden, und dann müssen sich Basenpaare innerhalb jedes einzelnen Strangs bilden, wodurch die viersträngige kreuzförmige Struktur gebildet wird.

Slipped-Strand-DNA.

Slipped-Strand-DNA-Strukturen können sich in direkten DNA-Wiederholungssequenzen bilden, wie (CTG)n·(CAG)n und (CGG)n·(CCG)n (wobei "n" eine variable Anzahl von Wiederholungen bezeichnet). Sie bilden sich nach der Denaturierung, nachdem die Stränge abgewickelt wurden, und während der Renaturierung, wenn die Stränge wieder zusammenkommen. Bei der Bildung von Slipped-Strand-DNA kommen die gegenüberliegenden Stränge während der Renaturierung in einer nicht ausgerichteten Weise zusammen. Die Ausdehnung solcher Triplett-Wiederholungen sind Merkmale bestimmter neurologischer Erkrankungen.

Intermolekulare Triplex-DNA.

Dreisträngige oder Triplex-DNA kann sich in Abschnitten der Polypurin.Polypyrimidin-Sequenz bilden, wie (GAA)n·(TTC)n. Purine haben mit ihren Zweiringstrukturen das Potenzial, Wasserstoffbrücken mit einer zweiten Base zu bilden, selbst wenn sie in den kanonischen A·T- und G·C-Konfigurationen gepaart sind. Dieser zweite Typ von Basenpaaren wird als Hoogsteen-Basenpaar bezeichnet und kann sich in der großen Furche bilden (die Oberseite der Basenpaardarstellungen in Abbildung 2). Pyrimidine können nur mit einer einzigen anderen Base paaren, und daher muss für die Bildung von Triplex-DNA ein langer Pu·Py-Trakt vorhanden sein. Der wichtige Faktor für die Bildung von Triplex-DNA ist das Vorhandensein eines erweiterten Purintrakts in einem einzelnen DNA-Strang. Der Basenpaarungscode des dritten Strangs lautet wie folgt: A kann mit A paaren oder T G kann mit a . paaren protoniert C (C + ) oder G.

Figur 4. DNA kann in einer Vielzahl von Konformationen vorliegen. "kanonische" DNA ist die häufigste, aber jede der anderen Formen hat besondere Funktionen oder kommt unter bestimmten Bedingungen vor.

Intramolekulare Triplex-DNA.

Wenn ein Pu·Py-Trakt existiert, der eine Spiegelwiederholungssymmetrie hat (5&prime GAAGAG-GAGAAG 3&prime), kann sich ein intramolekularer Triplex bilden, in dem sich die Hälfte des Pu.Py-Trakts abwickelt und ein Strang sich in die Hauptrille wickelt und ein Triplex bildet. Die Struktur in Abbildung 4 zeigt die Paarung des Pyrimidinstrangs (CTT) mit dem Purinstrang (GAA) eines kanonischen DNA-Duplex. In einem intramolekularen Triplex bleibt ein Strang der nicht aufgewickelten Region ungepaart, wie gezeigt.

Quadruplex-DNA.

DNA-Sequenzen, die Läufe von G·C-Basenpaaren enthalten, können Quadruplex oder viersträngige DNA bilden, in der die vier DNA-Stränge durch Hoogsteen-Wasserstoffbrücken zwischen allen vier Guaninen zusammengehalten werden. Die vier Guanine sind in einer Ebene ausgerichtet und die aufeinanderfolgenden Guaninringe sind übereinander gestapelt.

Linkshänder Z-DNA.

Abwechselnde Läufe von (CG)n·(CG)n oder (TG)n·(CA)n Dinukleotide in DNA können unter Superhelikalspannung oder hohem Salzgehalt (mehr als 3 M NaCl) (M, Mol pro Liter) eine linksgängige Helix namens Z-DNA annehmen. In dieser Form werden die beiden DNA-Stränge in eine linksgängige Helix gewickelt, was der entgegengesetzten Bedeutung der kanonischen B-DNA entspricht. Dies kann innerhalb einer kleinen Region eines größeren rechtshändigen B-DNA-Moleküls auftreten, wodurch zwei Verbindungen an der B-Z-Übergangsregion erzeugt werden.

Gekrümmte DNA.

