Enzyme und Nukleinsäuren: Biochemische Grundlagen und Funktionen

Enzyme

Konzept

Enzyme sind in der Regel Proteine, die spezifisch bestimmte biochemische Reaktionen katalysieren, indem sie an das Substrat binden und es umwandeln.

Chemische Beschaffenheit

Enzyme sind nicht ausschließlich Proteine, sondern können auch in Verbindung mit anderen Molekülen auftreten, deren Natur für ihre Aktivität entscheidend ist. Solche Verbindungen werden als konjugierte Enzyme oder Holoenzyme bezeichnet. Die assoziierten Moleküle sind Kofaktoren, und der Proteinanteil des Enzyms ist das Apoenzym. Kofaktoren sind vielfältig und umfassen unter anderem:

1. Metallkationen wie Zn²⁺ oder Ca²⁺, die an das Apoenzym binden oder dessen Aktivierung regulieren.
2. Komplexe organische Moleküle: Diese werden als Koenzyme bezeichnet, wenn sie schwach an das Apoenzym gebunden sind. Wenn die Bindung an das Apoenzym stark und kovalent ist, spricht man von prosthetischen Gruppen. Ein Beispiel hierfür ist Häm.

Aktives Zentrum

Eine der wichtigsten Eigenschaften von Enzymen ist ihre Spezifität für die Reaktionen, die sie katalysieren. Diese Eigenschaft beruht auf der dreidimensionalen Konformation des Enzyms, insbesondere des aktiven Zentrums, das komplementär zum Substratmolekül ist, an das es bindet.

Wirkungsweise von Enzymen

Die Komplementarität der Enzym-Substrat-Bindung wird oft mit dem Schlüssel-Schloss-Prinzip verglichen. Es wird angenommen, dass die Bindung des Substrats eine Konformationsänderung im aktiven Zentrum des Enzyms auslöst, die letztendlich eine perfekte und stabile Verbindung zwischen Enzym und Substrat ermöglicht. Dieses Modell wird als induzierte-Passform-Modell (oder induced fit model) bezeichnet.

Enzyminhibition

Die Aktivität eines Enzyms kann durch verschiedene Mechanismen moduliert werden, sei es durch Hemmung oder Aktivierung. Enzymatische Reaktionen werden durch Moleküle oder zelluläre Komponenten reguliert, die reversibel oder irreversibel hemmen können.

• Reversible Inhibitoren: Diese binden sich vorübergehend an das Enzym. Kompetitive Inhibitoren haben eine ähnliche räumliche Struktur wie das Substrat und konkurrieren mit diesem um die Bindung an das aktive Zentrum des Enzyms.
• Irreversible Inhibitoren oder Gifte: Diese binden irreversibel an das aktive Zentrum des Enzyms und unterdrücken dessen Aktivität vollständig.
• Eine weitere Form der Hemmung ist die Allosterie. Hierbei binden verschiedene Moleküle spezifisch an das Enzym, was zu einer Konformationsänderung führt. Diese Änderung bewirkt die Umwandlung zwischen der inaktiven und der funktionell aktiven Form des Enzyms und umgekehrt. Beide Konformationen des Enzyms sind unterschiedlich und stabil. Diese Liganden binden an sogenannte regulatorische Zentren, die sich vom aktiven Zentrum unterscheiden.

Nukleinsäuren

Nukleoside

Nukleoside entstehen aus der Vereinigung einer Pentose und einer stickstoffhaltigen Base durch eine N-glykosidische Bindung zwischen C1' der Pentose und einem Stickstoffatom der Base, unter Verlust eines Wassermoleküls. Sie werden benannt, indem man an den Namen der Base die Endung -osin anhängt, wenn es sich um eine Purinbase handelt, oder -idin, wenn es sich um eine Pyrimidinbase handelt. Wenn die Pentose Desoxyribose ist, wird zusätzlich das Präfix Desoxy- hinzugefügt.

Nukleotide

Nukleotide sind die Phosphatester der Nukleoside. Sie entstehen durch die Verknüpfung eines Nukleosids mit einem Phosphorsäuremolekül in Form von Phosphat-Ionen, was der Verbindung einen stark sauren Charakter verleiht. Die Esterbindung erfolgt zwischen der Hydroxylgruppe am Kohlenstoff-5' der Pentose und der Phosphorsäure. Sie werden benannt, indem man an den Nukleosidnamen die Endung -5'-phosphat oder -monophosphat anhängt.

