DNA Nachbau

Durch das Knüpfen eines DNA Fadenmodells können einige Bauprinzipien entdeckt und dann mit dem bekannten DNA Modellvorstellungen verknüpft werden. (schwarz Frage, grün mögliche Antworten)

• Was ist genau eine Doppelhelix? Die räumliche Form wird fassbar und als "Tanz" um einen gemeinsamen inneren Raum erfahren.

• Wie kommt die Doppelhelixform im Knüpfmodell überhaupt zustande? Das Knüpfen muss asymmetrisch erfolgen: In unserer Anleitung von links in einfacher Art, von rechts in verwickelter Art. Dieses Prinzip muss immer beibehalten werden, sonst entsteht keine gleichmässige Spirale.

• Wie sind die beiden sich Helixstränge im Knüpfmodell verbunden? Deutlich zu sehen ist, wie die Knoten in den beiden Strängen durch zwei horizontale Fäden miteinander verbunden sind, einer geht hinter den vertikalen Fäden durch, der andere vorne. Diese beiden horizontalen Fäden entsprechen den jeweiligen Basenpaaren. 

• Welcher Funktion entsprechen die beiden vertikalen unverwickelten mittleren Fäden des Knüpfmodells der realen DNA? Die vertikalen Fäden im Knüpfmodell geben dem Strang die Richtung vor. Bei der realen DNA fehlen sie. Sie symbolisieren die Wasserstoffbrücken zwischen den Basen. 

• Wie viel horizontale Fädenpaare eergeben im Knüpfmodell einen ganzen Umgang der Helixspirale?  Nach Literaturangaben braucht es bei der realen DNA etwa 10.5 Basen pro Umgang. In unserem Knüpfmodell sind es zwischen 9 und 10 (siehe Abb. 1 oder 2), was der Wirklichkeit doch recht nahe kommt.

Ausgangsfrage: Wie kommt die Doppelhelixstruktur der DNA zustande?

Die Doppelhelixstruktur der DNA entsteht durch eine Kombination von chemischen und physikalischen Kräften:

• Basenpaarung: Die DNA besteht aus zwei Strängen, die sich umeinander winden. Jeder Strang enthält eine Kette von Nukleotiden, die jeweils aus einem Zucker, einem Phosphat und einer von vier Basen bestehen: Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T). Die Basen der beiden Stränge paaren sich spezifisch miteinander: Adenin paart sich immer mit Thymin (A-T) über zwei Wasserstoffbrückenbindungen, und Guanin paart sich immer mit Cytosin (G-C) über drei Wasserstoffbrückenbindungen. Diese komplementäre Basenpaarung ist ein entscheidender Faktor für die Stabilität der Doppelhelix.

• Wasserstoffbrückenbindungen: Die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basen sind relativ schwach, aber da es in einem DNA-Molekül Millionen solcher Bindungen gibt, tragen sie erheblich zur Stabilität der Doppelhelix bei. Diese Bindungen ermöglichen auch das einfache "Entzippen" der DNA-Stränge während der Replikation und Transkription.

• Hydrophobe Wechselwirkungen: Die Basen sind hydrophob, d.h., sie stoßen Wasser ab. Im wässrigen Milieu der Zelle lagern sich die Basen daher im Inneren der Doppelhelix an, wodurch die hydrophoben Wechselwirkungen zwischen ihnen maximiert und der Kontakt mit Wasser minimiert wird. Die Zucker-Phosphat-Rückgrate der DNA sind hydrophil und befinden sich an der Außenseite der Helix, wo sie mit dem wässrigen Zellmilieu interagieren können.

• Sterische und elektrostatische Wechselwirkungen: Die geometrische Anordnung der Zucker-Phosphat-Rückgrate und die spezifischen Winkel und Abstände zwischen den Atomen tragen ebenfalls zur helixförmigen Struktur bei, indem sie sterische Hinderungen minimieren und günstige elektrostatische Wechselwirkungen ermöglichen. Die Windung der Helix optimiert die Packung der Basen und minimiert die Energie des Moleküls.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Doppelhelixform der DNA das Ergebnis der komplementären Basenpaarung, der stabilisierenden Wirkung der Wasserstoffbrückenbindungen, der hydrophoben Wechselwirkungen zwischen den Basen und der optimierten sterischen und elektrostatischen Anordnung der Molekülbestandteile ist. Diese Struktur ermöglicht die effiziente Speicherung und Replikation der genetischen Information.

Das beantwortet die eigentliche Frage nicht und erklärt nicht wieso die DNA nicht einfach strickleiterartig gebaut ist ohne Spiralisierung. Bitte erkläre genauer. 