DNA-haltige Trakte von (A)3-4·(T)3-4 (d. h. Stränge von drei oder vier Basen von A in einem Strang und einem ähnlichen Strang von T in dem anderen), die in Abständen von 10 Basenpaaren beabstandet sind, können eine gekrümmte Helixstruktur annehmen.

Zusammenfassend kann DNA in einer sehr stabilen, rechtsgängigen Doppelhelix vorliegen, in der die Erbinformation sehr stabil ist. Bestimmte DNA-Sequenzen können auch alternative Konformationen annehmen, von denen einige wichtige regulatorische Signale sind, die an der genetischen Expression oder Replikation der DNA beteiligt sind.

Richard R. Sinden

Literaturverzeichnis

Sinden, Richard R. DNA-Struktur und Funktion. San Diego: Academic Press, 1994.


Struktur und Verpackung von DNA

In diesem Artikel werden wir die Struktur der DNA untersuchen.

Jede Zelle eines bestimmten lebenden Organismus enthält genau dieselbe DNA. Die Größe des DNA-Polymers steht in direktem Zusammenhang mit der Komplexität des Organismus. Komplexere Organismen haben tendenziell größere DNA-Moleküle, während weniger komplexe Organismen kleinere DNA haben. Für z.B. Die DNA einfacher Bakterien enthält etwa 8 Millionen Nukleotide, während die menschliche DNA bis zu 500 Millionen Nukleotide enthält.

Primärstruktur:

Die Primärstruktur der DNA ist einfach die Sequenz von Nukleotiden. Die Zucker-Phosphat-Kette wird als DNA-Rückgrat bezeichnet und ist im gesamten DNA-Molekül konstant. Der variable Teil der DNA ist die Sequenz stickstoffhaltiger Basen.

Die Phosphatgruppen verbinden den 3. Kohlenstoff eines Zuckers (von Desoxyribose oder Ribose) mit dem 5. Kohlenstoff des nächsten Zuckers (von Desoxyribose oder Ribose).

Ein DNA-Strang hat zwei unterschiedliche Enden oder Enden, eines ist ein 5-Phosphat-Ende und das andere ist ein 3-Hydroxyl-Ende. Konventionell wird eine Nukleinsäuresequenz immer in 5 nach 3 Richtung gelesen, also vom Zucker mit dem freien 5-Phosphat zum Zucker mit einer 3-Hydroxylgruppe. Die Reihenfolge der Nukleotide wird im Allgemeinen mit dem großgeschriebenen Anfangsbuchstaben des Namens einer Base geschrieben. Somit wird die folgende Struktur ACGT geschrieben (in Richtung 5 zu 3)

Sekundärstruktur (Doppelhelix-Struktur):

Doppelhelix-Struktur:

Die Sekundärstruktur der DNA wurde 1953 von James Watson und Francis Crick vorgeschlagen. Dies galt als die größte Entdeckung der modernen Biologie und erhielt dafür den Nobelpreis. Sie schlugen vor, dass DNA eine Doppelhelix ist, die zwei Polynukleotidstränge enthält, die wie um eine zentrale Achse gewunden sind.

Komplementäre Basispaarung:

Die beiden Polynukleotidstränge sind durch Wasserstoffbrücken verbunden, die zwischen einem Purin auf einem Strang und einem Pyrimidin auf dem anderen gebildet werden. In der DNA ist Adenin immer mit Thymin und Guanin immer mit Cytosin gepaart. Die Paare A-T und G-C werden als komplementäre Basenpaare bezeichnet. Nach den von Watson und Crick entdeckten Basenpaarungsregeln ist jedes A an T und jedes G an C gebunden.

Purin-Pyrimidin-Verhältnis:

Daher muss die Gesamtzahl von A in jedem DNA-Molekül gleich einer Gesamtzahl von T sein (dasselbe gilt für G und C). Daher muss der % von A in der DNA dem % von T entsprechen (das gleiche gilt für G und C). Der Gesamtprozentsatz von A, T, G und C muss gleich 100 sein. Menschliche DNA enthält 30 % Adenin, 30 % Thymin, 20 % Cytosin und 20 % Guanin.

