Biochemische Grundlagen: Enzyme, Nukleinsäuren & Stoffwechsel

Feedback-Hemmung: Ein allosterischer Regulationsmechanismus

Die Feedback-Hemmung ist eine Form des allosterischen Effekts. Dabei kann der Endmetabolit eines Stoffwechselwegs als Inhibitor des ersten Enzyms dieses Weges wirken und so die eigene Bildung des Metaboliten verhindern. Dieser Effekt wird dadurch erreicht, dass der Endmetabolit-Inhibitor an einer spezifischen allosterischen Stelle des ersten Enzyms bindet.

Enzymklassifikation: Die sechs Hauptgruppen

• Oxidoreduktasen: Katalysieren Redox-Reaktionen (Elektronen-Verlust und -Gewinn).
• Transferasen: Katalysieren die Übertragung von funktionellen Gruppen oder Resten (außer Wasserstoff) von einem Substrat auf ein anderes.
• Hydrolasen: Katalysieren Hydrolysereaktionen, bei denen OH-Gruppen und H-Atome eingeführt werden. Beispiele: Carbohydrasen, Esterasen, Peptidasen, Nukleasen.
• Lyasen: Katalysieren die Spaltung oder Bildung von Bindungen ohne Beteiligung von Wasser.
• Isomerasen: Katalysieren die Umwandlung eines Isomers in ein anderes.
• Ligasen (Synthasen): Katalysieren die Verknüpfung von Molekülen oder das Anfügen einer funktionellen Gruppe an ein Molekül, wobei Energie aus ATP genutzt wird.

Nukleinsäuren: Die Bausteine des Lebens

Nukleinsäuren sind Moleküle, die in allen Organismen die Synthese von Proteinen leiten und kontrollieren. Sie liefern die Informationen, welche die Spezifität und biologischen Eigenschaften bestimmen. Diese Moleküle, die als Nukleinsäuren bezeichnet werden, enthalten die Anweisungen für lebensnotwendige Prozesse und sind für alle grundlegenden Funktionen von Lebewesen verantwortlich.

Boten-RNA (mRNA): Der Informationsträger

Die Boten-RNA (mRNA) ist dafür verantwortlich, eine Kopie eines DNA-Stücks zu den Ribosomen zu transportieren. Dort liefert sie die Information, um Aminosäuren in der richtigen Reihenfolge zu verknüpfen und ein spezifisches Protein zu bilden. mRNA-Ketten haben eine sehr kurze Lebensdauer, denn andernfalls würde die Proteinsynthese unbegrenzt fortgesetzt werden, was zu einer Überproduktion von Proteinen führen würde. Wird ein bestimmtes Protein benötigt, wird die entsprechende mRNA neu synthetisiert. mRNA macht zwischen 3 und 5% der gesamten zellulären RNA aus.

Ribosomale RNA (rRNA): Der strukturelle Katalysator

Die ribosomale RNA (rRNA) ist ein Bestandteil des Ribosoms und beteiligt sich am Bindungsprozess der Aminosäuren während der Proteinsynthese. Es ist ein nicht-informationsspezifisches Molekül, da es keine Informationen über die zu synthetisierende Proteinklasse enthält. Prokaryoten und Eukaryoten besitzen leicht unterschiedliche rRNA-Ketten. rRNA ist die häufigste RNA-Art und macht 80-85% der gesamten zellulären RNA aus.

Nukleotide: Bausteine der Nukleinsäuren und Energieträger

Nukleinsäuren sind Polymere, deren Grundbausteine Nukleotide genannt werden. Diese Nukleotide bestehen aus chemisch miteinander verbundenen, sehr heterogenen Stoffen, die stets in einer spezifischen Anordnung gebunden sind. Neben ihrer strukturellen Funktion können Nukleotide auch als Coenzyme und wichtige Zwischenprodukte im Energiestoffwechsel fungieren.

Nukleoside: Stickstoffbase und Pentose

Ein Nukleosid ist ein Molekül, das aus der Verknüpfung einer Stickstoffbase und einer Pentose besteht. Die Stickstoffbasen sind ringförmige Verbindungen mit Stickstoffatomen und besitzen einen basischen Charakter.

Stickstoffbasen: Purine und Pyrimidine

• Purinbasen: Derivate des Purin-Kerns. In Nukleinsäuren sind die häufigsten Purinbasen Adenin und Guanin.
• Pyrimidinbasen: Derivate des Pyrimidin-Kerns. Die häufigsten Pyrimidinbasen sind Cytosin, Thymin und Uracil.

Pentosen: Ribose und Desoxyribose

Die Pentosen sind Monosaccharide mit fünf Kohlenstoffatomen. Als Pentosen treten zwei mögliche Aldosen auf: Ribose und Desoxyribose.

Bei Purinbasen ist die Pentose über eine N-glykosidische Bindung zwischen Kohlenstoff 1 der Pentose und Stickstoff 9 der Base befestigt. Bei Pyrimidinbasen erfolgt die N-glykosidische Bindung zwischen Kohlenstoff 1 der Pentose und Stickstoff 1 der Base.

Nukleotide: Nukleosid und Phosphat

Nukleotide sind Verbindungen, die aus der Verknüpfung eines Nukleosids mit Phosphorsäuremolekülen entstehen. Diese Verknüpfung erfolgt durch Veresterung einer Hydroxylgruppe der Pentose, wodurch eine Esterbindung zwischen Pentose und Phosphorsäure gebildet wird. Ein Nukleotid kann 1, 2 oder 3 Phosphorsäuremoleküle am 5'-Kohlenstoff der Pentose gebunden haben. Die Benennung der Nukleotide bezieht sich auf die Anzahl der enthaltenen Phosphatgruppen. Je nach Pentose und Stickstoffbase werden sie als Desoxyribonukleotide und Ribonukleotide bezeichnet.

Transfer-RNA (tRNA): Der Aminosäure-Transporter

Die Transfer-RNA (tRNA) ist für den Transport von Aminosäuren aus dem Zytoplasma zu den Ribosomen verantwortlich, wo diese zur Proteinbildung verknüpft werden. Jedes tRNA-Molekül trägt eine spezifische Aminosäure. Die Spezifität wird durch eine Sequenz von drei Stickstoffbasen, das sogenannte Anticodon, bestimmt, welches je nach tRNA variiert. tRNAs sind kurze Ketten, die etwa 10% modifizierte Stickstoffbasen enthalten und eine charakteristische Sekundärstruktur aufweisen. tRNA-Moleküle besitzen eine sehr charakteristische Sekundärstruktur, in der sich doppelsträngige Bereiche erstrecken. Diese Bereiche werden als Arme bezeichnet; typischerweise gibt es vier pro Molekül, manchmal kann jedoch ein fünfter, kürzerer Arm auftreten. An den Enden von drei Armen befinden sich unpaare Regionen, die als Loops (Schleifen) bezeichnet werden.