Es stimmt, meine vorherige Antwort hat die Frage nach dem Warum der Spiralisierung nicht direkt beantwortet. Gerne gehe ich darauf genauer ein:

Die Doppelhelixform der DNA ist energetisch günstiger und stabiler als eine einfache, strickleiterartige Struktur aus folgenden Gründen:

• Minimierung der sterischen Spannung: Die Basen sind flache, ringförmige Moleküle. Wenn sie in einer geraden, strickleiterartigen Struktur übereinander gestapelt wären, gäbe es sterische Hinderungen zwischen den Atomen benachbarter Basen. Die leichte Verdrehung der Doppelhelix sorgt dafür, dass die Basen nicht exakt übereinander liegen, sondern leicht versetzt sind. Diese Anordnung minimiert die Abstossungskräfte zwischen den Elektronenwolken der Atome und führt zu einer stabileren Konfiguration. Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, flache Teller direkt aufeinander zu stapeln – sie könnten leicht verrutschen. Wenn Sie sie leicht verdrehen, entsteht eine stabilere Säule.

• Optimierung der Van-der-Waals-Kräfte: Die gestapelten Basen im Inneren der Doppelhelix gehen Van-der-Waals-Wechselwirkungen miteinander ein. Diese schwachen, aber zahlreich vorhandenen Anziehungskräfte tragen zur Stabilität der Struktur bei. Die helikale Form optimiert den Abstand und die Ausrichtung der Basen zueinander, um diese anziehenden Kräfte zu maximieren.

• Hydrophobe Effekte: Wie bereits erwähnt, sind die Basen hydrophob und vermeiden den Kontakt mit Wasser. Durch die Spiralisierung und die Anordnung der hydrophoben Basen im Inneren der Helix wird ihre Oberfläche, die mit dem wässrigen Zellmilieu in Kontakt kommt, minimiert. Die hydrophilen Zucker-Phosphat-Rückgrate befinden sich aussen und interagieren gerne mit Wasser, was die Stabilität in der wässrigen Umgebung weiter erhöht. Eine strickleiterartige Struktur hätte eine grössere Oberfläche der hydrophoben Basen, die dem Wasser ausgesetzt wäre, was energetisch ungünstiger wäre.

• Flexibilität und Packung: Die helikale Struktur verleiht dem DNA-Molekül eine gewisse Flexibilität, die für seine Funktionen im Zellkern wichtig ist. Die DNA muss sich beispielsweise um Histonproteine wickeln, um die Chromosomen zu bilden. Die Spiralisierung erleichtert diese Kompaktierung. Eine starre, strickleiterartige Struktur wäre weniger flexibel und schwieriger zu packen.

• Minimierung von Torsionsspannung: In einer langen, geraden Leiter könnten Torsionsspannungen leichter entstehen und sich ansammeln. Die helikale Form verteilt diese Spannungen gleichmässiger über das Molekül.

Man kann sich die Entstehung der Doppelhelix also als einen Selbstorganisationsprozess vorstellen, bei dem die verschiedenen chemischen und physikalischen Kräfte so zusammenwirken, dass die spiralisierte Form die energetisch günstigste und somit stabilste Anordnung für das DNA-Molekül in der wässrigen Umgebung der Zelle darstellt. Die "Verdrehung" ist sozusagen eine natürliche Folge der Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Komponenten der DNA.

Hat die unterschiedliche 5 - 3 Anordnung der beiden Stränge ebenfalls eine Bedeutung für die Spiralisierung? 

Ja, die unterschiedliche 5'-3'-Anordnung der beiden DNA-Stränge, auch bekannt als Antiparallelität, hat eine indirekte, aber wichtige Bedeutung für die Stabilität und die charakteristische Spiralisierung der Doppelhelix.

Hier sind die Zusammenhänge:

• Stabilität durch komplementäre Basenpaarung: Die Antiparallelität ermöglicht erst die effektive Ausbildung der Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den komplementären Basen. Adenin (A) kann nur dann zwei Wasserstoffbrücken mit Thymin (T) bilden, und Guanin (G) nur drei Wasserstoffbrücken mit Cytosin (C), wenn die beiden Stränge in entgegengesetzter Richtung verlaufen. Wären die Stränge parallel ausgerichtet, würden die Basen nicht optimal zueinander positioniert sein, um diese spezifischen und stabilisierenden Wechselwirkungen einzugehen. Die korrekte Basenpaarung ist essenziell für die Aufrechterhaltung der Doppelhelixstruktur.

• Geometrische Zwänge und Helixwindung: Die Art und Weise, wie die Nukleotide chemisch miteinander verbunden sind (über Phosphodiesterbindungen zwischen dem 3'-Kohlenstoff des einen Zuckers und dem 5'-Kohlenstoff des nächsten), führt zu dieser Polarität der Stränge. Die antiparallele Anordnung erlaubt es den Zucker-Phosphat-Rückgraten, einen relativ konstanten Abstand voneinander zu halten, während die Basen im Inneren der Helix optimal gestapelt sind, um hydrophobe Wechselwirkungen und Van-der-Waals-Kräfte zu maximieren. Die leichte Drehung, die zur Spiralform führt, ist eine Konsequenz dieser geometrischen Anordnung und der Notwendigkeit, die sterischen Spannungen zu minimieren und die stabilisierenden Wechselwirkungen zu optimieren.