Aufgrund der komplementären Basenpaarung ist die Gesamtzahl der Purinbasen gleich der Gesamtzahl der Pyrimidinbasen. Somit ist das Verhältnis 1:1. Diese Beziehung wird als die Regel von Chargaff bezeichnet.

Die Polarität der Stränge (antiparallel):

Die beiden DNA-Stränge verlaufen antiparallel zueinander, das heißt, die beiden Stränge verlaufen in entgegengesetzte Richtungen. Einer in Richtung 5 zu 3, der andere in Richtung 3 zu 5. Daher enthalten beide Enden der Doppelhelix das 5. Ende des einen Strangs (5 Phosphat) und das 3. Ende des anderen (3 OH).

Dur- und Moll-Grooves:

Die Helix ist rechtsgängig und führt zur Bildung einer tiefen Rille, die als Hauptrille bezeichnet wird, und einer weiteren flachen Rille, die als Nebenrille bezeichnet wird. Die beiden Haine sind abwechselnd.

Der Durchmesser des DNA-Moleküls beträgt 2 nm. Der Umlenkwinkel einer Helix beträgt 36º. Nach einer Strecke von 3,4 nm vollendet die Helix ihre eine Umdrehung. Es gibt 10 Basenpaare in einer vollständigen Spirale.

Verpackung von DNA:

Die Länge eines DNA-Doppelhelix-Moleküls in einer typischen Säugetierzelle beträgt ungefähr 2,2 Meter. Diese Länge kann durch Multiplikation der Gesamtzahl der in der DNA-Doppelhelix vorhandenen Basenpaare, die 6,6 × 10 9 beträgt, mit dem Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Basenpaaren, der 0,34 × 10 –9 m beträgt, erhalten werden. Ein so langes Polymer wird in einen typischen Kern mit einer Größe von 10 –6 m verpackt, indem es durch Aufrollen und Superaufrollen (Coiled-Coil) kondensiert wird, um in den Kern zu passen. Dies ist sowohl für Prokaryoten als auch für Eukaryoten unterschiedlich.

Bei Prokaryoten, die negativ geladene DNA ist in großen Schleifen angeordnet und wird von einigen positiv geladenen Proteinen, den sogenannten Nukleoiden, zusammengehalten. In Eukaryoten ist ein einzelnes Molekül negativ geladener DNA um einen Pool positiv geladener Proteine, Histone, verpackt.

Histone sind Proteine, die reich an basischen Aminosäureresten, Lysinen und Argininen, sind. Sie tragen eine positive Ladung an ihrer äußeren Seitenkette. Es gibt vier Arten von Histonen H2A, H2B, H3 und H4. Jeweils zwei Arten, also vier Histone-Moleküle, bilden ein Oktamer. Die negativ geladene DNA wird um das positiv geladene Histonoctamer gewickelt, um ein Nukleosom zu bilden. Es wird durch den H1-Histon an Ort und Stelle gehalten.

Ein typisches Nukleosom hat etwa zweihundert (146 + 54) Basenpaare der DNA-Helix und es sind die Nukleosomen, die die sich wiederholende Einheit im Chromatin bilden.

Unter einem Elektronenmikroskop zeigt der Kern ein Chromatin-Netzwerk. Im Netzwerk sind Nukleosomen als Perlen an der Schnur zu sehen. 1- und 3/4-Umdrehung Histon-Oktamer bestehen aus 146 Basenpaaren und werden als Kern-DNA bezeichnet. Benachbarte DNA fungiert als Verbindungsstrang, besteht aus 54 Basenpaaren und wird als Linker-DNA bezeichnet. H1-Histon ist in der Linker-Region vorhanden, und da die DNA zwei vollständige Windungen macht, ist es dort, wo die DNA das Histon umhüllt und verlässt.

Die dünne und lange Nukleosomfaser wird erneut gewickelt, um eine supergewickelte Struktur zu bilden, um eine Solenoidfaser mit einem Durchmesser von 30 nm oder 300 A herzustellen. Nukleosom- und Solenoidfasern sind charakteristisch für den Kern in der Interphase. For further packing of chromatin additional protein Non-Histone Chromosomal (NHC) proteins are responsible. The chromatin fibres are of two types, euchromatin and heterochromatin.

