Enzyme, DNA-Struktur und RNA: Grundlagen der Biochemie

Biokatalysatoren und Enzymreaktionen

Enzyme sind Biokatalysatoren, die chemische Reaktionen im Stoffwechsel beschleunigen. Sie wirken bei sehr niedrigen Konzentrationen und senken die Aktivierungsenergie der Reaktionen. Enzyme sind meist wasserlösliche, globuläre Proteine, die in wässrigen und in einigen Fällen auch in organischen Flüssigkeiten diffundieren können. Sie kommen intra- und extrazellulär vor (bei letzterem werden sie sezerniert) und sind chemischer Natur.

Aufbau: Apoenzym, Cofaktor und Holoenzym

Enzyme bestehen aus einem oder mehreren Polypeptidketten (Untereinheiten). Ein rein polypeptidischer Anteil wird als Apoenzym bezeichnet. Ergänzend können nicht-polypeptidische Bestandteile vorliegen:

• Prothetische Gruppen (permanent gebunden),
• Cofaktoren (temporär gebunden),
• Coenzyme (organische Moleküle) oder Metall-Kationen.

Das vollständig aktive Enzym inklusive seines Cofaktors heißt Holoenzym.

Allosterische Enzyme und Regulation

Allosterische Enzyme können mindestens zwei Konformationen einnehmen: eine aktive und eine inaktive Form. Neben dem aktiven Zentrum besitzen sie ein regulatorisches Bindungszentrum, an das spezifische Stoffe (Liganden) binden können. Die Bindung eines Liganden kann die Konformation des Enzyms verändern (allosterischer Übergang) und so seine Aktivität erhöhen oder hemmen. Solche Liganden werden als Effektor bezeichnet; man unterscheidet Aktivatoren und Inhibitoren.

Watson-Crick-Modell der DNA

Das Watson‑und‑Crick-Modell basiert auf experimentellen Daten und beschreibt die grundlegende Struktur der DNA. Wichtige Merkmale sind:

1. Die DNA bildet eine Doppelhelix mit einem Durchmesser von etwa 2 nm, bestehend aus zwei Polynukleotidketten, die um eine imaginäre Achse gewunden sind.
2. Die Stickstoffbasen liegen annähernd in Ebenen (propellerartig) und ihre Ringe stehen parallel zueinander, senkrecht zur Achse der Doppelhelix.
3. Die beiden Polynukleotidketten verlaufen antiparallel: das Ende der einen Kette hat die Richtung 5'→3', die andere 3'→5'.
4. Die Basenpaare sind komplementär: Adenin (A) paart mit Thymin (T) über zwei Wasserstoffbrücken, Cytosin (C) paart mit Guanin (G) über drei Wasserstoffbrücken. Die komplementäre Paarung erlaubt die exakte Kopie der Information.
5. Die Doppelhelix ist rechtsgängig und plectonemisch gewunden; zum Separieren der Stränge ist ein Aufwickeln bzw. Entwirren nötig.
6. Der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Basenpaaren beträgt etwa 0,34 nm; eine Helixrunde umfasst ca. 10 Basenpaare und hat damit eine Länge von etwa 3,4 nm.

Unterschiede zwischen DNA und RNA

Die zentralen Unterschiede liegen in Pentose, Basen und Struktur:

• Die Pentose der DNA ist Desoxyribose, die der RNA ist Ribose.
• RNA enthält Uracil (U) statt Thymin (T), das in der DNA vorkommt.
• DNA ist meist doppelsträngig (ausgenommen einige Einzelstrangviren), RNA ist überwiegend einzelsträngig, kann aber intra- oder intermolekulare Sekundärstrukturen bilden.
• In prokaryotischen Zellen sind die strukturellen Ebenen vergleichsweise einfach (primär- und sekundärstrukturelle Elemente), während eukaryotische DNA komplexe höhere Ordnungen zeigt (Nukleosomen, "Perlen-auf-einer-Schnur", Chromatinfasern, strukturelle Domänen, Rosettenkomplexe usw.).

Funktionen von DNA und RNA

• DNA: Speicherung der genetischen Information, Vorlage für Replikation und Transkription.
• RNA: vielfältige Funktionen je nach Typ (Informationstransfer, Struktur, Katalyse, Regulation).

Struktur und Rollen der RNA-Typen

Ribonukleotide bestehen aus Ribose und den Basen Guanin (G), Cytosin (C), Adenin (A) und Uracil (U). Sie sind durch 5'→3' Phosphodiesterbindungen verbunden. RNA ist in der Regel einzelsträngig, außer bei einigen Viren, die doppelsträngige RNA besitzen.

mRNA (Messenger-RNA)

Die mRNA überträgt die genetische Information vom Zellkern (bei Eukaryoten) in das Zytoplasma zur Proteinsynthese. Sie dient als Vorlage für die Translation am Ribosom.

rRNA (Ribosomale RNA)

Die rRNA ist ein Bestandteil der Ribosomen und trägt sowohl strukturell als auch katalytisch zur Proteinbiosynthese bei. Ribosomenbauten binden mRNA und Aminoacyl-tRNA und katalysieren die Peptidbindung.

tRNA (Transfer-RNA)

Die tRNA transportiert Aminosäuren aus dem Cytoplasma zu den Ribosomen während der Translation. Jede tRNA hat eine charakteristische Sekundär- und Tertiärstruktur mit folgenden Merkmalen:

• Ein freies 5'-Phosphat am 5'-Ende.
• Der 3'-Ende trägt die konservierte CCA-Sequenz, an die die Aminosäure kovalent gebunden wird.
• D-Schleife (D-Arm) und TΨC-Schleife (TYC-Arm) stabilisieren die Struktur.
• Die Anticodon-Schleife enthält das Anticodon, das komplementär zu einem mRNA-Codon ist und die Erkennung der passenden Aminosäure ermöglicht.

Jede tRNA wird von einer spezifischen Aminoacyl-tRNA-Synthetase mit der korrespondierenden Aminosäure beladen. Die Erkennung erfolgt in spezifischer Weise durch die Synthetasen; so entsteht für jedes Codon-Anticodon-Paar die passende Aminosäurezuordnung und damit die korrekte Einfügung in die wachsende Polypeptidkette während der Translation.

Hinweis: Die genannten Strukturen und Funktionen sind grundlegende Konzepte der Molekularbiologie und Biochemie und bilden die Basis für das Verständnis von Genexpression, Enzymregulation und molekularer Strukturbiologie.