Nukleotid

Nukleotid Definition

Ein Nukleotid ist ein organisches Molekül, das den Baustein von DNA und RNA darstellt. Sie haben auch Funktionen im Zusammenhang mit der Zellsignalisierung, dem Stoffwechsel und Enzymreaktionen. Ein Nukleotid besteht aus drei Teilen: einer Phosphatgruppe, einem 5-Kohlenstoff-Zucker und einer stickstoffhaltigen Base. Die vier stickstoffhaltigen Basen in der DNA sind Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin. Die RNA enthält Uracil anstelle von Thymin. Ein Nukleotid innerhalb einer Kette bildet das genetische Material aller bekannten Lebewesen. Sie haben auch eine Reihe von Funktionen außerhalb der genetischen Informationsspeicherung, als Botenstoffe und Energie transportierende Moleküle.

Eine Reihe von drei Nukleotiden innerhalb der DNS wird als Codon bezeichnet und weist die Proteine innerhalb der Zelle an, ein bestimmtes Protein an eine vom Rest der DNS vorgegebene Reihe anzuhängen. Spezielle Codons geben der Maschinerie sogar vor, wo der Prozess zu stoppen und zu starten ist. Die so genannte DNA-Übersetzung setzt die Informationen der DNA in die Sprache der Proteine um. Diese Kette von Aminosäuren kann dann richtig gefaltet werden und eine von vielen Funktionen innerhalb der Zelle erfüllen.

Nukleotidstruktur

Die Struktur der Nukleotide ist einfach, aber die Struktur, die sie zusammen bilden können, ist komplex. Unten sehen Sie eine Abbildung der DNA. Dieses Molekül besteht aus zwei Strängen, die sich umeinander wickeln und in der Mitte der Struktur Wasserstoffbrückenbindungen zur Unterstützung bilden. Jedes Nukleotid darin hat eine spezifische Struktur, die diese Bildung ermöglicht.

Stickstoffbase

Die Stickstoffbase ist der zentrale informationstragende Teil der Nukleotidstruktur. Diese Moleküle, die unterschiedlich exponierte funktionelle Gruppen aufweisen, haben unterschiedliche Fähigkeiten, miteinander zu interagieren. Wie in der Abbildung zu sehen ist, geht es bei der Anordnung um die maximale Anzahl von Wasserstoffbrücken zwischen den beteiligten Nukleotiden. Aufgrund der Struktur des Nukleotids kann nur ein bestimmtes Nukleotid mit einem anderen interagieren. Das Bild oben zeigt Thymin, das sich mit Adenin verbindet, und Guanin, das sich mit Cytosin verbindet. Dies ist die richtige und typische Anordnung.

Diese gleichmäßige Anordnung bewirkt eine Verdrehung der Struktur und ist glatt, wenn keine Fehler vorliegen. Eine der Möglichkeiten, wie Proteine beschädigte DNA reparieren können, besteht darin, dass sie an ungleichmäßige Stellen in der Struktur binden können. Unebene Stellen entstehen, wenn die Wasserstoffbrückenbindung zwischen den gegenüberliegenden Nukleotidmolekülen nicht gegeben ist. Das Protein schneidet dann ein Nukleotid heraus und ersetzt es durch ein anderes. Die doppelte Natur der genetischen Stränge sorgt dafür, dass Fehler wie dieser mit einem hohen Maß an Genauigkeit korrigiert werden können.

Zucker

Der zweite Teil des Nukleotids ist der Zucker. Unabhängig vom Nukleotid ist der Zucker immer derselbe. Der Unterschied besteht zwischen DNA und RNA. In der DNA ist der 5-Kohlenstoff-Zucker Desoxyribose, während in der RNA der 5-Kohlenstoff-Zucker Ribose ist. Daher haben die genetischen Moleküle ihre Namen; der vollständige Name der DNA ist Desoxyribonukleinsäure und der der RNA ist Ribonukleinsäure.

Der Zucker mit seinem freiliegenden Sauerstoff kann sich mit der Phosphatgruppe des nächsten Moleküls verbinden. Sie bilden dann eine Bindung, die zum Zucker-Phosphat-Rückgrat wird. Diese Struktur verleiht der Struktur Steifigkeit, da die kovalenten Bindungen, die sie bilden, viel stärker sind als die Wasserstoffbrücken zwischen den beiden Strängen. Wenn die Proteine die DNA verarbeiten und umsetzen, trennen sie die Stränge und lesen nur eine Seite ab. Wenn sie weitergegeben werden, kommen die Stränge des genetischen Materials wieder zusammen, angetrieben durch die Anziehungskraft zwischen den gegenüberliegenden Nukleotidbasen. Das Zucker-Phosphat-Grundgerüst bleibt die ganze Zeit verbunden.