The euchromatin fibres are of thirty to eighty nanometres in diameter and are loosely packed and stain light. While heterochromatin fibres are of about three hundred nanometres in diameter and are more densely packed and stain dark. The euchromatin is transcriptionally active, while heterochromatin is inactive.

These chromatin fibres coil further and condense to form short and thick bodies called chromosomes, which are further packaged within the nucleus.


TED-Ed Animations feature the words and ideas of educators brought to life by professional animators. Are you an educator or animator interested in creating a TED-Ed Animation? Nominate yourself here »

  • Educator Monica Menesini
  • Director Megan Willoughby
  • Producer Steve Shin, Samantha Scharff, Matthew Chadwick, Arielle Matorana
  • Editor Leroy Patterson
  • Script Editor Eleanor Nelsen

This prize-winning video marries 2D and 3D representations to present a cohesive picture of DNA structure. The video reinforces the key structural and functional characteristics of DNA and illustrates some often difficult-to-visualize perspectives, such as how the flattened view of the structure is derived from the helix and how the major and minor grooves coil in 3D space.

This animation demonstrates how, during DNA replication, mistakes can occur as DNA polymerase copies the two strands. The wrong nucleotide can be incorporated into one of the strands causing a mismatch. Normally there should be an "A" opposite a "T" and "G" opposite a "C". If a "G" is mistakenly paired with a "T", this is a potential mutation. Fortunately, cells have repair mechanisms.

Likewise, too much sunlight can damage DNA a chemical reaction produces thymine dimers distorting DNA.

The main inner source of DNA damage are ROS (reactive oxygen species), also known as free radicals, produced by cell metabolism. The amount of free radicals has been linked to aging -- tortoises live longer because they have a very low metabolic rate.

The same mechanism that repairs double strand DNA breaks (homologous recombination) is also involved in crossing over during meiosis, the process that increases genetic variability and drives evolution.

Several human genetic diseases are known or suspected to be due to repair defects. These defects often lead to an increased incidence of cancer. Zum Beispiel Mondscheinkrankheit is due to a mutation in a gene whose product is involved in nucleotide excision repair. People suffering from this disorder are extremely prone to UV-induced skin cancers as a result of exposure to sunlight. Read about this and other diseases due to repair defects.

If you want to know more about DNA damage and repair, you can subscribe for this free online course by MIT.

Scientists think that accumulation of DNA damage and a decrease in the body's ability to fix itself may be an important component of aging. Find out more information about the biology of aging.
In 2015, the Nobel Prize in Chemistry was awarded to Tomas Lindahl, Paul Modrich and Aziz Sancar for having mapped, at a molecular level, how cells repair damaged DNA and safeguard the genetic information. Read more about their research here.


Structure of DNA by Watson and Crick

Watson and Crick displayed the structure of DNA after studying the manuscript of the two scientists Linus Pauling and Corey. In 1953, Linus Pauling and Corey gave the 3D-structure of nucleic acid, which was not successful. Then, (in early 1953) Watson and Crick together combined the data of körperlich und chemical properties and proposed a double-helical structure of DNA. The main characteristics of Watson and Crick model of DNA include:


Physical Properties of DNA

  • According to the Watson and Crick model, the DNA is a double-stranded helix, which consists of two polynucleotide chains. The two polynucleotide chain are spirally or helically twisted, which gives it a twisted ladder-like aussehen.
  • Both the polynucleotide strands of DNA have the opposite polarities, which mean that the two strands will run in the antiparallel direction, i.e. one in 5’-3’ and other in 3’-5’ direction.
  • The diameter of ds-stranded DNA helix is 20Å.
  • The distance between the two nucleotidesor internuclear distance is 3.4Å. The length of DNA helix is 34Å after a full turn and it possesses 10 base pairs per turn.
  • The DNA is twisted in “Right-handed direction” or we can say in a “Clockwise direction”.
  • Turning of DNA causes a formation of wide indentations, i.e. “Major groove“. The distance between the two strands forms a narrow indentation, i.e. “Minor groove“. The formation of major and minor grooves result after the DNA coiling and the grooves also act as a site of DNA binding proteins.

