DNA, das genetische Informationsträgermolekül der Zelle, ist ein langes Polymer aus Nukleotiden und kann verschiedene strukturelle Konformationen annehmen. Die verschiedenen Arten von Konformationen, die DNA annehmen kann, hängen von verschiedenen Faktoren ab, wie zum Beispiel:
- Wassergehalt
- Salzkonzentration
- DNA-Sequenz
- Menge und Richtung der Überwicklung
- Vorhandensein von chemisch modifizierten Basen
- Unterschiedliche Arten von Metallionen und deren Konzentrationen
- Vorhandensein von Polyaminen in der Lösung.
Die häufigsten strukturellen Konformationen von DNA werden wie folgt bezeichnet:
A-DNA
A-DNA ist eine seltene Art von struktureller Konformation, die DNA unter dehydrierten Bedingungen annehmen kann. A-DNA ist eine doppelsträngige helikale Struktur, die B-DNA sehr ähnlich ist, jedoch eine kürzere und kompaktere strukturelle Organisation aufweist. A-DNA wurde von Rosalind Franklin entdeckt und sie erhielt auch Anerkennung für die Benennung von A-DNA und B-DNA. Wichtige strukturelle Merkmale von A-DNA sind:
- A-DNA entsteht aus B-DNA unter dehydrierten Bedingungen.
- A-DNA ist viel breiter und flacher als B-DNA.
- Ähnlich wie B-DNA ist A-DNA auch eine rechtsgängige Helix.
- Der Durchmesser der Helix von A-DNA beträgt 26 Å.
- Der Helixhub (Höhe einer Umdrehung) von A-DNA beträgt 28,6 Å.
- A-DNA ist aufgrund des geringeren Anstiegs pro Umdrehung um 20 bis 25 % kürzer als B-DNA.
- A-DNA enthält 11,6 Basenpaare pro Umdrehung.
- Der Abstand zwischen den benachbarten Basenpaaren beträgt 2,9 Å.
- Die helikale Verdrehung pro Basenpaar in A-DNA beträgt 31°.
- A-DNA hat ein axiales Loch in der Mitte (hohler zentraler Kern).
- In A-DNA sind die Basenpaare zur Helixachse geneigt.
- Die einzelnen Basenpaare in A-DNA sind um 20° gegenüber der Helixachse geneigt.
- A-DNA hat enge und tiefe große Räume.
- Die kleinen Räume von A-DNA sind breit und flach.
- Die Desoxyribose-Zuckerkrümmung in A-DNA hat die C3′-endo-Form.
- Die Konformation der Glykosidbindung in A-DNA ist anti.
B-DNA
B-DNA ist die häufigste und vorherrschende Art von struktureller Konformation von DNA in den Zellen. Die DNA bevorzugt unter den natürlichen physiologischen Bedingungen (pH und Salzkonzentration) in der Zelle die B-Form. B-DNA wird am besten durch das Watson-Crick-Modell der DNA beschrieben, das erstmals von James Watson und Francis Crick beschrieben wurde. Wichtige strukturelle Merkmale von B-DNA sind:
- Die Mehrheit der DNA in einer Zelle hat die B-DNA-Konformation.
- B-DNA ist eine rechtsgängige Helix.
- In B-DNA befinden sich die Basen im Kern, während das Zuckerphosphatrückgrat am Rand der Helix liegt.
- In B-DNA sind nur die Kanten der Basenpaare dem Lösungsmittel ausgesetzt.
- Jedes Basenpaar in B-DNA hat die gleiche Breite.
- Die Breite von A-T und G-C in B-DNA beträgt 10,85 Å.
- Der Heliksdurchmesser von B-DNA beträgt 20 Å.
- Jede Umdrehung der Helix in B-DNA hat eine Helikhöhe von 34 Å.
- Jede Umdrehung in B-DNA besteht aus 10 Basenpaaren.
- Der Abstand zwischen benachbarten Basenpaaren in B-DNA beträgt 3,4 Å.
- Jedes Basenpaar hat eine helikale Verdrehung von 36° (360/10).
