3.5: Nukleinsäuren

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DNA und RNA

Die beiden Haupttypen von Nukleinsäuren sind Desoxyribonukleinsäure (DNA) und Ribonukleinsäure (RNA). Die DNA ist das genetische Material aller lebenden Organismen, von einzelligen Bakterien bis hin zu mehrzelligen Säugetieren. Sie befindet sich im Zellkern von Eukaryonten und in den Organellen, Chloroplasten und Mitochondrien. Bei Prokaryonten ist die DNA nicht von einer membranösen Hülle umgeben.

Den gesamten genetischen Inhalt einer Zelle bezeichnet man als ihr Genom, und die Untersuchung der Genome ist die Genomik. In eukaryontischen Zellen, nicht aber in Prokaryonten, bildet die DNA einen Komplex mit Histonproteinen, um Chromatin zu bilden, die Substanz der eukaryontischen Chromosomen. Ein Chromosom kann Zehntausende von Genen enthalten. Viele Gene enthalten die Information zur Herstellung von Proteinen, andere Gene kodieren für RNA-Produkte. Die DNA steuert alle zellulären Aktivitäten, indem sie die Gene an- oder ausschaltet.

Die andere Art von Nukleinsäure, die RNA, ist hauptsächlich an der Proteinsynthese beteiligt. Die DNA-Moleküle verlassen den Zellkern nicht, sondern kommunizieren über ein Zwischenglied mit dem Rest der Zelle. Dieser Vermittler ist die Boten-RNA (mRNA). Andere RNA-Typen – wie rRNA, tRNA und microRNA – sind an der Proteinsynthese und ihrer Regulierung beteiligt.

DNA und RNA bestehen aus Monomeren, die als Nukleotide bezeichnet werden. Die Nukleotide verbinden sich miteinander und bilden ein Polynukleotid, die DNA oder RNA. Jedes Nukleotid besteht aus drei Komponenten: einer stickstoffhaltigen Base, einem Pentosezucker (mit fünf Kohlenstoffatomen) und einer Phosphatgruppe (Abbildung \(\PageIndex{1}\)). Jede stickstoffhaltige Base in einem Nukleotid ist an ein Zuckermolekül gebunden, das wiederum an eine oder mehrere Phosphatgruppen gebunden ist.

Die molekulare Struktur eines Nukleotids ist dargestellt. Der Kern des Nukleotids ist eine Pentose, deren Kohlenstoffreste von einer Primzahl bis zu fünf Primzahlen nummeriert sind. Die Base ist an das Kohlenstoffatom mit der ersten Primzahl und das Phosphat an das Kohlenstoffatom mit der fünften Primzahl gebunden. In Nukleotiden kommen zwei Arten von Pentose vor: Ribose und Desoxyribose. Desoxyribose hat ein H anstelle von OH an den beiden primären Positionen. Die Nukleotide enthalten fünf Arten von Basen. Zwei davon, Adenin und Guanin, sind Purinbasen mit zwei miteinander verschmolzenen Ringen. Die anderen drei, Cytosin, Thymin und Uracil, haben einen sechsgliedrigen Ring.
Abbildung \(\PageIndex{1}\): Ein Nukleotid besteht aus drei Komponenten: einer stickstoffhaltigen Base, einem Pentosezucker und einer oder mehreren Phosphatgruppen. Die Kohlenstoffreste in der Pentose sind mit 1′ bis 5′ nummeriert (die Primzahl unterscheidet diese Reste von denen in der Base, die ohne Primzahl nummeriert sind). Die Base ist an die 1′-Position der Ribose gebunden, das Phosphat an die 5′-Position. Bei der Bildung eines Polynukleotids bindet sich das 5′-Phosphat des eintreffenden Nukleotids an die 3′-Hydroxylgruppe am Ende der wachsenden Kette. In Nukleotiden kommen zwei Arten von Pentose vor: Desoxyribose (in der DNA) und Ribose (in der RNA). Die Desoxyribose ähnelt in ihrer Struktur der Ribose, hat aber an der 2′-Position ein H anstelle eines OHs. Basen lassen sich in zwei Kategorien unterteilen: Purine und Pyrimidine. Purine haben eine Doppelringstruktur, Pyrimidine einen Einzelring.

Die stickstoffhaltigen Basen, wichtige Bestandteile der Nukleotide, sind organische Moleküle und heißen so, weil sie Kohlenstoff und Stickstoff enthalten. Sie sind Basen, weil sie eine Aminogruppe enthalten, die die Möglichkeit hat, einen zusätzlichen Wasserstoff zu binden und so die Wasserstoffionenkonzentration in ihrer Umgebung zu verringern, wodurch sie basischer werden. Jedes Nukleotid in der DNA enthält eine von vier möglichen stickstoffhaltigen Basen: Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T).

Adenin und Guanin werden als Purine klassifiziert. Die Primärstruktur eines Purins besteht aus zwei Kohlenstoff-Stickstoff-Ringen. Cytosin, Thymin und Uracil werden als Pyrimidine klassifiziert, deren Primärstruktur aus einem einzigen Kohlenstoff-Stickstoff-Ring besteht (Abbildung \(\PageIndex{1}\)). An jeden dieser grundlegenden Kohlenstoff-Stickstoff-Ringe sind verschiedene funktionelle Gruppen gebunden. In der molekularbiologischen Kurzschrift sind die stickstoffhaltigen Basen einfach unter den Symbolen A, T, G, C und U bekannt. Die DNA enthält A, T, G und C, während die RNA A, U, G und C enthält.

Der Pentosezucker in der DNA ist die Desoxyribose, und in der RNA ist der Zucker die Ribose (Abbildung \(\PageIndex{1}\)). Der Unterschied zwischen den Zuckern ist das Vorhandensein einer Hydroxylgruppe am zweiten Kohlenstoff der Ribose und von Wasserstoff am zweiten Kohlenstoff der Desoxyribose. Die Kohlenstoffatome des Zuckermoleküls sind mit 1′, 2′, 3′, 4′ und 5′ nummeriert (1′ wird als „eine Primzahl“ gelesen). Der Phosphatrest ist an die Hydroxylgruppe des 5′-Kohlenstoffs eines Zuckers und an die Hydroxylgruppe des 3′-Kohlenstoffs des Zuckers des nächsten Nukleotids gebunden, wodurch eine 5′-3′-Phosphodiester-Bindung entsteht. Die Phosphodiester-Bindung wird nicht durch eine einfache Dehydratisierungsreaktion gebildet wie die anderen Bindungen, die Monomere in Makromolekülen verbinden: Ihre Bildung erfordert die Entfernung von zwei Phosphatgruppen. Ein Polynukleotid kann Tausende solcher Phosphodiesterbindungen aufweisen.