Die Entdeckung und Chemie der Nukleinsäuren

1. Die Entdeckungsgeschichte der Nukleinsäuren

Im Jahr 1871 isolierte der Biochemiker Friedrich Miescher einen Stoff aus den Kernen der weißen Blutkörperchen und nannte ihn Nuklein. Er stellte fest, dass dieser Stoff Phosphor enthielt und sein Hauptmerkmal war, dass er sauer reagierte. Im Jahr 1899 benannte der deutsche Chemiker Richard Altmann das Nuklein in Nukleinsäure um. Der deutsche Chemiker Robert Feulgen entdeckte 1914, dass die Nukleinsäure von Thymuszellen durch den Farbstoff Fuchsin angefärbt werden konnte. Die Verwendung dieses Farbstoffes führte zu der Entdeckung, dass die „Thymus-Nukleinsäure“ in den Kernen von pflanzlichen und tierischen Zellen vorkommt.

Im Frühjahr 1900 wurde festgestellt, dass in der Hefe eine Nukleinsäure mit anderen chemischen Eigenschaften als die der Thymus-Nukleinsäure existierte, die sogenannte „Hefe-Nukleinsäure“. Im Jahr 1920 stellten Albrecht Kossel und der Biochemiker Phoebus Levene fest, dass Nukleinsäuren chemische Verbindungen enthalten, die stickstoffhaltige Basen genannt werden. Levenes Arbeiten zeigten, dass die „Thymus-Nukleinsäure“ aus vier stickstoffhaltigen Basen besteht: Thymin (T), Cytosin (C), Adenin (A) und Guanin (G), sowie einer Pentose namens Desoxyribose und einer Phosphatgruppe.

Levene zeigte auch, dass sich die „Hefe-Nukleinsäure“ in zweierlei Hinsicht von der „Thymus-Nukleinsäure“ unterscheidet: Erstens besitzt sie kein Thymin, sondern Uracil (U), und zweitens ist die Pentose hier die Ribose. Anschließend wurde der Name der „Thymus-Nukleinsäure“ in Desoxyribonukleinsäure oder DNA geändert, während der Begriff „Hefe-Nukleinsäure“ in Ribonukleinsäure oder RNA geändert wurde.

2. Arbeiten zur Bestimmung des genetischen Materials

1928 untersuchte der Brite Frederick Griffith die Möglichkeit der Entwicklung von Impfstoffen gegen Bakterien, die Lungenentzündungen verursachen. Er arbeitete mit verschiedenen Stämmen dieses Bakteriums und stellte fest, dass einige pathogen (krankheitserregend) und andere harmlos waren. Griffith untersuchte die Möglichkeit, durch Hitze getötete pathogene Bakterien zu verwenden, um Tiere gegen Lungenentzündung zu immunisieren. In seinen Versuchen injizierte er Mäusen einerseits krankheitserregende Bakterien und andererseits harmlose sowie hitzegetötete Bakterien; diese Mäuse erkrankten nicht.

Nachdem jedoch einer weiteren Gruppe von Mäusen eine Mischung aus hitzegetöteten pathogenen Bakterien und lebenden harmlosen Bakterien injiziert wurde, war das Ergebnis, dass die Mäuse infiziert wurden und starben. Mögliche Erklärungen hierfür sind:

• Die erste ist, dass die pathogenen Bakterien nicht vollständig tot waren.
• Die zweite ist, dass etwas von den toten pathogenen Bakterien auf die lebenden harmlosen Bakterien übertragen wurde und diese in pathogene Bakterien umwandelte. Griffith nannte dies das Transformationsprinzip.

3. Die Chemie der Nukleinsäuren

Nukleinsäuren sind Stoffe, die aus grundlegenden strukturellen Einheiten, den sogenannten Nukleotiden, gebildet werden. Diese sind in langen Ketten miteinander verbunden.

Ein Nukleotid besteht aus drei Molekülen:

• Eine stickstoffhaltige Base: Dies sind ringförmige Moleküle, die unterteilt werden in:
  • Purine: bestehen aus zwei Ringen und werden von Adenin (A) und Guanin (G) gebildet.
  • Pyrimidine: haben einen Ring und werden von Cytosin (C), Thymin (T) und Uracil (U) gebildet.
  Die DNA besitzt die Basen A, G, C und T, während die RNA A, G, C und U enthält (die DNA hat T anstelle von U, und die RNA hat U anstelle von T).
• Eine Pentose: Dies ist ein Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen, von dem die Säuren ihren Namen haben. In der DNA ist dieser Zucker die Desoxyribose, in der RNA die Ribose.
• Eine Phosphatgruppe: Sie besteht aus Wasserstoff, Sauerstoff und Phosphor.

4. Beitrag von Franklin und Wilkins zur DNA

Nachdem die Bestandteile des DNA-Moleküls identifiziert waren, stellte sich eine neue Frage: Was ist die dreidimensionale chemische Struktur der DNA? Im Jahr 1953 nutzten Rosalind Franklin und Maurice Wilkins für ihre Untersuchungen eine Technik, die als Röntgenbeugung (X-ray diffraction) bekannt ist. Diese Technik wurde eingesetzt, um eine spezifische dreidimensionale Struktur des Moleküls vorzuschlagen. Das Muster der Röntgenbeugung erlaubte es Franklin und Wilkins vorzuschlagen, dass das DNA-Molekül eine Doppelhelix bildet, ähnlich einer Wendeltreppe.

5. Das DNA-Modell von Watson und Crick

Watson und Crick postulierten, dass die DNA aus zwei Ketten von Polynukleotiden besteht, die durch Wasserstoffbrücken zusammengehalten werden. Spätere Untersuchungen ergaben, dass Adenin über zwei Wasserstoffbrücken mit Thymin bindet und Cytosin mit Guanin über drei Wasserstoffbrücken verbunden ist. Die Polynukleotidketten, aus denen die DNA besteht, sind in einer dreidimensionalen Doppelhelix organisiert.

6. Was ist RNA und wie ist ihre Chemie?

Die RNA ist ein Einzelstrang aus Ribonukleinsäure, der sich im Kern befindet und in größerer Menge im Zytoplasma vorkommt. Ihre Aufgabe ist die Beteiligung an der Proteinsynthese.

Im Gegensatz zur DNA enthält die RNA als Pentose die Ribose statt der Desoxyribose und besitzt Uracil (U) anstelle von Thymin (T). In der RNA gilt die Chargaff-Regel normalerweise nicht, da die RNA aus einer einzigen Kette von Nukleotiden besteht und verschiedene Formen annehmen kann. Die RNA ist weitaus vielseitiger als die DNA in Bezug auf die Arten der dreidimensionalen Strukturen, die sie einnehmen kann.

7. RNA-Typen

• Messenger-RNA (mRNA): Überträgt die genetische Information in das Zytoplasma.
• Ribosomale RNA (rRNA): Befindet sich im Zytoplasma und ist ein wesentlicher Bestandteil der Ribosomen.
• Transfer-RNA (tRNA): Befindet sich im Zytoplasma und existiert in etwa 20 verschiedenen Arten.
• Kleine nukleäre RNA (snRNA): Bezeichnet eine Gruppe kleiner RNA-Moleküle, die im Zellkern gefunden werden.