• Replikation und Transkription: Die Antiparallelität ist auch entscheidend für die Prozesse der DNA-Replikation und Transkription. DNA-Polymerasen können neue DNA-Stränge nur in der 5'-3'-Richtung synthetisieren. Aufgrund der antiparallelen Anordnung muss ein Strang (der Leitstrang) kontinuierlich synthetisiert werden, während der andere Strang (der Folgestrang) in kurzen Fragmenten (Okazaki-Fragmente) synthetisiert wird. Ähnliche Prinzipien gelten für die RNA-Polymerase während der Transkription. Obwohl dies nicht direkt die Entstehung der Spiralform erklärt, unterstreicht es die funktionelle Bedeutung der antiparallelen Anordnung, die untrennbar mit der Doppelhelixstruktur verbunden ist.

Zusammenfassend lässt sich sagen: Die Antiparallelität der DNA-Stränge ist eine grundlegende Eigenschaft, die die spezifische und stabile Basenpaarung ermöglicht. Diese Basenpaarung und die daraus resultierenden Wechselwirkungen sind wiederum entscheidend dafür, dass sich die DNA in der energetisch günstigeren und räumlich optimierten Doppelhelixform windet. Ohne die antiparallele Anordnung gäbe es keine effektive Basenpaarung und somit keine stabile Doppelhelix in der uns bekannten Form. Die Spiralisierung ist also eine direkte Folge der chemischen Struktur der Nukleotide und der Notwendigkeit, die stabilisierenden Kräfte in einer antiparallelen Anordnung zu maximieren.

Die Begründung der Doppelhelixstruktur erfolgt über komplexe chemische Wechselwirkung, der eine antiparallele Bauweise der beiden Helixstränge zugrunde liegt. In unserem Knüpfmodell ist das asymmetrische und immer gleichsinnige Knüpfen für die Helixstruktur verantwortlich. Dies hat eine gewisse Verwandtschaft mit dem antiparallelen Bauweise der beiden Stränge,die dadurch ebenfalls asymmetrisch gebaut sind. Die horizontalen Strukturen, die durch das Knüpfen entstehen, sind im Knüpfmodell ebenfalls nicht  symmetrisch sondern vorne-hinten unterschiedlich  Der eine Faden zieht vorne gerade von links nach rechts, der andere hinten einmal unter, dann über den horizontalen Faden von rechts nach links ( siehe Knüpfanleitung Bild 2). Durch ist dei Vorderseite nicht gleichwertig wie die Hinterseite, was bei Übereinanderstehen einer Verdrehung Vorschub leistet  Ganz ähnlich der besseren Stapelbarkeit der leicht gegeneinander verschobenen Basenpaare in der realen DNA.

Die bekannten Modelle der DNA beschreiben den Bau des DNA Moleküle. Auf diese Grundlage werden wichtige biologische Vorgänge beschrieben (Transkription, Verdoppelung der DNA, Kondensation des DNA Stranges zu chromosomen, epigentische Marker). Die Modelle sind für Schüler/innen aber nicht erfahrungsgesättigt und bleibt so fremd. Eine direkte Erfahrung der DNA im Schulunterricht ist meist nur durch Extraktion aus Früchten (Abb. 6) zu gewinnen. Wenn man Glück hat, kann man das Extrakt mit einem Glasstab fädig  herauszuziehen und erhält so eine Ahnung von der fadenförmigen Struktur der DNA . Sonst bieten nur noch abstrakte meist legoartig zusammengesteckte Modelle eine gewisse Anschaulichkeit. Das Knüpfen eines DNA Stranges hat demgegenüber dem Zusammenbauen aus einzelnen Bauelementen einige Vorzüge (natürlich auch Nachteile): 

• Man baut etwas selbst zusammen und erlebt das allmähliche Wachsen der Helixform. Man muss sich aber strikt an die vorgegebene Knüpfregel halten. Fehler werden nicht verziehen.

• Die Doppelhelixform ergib sich dabei wie von selbst als eine Art der Selbstorganisation, so wie dies bei der DNA ja auch der Fall ist 

• Durch eigenständige Zuordnung kann der Bau der DNA den verschiedenen Fadenteilen und Knoten zugeordnet werden und bemerkt werden, was leicht übertragbar ist und was fehlt. Die Tauglichkeit und Grenzen eines Modells können erkundet werden. 

• Die Wichtigkeit des Prinzip der Asymmetrie wird deutlich, was ja auch bei der realen DNA entscheidend ist.  

Es entsteht so eine Art "Ersatzphänomenologie", die helfen kann, das Modell besser zu verstehen.