Chemical Properties of DNA

  • There are four nucleotide bases present in the polynucleotide chain like Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin. Adenine and guanine are the two purine bases, which have a single ring structure. Cytosine and thymine are the two pyrimidine bases, which have the double-ring structure.
  • The two strands are joined together by the “Complementary base pairing” of the nitrogenous bases. Therefore, a purine base will complementarily pair with the pyrimidine base, in which ‘Adenine’ pairs with ‘Thymine’ and ‘Guanine’ pairs with ‘Cytosine’.
  • The nucleotide bases in the polynucleotide strands of DNA will join with each other through a strong Wasserstoffverbindung.
  • Adenine complementarily pairs with thymine through two hydrogen bonds, whereas guanine complementarily pairs with cytosine by means of three hydrogen bonds.
  • The nucleotide base composition of DNA follows the Chargaff’s rule where the sum of purines is equal to the number of pyrimidines. The base composition of A + G = T + C obeys the Chargaff’s rule, but the base composition of A + T is not equal to the G + C.
  • Polynucleotide strands of DNA consist of three major components, namely stickstoffhaltige Basen, Desoxyribose sugar and a Phosphat group.
  • The backbone of DNA consists of the sugar-phosphate backbone. The sugar-phosphate backbone holds both the polynucleotide strands of DNA by means of “Phosphodiester bond“. Therefore, the bonding between sugar and phosphates, i.e. phosphodiester bond and the bonding between nitrogenous bases, i.e. hydrogen bond contributes to the “DNAStabilität”.

Abschluss

The DNA is a supermodel proposed by Watson and Crick in the year 1953. The discovery of double helix DNA was not possible without the collaboration of Maurice Wilkins and Rosalind Franklin. Maurice Wilkins and Rosalind Franklin discovered the picture of DNA through X-ray crystallography. The X-ray diffraction picture of DNA helped Watson and Crick to further study the DNA structure and components. By this, Watson and Crick proposed a model for DNA known as Watson and Crick’s model of double-helical DNA.

The DNA is the largest biomolecule which contains all the genetic information of the person to build an organism or a life form. The study of DNA double-helical structure helps us to know about the chemical and physical properties of DNA, apart from the property of DNA being a “Genmaterial”.


SYBR chemistry or other double-stranded DNA binding dyes

Small molecules that bind to double-stranded DNA can be divided into two classes:

Regardless of the binding method, there are two requirements for a DNA binding dye for real-time detection of PCR:

We have developed conditions that permit the use of the SYBR Green I dye in PCR with little PCR inhibition and increased sensitivity of detection compared to ethidium bromide. Additionally, we have newer SYBR Green dyes that fluoresce more brightly and inhibit PCR less than the original SYBR Green I.

How SYBR dye chemistry works

SYBR dye detects polymerase chain reaction (PCR) products by binding to double-stranded DNA formed during PCR. So funktioniert das:

  1. When SYBR dye is added to a sample, it immediately binds to all double-stranded DNA present in the sample.
  2. During PCR, DNA polymerase amplifies the target sequence which creates the PCR products.
  3. SYBR dye then binds to each new copy of double-stranded DNA.
  4. As the PCR progresses, more PCR product is created. SYBR® dye binds to all double-stranded DNA, so the result is an increase in fluorescence intensity proportioned to the amount of PCR product produced.

Advantages of SYBR dye

  • It can be used to monitor the amplification of any double-stranded DNA sequence.
  • No probe is required, which can reduce assay setup and running costs, assuming that your PCR primers are well designed and your reaction is well characterized.

Disadvantage of SYBR dye

The primary disadvantage is that it may generate false positive signals i.e., because the SYBR dye binds to any double-stranded DNA, it can also bind to nonspecific double-stranded DNA sequences. Therefore, it is extremely important to have well-designed primers that do not amplify non-target sequences, and that melt curve analysis be performed.

Additional consideration

Another aspect of using DNA binding dyes is that multiple dye molecules may bind to a single amplified DNA molecule. A consequence of multiple dye binding is that the amount of signal is dependent on the mass of double-stranded DNA produced in the reaction. Thus, if the amplification efficiencies are the same, amplification of a longer product will generate more signal than a shorter one. This is in contrast to the use of a fluorogenic probe, in which a single fluorophore is released from quenching for each amplified molecule synthesized, regardless of its length.


Schau das Video: Die große Analyse zur Regierungskrise (Januar 2022).