Phosphatgruppe

Der letzte Teil der Nukleotidstruktur, die Phosphatgruppe, ist wahrscheinlich von einem anderen wichtigen Molekül, ATP, bekannt. Adenosintriphosphat, oder ATP, ist das Energiemolekül, auf das sich das meiste Leben auf der Erde verlässt, um Energie zu speichern und zwischen Reaktionen zu übertragen. ATP enthält drei Phosphatgruppen, die in ihren Bindungen eine Menge Energie speichern können. Im Gegensatz zu ATP werden die in einem Nukleotid gebildeten Bindungen als Phosphodiesterbindungen bezeichnet, da sie zwischen der Phosphatgruppe und dem Zuckermolekül stattfinden.

Bei der DNA-Replikation stellt ein Enzym, die DNA-Polymerase, die richtigen Nukleotidbasen zusammen und beginnt, sie an der Kette anzuordnen, die es gerade liest. Ein anderes Protein, die DNA-Ligase, beendet die Arbeit, indem es die Phosphodiesterbindung zwischen dem Zuckermolekül einer Base und der Phosphatgruppe der nächsten herstellt. So entsteht das Rückgrat eines neuen genetischen Moleküls, das an die nächste Generation weitergegeben werden kann. DNA und RNA enthalten alle genetischen Informationen, die für das Funktionieren der Zellen notwendig sind.

Nukleotid-Beispiele

Adenin

Adenin ist ein Purin, das zu einer von zwei Familien von Stickstoffbasen gehört. Purine haben eine doppelkettige Struktur. In der DNA verbindet sich Adenin mit Thymin. In der RNA verbindet sich Adenin mit Uracil. Adenosintriphosphat verwendet, wie bereits erwähnt, das Nukleotid Adenin als Base. Daran können drei Phosphatgruppen angehängt werden. Dadurch kann in den Bindungen sehr viel Energie gespeichert werden. Aus demselben Grund, aus dem das Zucker-Phosphat-Grundgerüst so stark ist, sind es auch die Bindungen im ATP. In Verbindung mit speziellen Enzymen, die sich gebildet haben, um die Energie freizusetzen, kann sie auf andere Reaktionen und Moleküle übertragen werden.

Guanin

Guanin ist wie Adenin ein Purin-Nukleotid; es hat einen Doppelring. Es ist sowohl in der DNA als auch in der RNA mit Cytosin verbunden. Wie in der obigen Abbildung zu sehen ist, bindet sich Guanin über drei Wasserstoffbrücken an Cytosin. Damit ist die Cytosin-Guanin-Bindung etwas stärker als die Thymin-Adenin-Bindung, die nur zwei Wasserstoffbrücken bildet.

Cytosin

Pyrimidine sind die andere Klasse von Nukleotiden. Cytosin ist ein Pyrimidin-Nukleotid; es hat nur einen Ring in seiner Struktur. Cytosin verbindet sich sowohl in der DNA als auch in der RNA mit Guanin. Durch die Bindung mit dem Nukleotid Guanin bilden die beiden ein starkes Paar.

Thymin

Wie das Nukleotid Cytosin ist auch Thymin ein Pyrimidin-Nukleotid und hat nur einen Ring. In der DNA ist es mit Adenin verbunden. Thymin kommt in der RNA nicht vor. In der DNA bildet es nur zwei Wasserstoffbrücken mit Adenin und ist damit das schwächere Paar.

Uracil

Uracil ist ebenfalls ein Pyrimidin. Bei der Transkription von der DNA zur RNA wird Uracil überall dort platziert, wo normalerweise ein Thymin sitzen würde. Der Grund dafür ist nicht ganz klar, aber Uracil hat einige deutliche Vor- und Nachteile. Die meisten Lebewesen verwenden Uracil in der DNA nicht, da es kurzlebig ist und zu Cytosin abgebaut werden kann. In der RNA ist Uracil jedoch das bevorzugte Nukleotid, da die RNA ebenfalls ein kurzlebiges Molekül ist.

Funktion der Nukleotide

Neben der Funktion als Grundeinheit des genetischen Materials aller Lebewesen kann ein Nukleotid auch andere Funktionen haben. Ein Nukleotid kann eine Base in einem anderen Molekül sein, wie z. B. Adenosintriphosphat (ATP), dem wichtigsten Energiemolekül der Zelle. Sie kommen auch in Coenzymen wie NAD und NADP vor, die von ADP abstammen; diese Moleküle werden in vielen chemischen Reaktionen verwendet, die im Stoffwechsel eine Rolle spielen. Ein weiteres Molekül, das ein Nukleotid enthält, ist das zyklische AMP (cAMP), ein Botenmolekül, das für viele Prozesse wichtig ist, darunter die Regulierung des Stoffwechsels und die Übermittlung chemischer Signale an die Zellen. Nukleotide sind nicht nur die Bausteine des Lebens, sondern bilden auch viele verschiedene Moleküle, die das Leben ermöglichen.

Quiz

1. Welches der folgenden Elemente ist nicht Teil der Nukleotidstruktur?
A. 5-Kohlenstoff-Zucker
B. Phosphatgruppe
C. Phospholipid

2. Welche ist die richtige Paarung?
A. A-G
B. C-G
C. T-U
D. U-C

3. Welches Nukleotid kommt in der DNA nicht vor?
A. Uracil
B. Thymin
C. Adenin