- Die Ebene der intersträngigen Wasserstoffbrückenbindungen steht senkrecht zur Helixachse.
- B-DNA hat einen soliden zentralen Kern.
- Die große Rille von B-DNA ist breit und tief.
- Die kleine Rille von B-DNA ist schmal und tief.
- Die Zuckerkrümmung in B-DNA hat die C2′-endo-Form.
- Die Konformation der Glykosidbindung in B-DNA ist anti.
Z-DNA
Z-DNA ist eine linkshändige doppelsträngige Konformation von DNA, bei der sich die Doppelhelix in einem zickzackförmigen Muster nach links windet. Der DNA-Strang mit komplementären Nukleotiden, die abwechselnd Purine und Pyrimidine enthalten (wie z.B. Poly-d(GC).Poly-d(GC) oder Poly-d(AC).Poly-d(GT)), kann bei hoher Salzkonzentration die Z-DNA-Konformation annehmen. Die Existenz von Z-DNA wurde von Andres Wang und Alexander Rich entdeckt. Z-DNA ist eine der biologisch aktiven Formen von DNA, die in vivo in den Zellen vorkommen. Die genaue biologische Funktion von Z-DNA ist nicht klar. Z-DNA befindet sich normalerweise stromaufwärts des Startpunkts eines Gens und könnte daher eine Rolle bei der Regulation der Genexpression spielen. Wichtige strukturelle Merkmale von Z-DNA sind:
- Z-DNA ist eine linksgängige Helix.
- Die Doppelhelix windet sich in einem zickzackförmigen Muster.
- Der Heliksdurchmesser von Z-DNA beträgt 18 Å.
- Die Gesamthöhe einer Helixumdrehung beträgt 44 Å.
- Die Nukleotidpaare in Z-DNA treten als Nukleotiddimere auf.
- Jede Helixumdrehung von Z-DNA enthält 12 Nukleotide (6 Dimere).
- Die helikale Verdrehung pro Basenpaar in Z-DNA beträgt 9° für den Pyrimidin-Purin-Schritt und 51° für den Purin-Pyrimidin-Schritt.
- Der Abstand zwischen jedem Nukleotid beträgt 7,4 Å.
- Z-DNA besitzt eine mehr oder weniger flache große Rille.
- Die kleine Rille in Z-DNA ist schmal und tief.
- Z-DNA hat einen soliden Kern in der Mitte.
- Die Zuckerkrümmung ist für Pyrimidine C2′-endo und für Purine C3′-endo.
- Die Konformation der Glykosidbindung ist für Pyrimidine anti und für Purine syn.
Eine Vergleichstabelle der strukturellen Merkmale von A-DNA, B-DNA und Z-DNA:
| Merkmal | A-DNA | B-DNA | Z-DNA |
|---|---|---|---|
| Helixumdrehung | Recht | Recht | Links |
| Heliksdurchmesser | 26 Å | 20 Å | 18 Å |
| Höhe der Helixumdrehung (Helikaler Hub) | 28,6 Å | 34 Å | 44 Å |
| Anzahl der Basenpaare pro Helixumdrehung | 11,6 | 10 | 12 (6 Dimere) |
| Helikale Verdrehung pro Basenpaar | 31° | 36° | 9° (Pyrimidin-Purin) oder 51° (Purin-Pyrimidin) |
| Abstand zwischen jedem Basenpaar (Helikaler Anstieg pro Basenpaar) | 2,9 Å | 3,4 Å | 7,4 Å |
| Neigung der Basen gegenüber der normalen Helixachse | 20° | 6° | 7° |
| Große Rinne | Schmal und tief | Breit und tief | Flach |
| Kleine Rinne | Breit und flach | Schmal und tief | Schmal und tief |
| Zuckerkrümmung | C3′-endo | C2′-endo | C2′-endo (Pyrimidin) und C3′-endo (Purin) |
| Glykosidbindungskonformation | Anti | Anti | Anti (Pyrimidin) und Syn (Purin) |
