Biochemie: Enzyme, Stoffwechsel und Nukleinsäuren (DNA/RNA)

Enzymregulation und Stoffwechselkontrolle

Enzyme wirken in der Zelle nicht immer mit der gleichen Intensität, um den Stoffwechsel anzukurbeln. Die Regulation erfolgt auf vielen Ebenen des Metabolismus: durch die Synthese und Modifizierung der Enzymstruktur sowie die Konzentration von Substraten [S] und Produkten [P]. Somit ist die Enzym-Hemmung ein wesentlicher Kontrollmechanismus des Zellmetabolismus.

Allosterische Enzyme und Feedback-Mechanismen

Ein wichtiges Beispiel sind allosterische Enzyme. Deren Geschwindigkeit hängt nicht nur vom Zusammenspiel mit der Substratkonzentration [S] ab, sondern auch von anderen Substanzen. Zusätzlich zu den aktiven Zentren besitzen sie allosterische Zentren, an denen regulatorische Moleküle binden, um das Enzym zu aktivieren oder zu inhibieren (Inhibitoren).

Typen der Stoffwechseleinstellung:

• Negative Rückkopplung (Feedback-Hemmung): Ein Endprodukt reguliert und hemmt die eigene Produktion.
• Positive Kontrolle: Das Produkt regt den Beginn des Stoffwechselweges an.

Grundlagen der Nukleinsäuren

Nukleinsäuren sind Substanzen, die im Kern eukaryotischer Zellen vorkommen. Sie fungieren als molekulare Vektoren für lebenswichtige Prozesse und enthalten die Anweisungen für deren Durchführung sowie die genetische Information. Durch Hydrolyse lassen sie sich in Einheiten unterteilen, die Nukleotide genannt werden. Diese bestehen aus drei Komponenten: Kohlenhydraten (Zucker), einer stickstoffhaltigen Base und Phosphorsäure.

Nukleinsäuren sind als Polynukleotide über 5'-3'-Bindungen miteinander verknüpft. Das Molekulargewicht dieser Polymere kann sehr hoch sein.

Unterschiede zwischen DNA und RNA

• Zucker und Basen: Die DNA enthält Desoxyribose und die Basen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin (ATGC). Die RNA enthält Ribose und Uracil statt Thymin (AUGC).
• Vorkommen: Die DNA bildet im Kern die eukaryotischen Chromosomen, während die RNA sowohl im Zellkern als auch im Zytoplasma vorkommt.
• Struktur: Die DNA besteht aus langen Doppelsträngen, während die RNA meist kürzer und einzelsträngig (monocatenar) ist.
• Funktion: Die DNA ist der Träger der genetischen Botschaft und dient der Speicherung der Erbinformation. Die RNA übernimmt die Übertragung der genetischen Information von der DNA zu den Ribosomen (Transkription) und übersetzt die Ribonukleotidsequenz in eine Aminosäuresequenz (Translation).

Struktur und Verpackung der DNA

In eukaryotischen Zellen ist die DNA mit Proteinen verbunden und bildet Nukleoproteine. Auch in Mitochondrien und Chloroplasten kommt DNA vor, dort jedoch ohne assoziierte Proteine. Wir unterscheiden drei Ebenen:

1. Primärstruktur: Die Nukleotidsequenz, die durch eine Phosphodiester-Kette in 5'-3'-Richtung gekoppelt ist. Sie bildet ein Skelett aus Phosphat und Desoxyribose mit den stickstoffhaltigen Basen.
2. Sekundärstruktur: Die räumliche Anordnung als Doppelhelix, bei der sich zwei Polydesoxiribonukleotid-Ketten gegenüberstehen. Die Basenpaarung erfolgt spezifisch (A-T und G-C) über Wasserstoffbrückenbindungen.

Denaturierung und Hybridisierung

Die Doppelhelix ist sehr stabil. Beim Erhitzen trennen sich die zwei Stränge voneinander (Denaturierung). Dieser Prozess ist reversibel. Eine wichtige Anwendung ist die Hybridisierung, bei der sich zwei DNA-Moleküle aufgrund ihrer Komplementarität verbinden.

Verpackungsstufen der DNA

• Prokaryoten: Bakterien-DNA (und mitochondriale DNA) besitzen eine tertiäre Struktur. Die Faser ist in sich selbst verdreht (Supercoiling), was die Länge des Moleküls reduziert und die Stabilität erhöht.
• Eukaryoten: Da die DNA-Moleküle sehr lang sind, müssen sie in das kleine Volumen des Zellkerns eingepasst werden. Dies geschieht durch die Bindung an basische Proteine (Histone), welche die Ladung der DNA neutralisieren.

Der Komplex aus DNA und Proteinen wird als Chromatin bezeichnet. Die erste Stufe ist das Nukleosom, das aus einem Histon-Oktamer besteht, das von der DNA-Kette umgeben ist. Während der Zellteilung verdichtet sich das Chromatin weiter, bis es die maximale Verpackungsstufe im Metaphase-Chromosom erreicht.

Arten und Funktionen der RNA

RNA-Moleküle sind Polymere aus Phosphoribonukleotiden. Sie besitzen eine Primärstruktur, können aber durch komplementäre Sequenzen auch Sekundärstrukturen ausbilden. Wichtige Typen sind:

• mRNA (Messenger-RNA): Überbringt die genetische Information.
• rRNA (Ribosomale RNA): Die häufigste Form. Sie bildet durch Bindung an verschiedene Proteine die Struktur der Ribosomen.
• tRNA (Transfer-RNA): Kleine Moleküle, die im Nukleolus entstehen. Sie besitzen eine charakteristische Sekundärstruktur und sind für den Transport von Aminosäuren zu den Ribosomen während der Proteinsynthese verantwortlich.