DNA und RNA: Aufbau, Funktionen und Typen der Nukleinsäuren

Grundlagen der Nukleinsäuren

Nukleosid und Nukleotid

Ein Nukleosid entsteht durch die Verbindung einer Pentose (Zucker) mit einer Nukleobase über eine N-glykosidische Bindung. Diese Verbindung findet zwischen dem C1-Kohlenstoff der Pentose und dem N1-Stickstoff (bei Pyrimidinbasen) oder dem N9-Stickstoff (bei Purinbasen) der Nukleobase statt, unter Abspaltung eines Wassermoleküls.

Ein Nukleotid ist ein Nukleosid, das zusätzlich eine oder mehrere Phosphatgruppen enthält. Die Verbindung zwischen dem C5-Kohlenstoff der Pentose und einer Phosphatgruppe erfolgt über eine Esterbindung.

Polynukleotid-Verknüpfung

Die Phosphodiesterbindung ist eine Veresterung, die zwischen der Phosphatgruppe am 5'-Kohlenstoff eines Nukleotids und der Hydroxylgruppe am 3'-Kohlenstoff eines anderen Nukleotids stattfindet. Diese Verknüpfung bildet die Kette eines Polynukleotids.

DNA (Desoxyribonukleinsäure)

Primärstruktur der DNA

• Die Primärsequenz der DNA verläuft von 5' nach 3'.
• Sie besitzt ein freies Phosphat am 5'-Ende und eine freie Hydroxylgruppe am 3'-Ende.
• Jeder DNA-Strang unterscheidet sich in Länge und Basensequenz.
• Ein Polynukleotid wird durch die Abfolge seiner Basen (z.B. ATCAGATCGTAAAT) charakterisiert.

Sekundärstruktur der DNA (Doppelhelix)

• DNA besteht aus zwei über die gesamte Länge miteinander verbundenen Polynukleotidketten.
• Die beiden Ketten sind antiparallel: Das 3'-Ende des einen Strangs liegt dem 5'-Ende des anderen Strangs gegenüber.
• Die beiden Ketten bilden eine Doppelhelix, die sich um eine imaginäre Achse windet.
• Die Stränge sind durch Wasserstoffbrückenbindungen (H-Brücken) zwischen den komplementären Stickstoffbasen verbunden:
  • Adenin bildet 2 H-Brücken mit Thymin.
  • Guanin bildet 3 H-Brücken mit Cytosin.
• Die beiden Stränge sind komplementär, aber nicht identisch.
• Die Stickstoffbasen befinden sich im Inneren der Doppelhelix, während das Pentose-Phosphat-Rückgrat außen liegt.
• Die Ebenen der Stickstoffbasen sind parallel zueinander und senkrecht zur Helixachse.
• Die Doppelhelix ist plektonemisch, d.h., die Stränge können nicht ohne Entwindung voneinander getrennt werden.
• Die Doppelhelix ist rechtsgängig.

Tertiärstruktur der DNA

Die Tertiärstruktur der DNA wird durch assoziierte Proteine organisiert (komplex und noch nicht vollständig verstanden). Die Doppelhelix-Struktur erfährt weitere Faltungen. Dies ist notwendig für:

• reduzierten Platzbedarf im Zellinneren.
• Regulierung der Genaktivität, die von der Faltung abhängt.

Das Endergebnis dieser Faltung ist Chromatin oder Chromosomen.

RNA (Ribonukleinsäure)

Aufbau der RNA

RNA ist ein unverzweigtes Polymer, gebildet aus Ribonukleotiden (Adenin, Guanin, Cytosin und Uracil), die über 5'->3' Phosphodiesterbindungen miteinander verknüpft sind.

• Adenin paart mit Uracil.
• RNA kann intramolekulare Doppelhelix-Strukturen bilden, wenn sich die Kette faltet. Dies führt zur Bildung von:
  • Schleifen (nicht-komplementäre Bereiche)
  • Haarnadelstrukturen (Bereiche komplementärer Basen, die Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden)

Rolle der RNA

RNA extrahiert Informationen aus der DNA und leitet die Proteinsynthese basierend auf der von der DNA kodierten genetischen Information.

Typen von RNA

Messenger-RNA (mRNA)

• Eine Kopie eines DNA-Abschnitts (ein Gen oder eine Gruppe von Genen), die von Ribosomen als Bauanleitung für die Proteinsynthese verwendet wird.
• Macht 3% bis 5% der gesamten zellulären RNA aus.

Ribosomale RNA (rRNA)

• Macht ca. 80% der zellulären RNA aus.
• Ist Bestandteil der Ribosomen und beteiligt sich an der Verknüpfung von Aminosäuren während der Proteinsynthese.

Transfer-RNA (tRNA)

• Transportiert Aminosäuren (AA) aus dem Zytoplasma zu den Ribosomen, wo diese zur Bildung von Proteinen verknüpft werden.

Nukleoläre RNA (snoRNA/snRNA)

• Bildet zusammen mit Proteinen den Nukleolus und ist an der Reifung von rRNA beteiligt.