Das Watson-Crick-Modell der DNA

Die räumliche Struktur der DNA wurde 1953 von Watson und Crick entschlüsselt. Es war bereits bekannt, dass Nukleotide bekannter Größe und Struktur durch Phosphodiesterbindungen miteinander verbunden sind. Sie nutzten die Arbeiten von Chargaff, Franklin und Wilkins über den Gehalt an Stickstoffbasen und die Röntgenbeugung als Grundlage für die Entdeckung der DNA-Struktur. Ihre Erkenntnisse basierten auf folgenden Beobachtungen:

1. Das DNA-Molekül ist lang, steif und nicht gefaltet.
2. Im Molekül gibt es wiederholte strukturelle Details.
3. Die Zusammensetzung variiert, aber innerhalb derselben Art ist der Gehalt an Purinbasen gleich dem der Pyrimidinbasen (Chargaff-Regeln).

Watson und Crick schlugen ein Modell vor, das mit den vorhandenen Daten übereinstimmte und das Verständnis der Funktionsweise der DNA bei der Übertragung genetischer Informationen ermöglichte:

Die DNA-Doppelhelix hat einen Durchmesser von 2 nm und besteht aus zwei Polynucleotidketten, die sich um eine imaginäre Achse winden. Die stickstoffhaltigen Basen befinden sich im Inneren. Die Ebenen der Basenringe sind parallel zueinander und senkrecht zur Achse der Doppelhelix.

1. Die Wicklung ist rechtsgängig (im Uhrzeigersinn) und plektonemisch, d.h., die beiden Stränge müssen entrollt werden, um sie zu trennen.
2. Jedes Nukleotidpaar ist durch einen Abstand von 0,34 nm getrennt, und jede Windung der Doppelhelix besteht aus 10 Nukleotidpaaren, was einer Länge von 3,40 nm pro Windung entspricht.
3. Die beiden Polynucleotidketten sind antiparallel ausgerichtet, d.h., die 5'->3'-Verbindungen verlaufen in entgegengesetzte Richtungen. Sie sind komplementär, was bedeutet, dass es eine spezifische Basenpaarung zwischen den stickstoffhaltigen Basen gibt (A mit T, G mit C).

Biologische Bedeutung der DNA

Die DNA ist der Speicher der genetischen Information und das Molekül, das für die Übertragung der notwendigen Anweisungen zum Aufbau aller Proteine in einem Lebewesen auf die Nachkommen verantwortlich ist. Sie hat die Fähigkeit, Kopien von sich selbst durch einen Mechanismus namens Replikation zu erstellen, der auf der Komplementarität zwischen den stickstoffhaltigen Basen der beiden DNA-Stränge basiert.

Es gibt keinen direkten Zusammenhang zwischen der Komplexität eines Organismus und der Menge an DNA, die er enthält. Obwohl komplexere Organismen tendenziell mehr DNA benötigen, um eine größere Vielfalt an Proteinen zu kodieren, gibt es bemerkenswerte Unterschiede im DNA-Gehalt zwischen Viren, Bakterien, Hefen und mehrzelligen Lebewesen. Innerhalb derselben Gruppe, wie z.B. bei Wirbeltieren, können große Unterschiede im DNA-Gehalt bestehen, ohne dass dies signifikante Unterschiede in der Komplexität widerspiegelt (C-Wert-Paradoxon).

RNA (Ribonukleinsäure)

RNA wird durch die Verknüpfung von Ribonukleotiden (Adenin, Guanin, Cytosin und Uracil) über Phosphodiesterbindungen in 5'->3'-Richtung gebildet. Neben diesen vier Standardbasen können in vielen Fällen auch methylierte Derivate vorkommen. Die meisten RNAs sind einzelsträngig, mit Ausnahme einiger Viren, die doppelsträngige RNA besitzen. In einigen Bereichen eines einzelsträngigen RNA-Moleküls können sich Haarnadelstrukturen bilden, die eine Doppelhelix-Struktur aufweisen, resultierend aus der Bildung von Wasserstoffbrücken zwischen komplementären Basen. Diese Bereiche sind durch nicht-komplementäre Schleifen getrennt. In fast allen lebenden Organismen ist die Hauptfunktion der RNA die Proteinsynthese, basierend auf den direkt von der DNA erhaltenen Informationen.

Messenger-RNA (mRNA)

Die mRNA macht zwischen 2 % und 5 % der gesamten zellulären RNA aus. Ihre Aufgabe ist es, genetische Informationen von der DNA zu kopieren (Transkription) und diese zu den Ribosomen zu transportieren, den Organellen, in denen die Proteinsynthese stattfindet. In Eukaryoten ist die mRNA monocistronisch, d.h., sie kodiert für ein einziges Protein. In Prokaryoten kann jedes mRNA-Molekül polycistronisch sein, d.h., es kodiert für mehrere Proteine. mRNA hat eine kurze Lebensdauer, da sie schnell durch Ribonukleasen abgebaut wird.

Ribosomale RNA (rRNA)

Die rRNA macht bis zu 80 % der gesamten zellulären RNA aus. Sie wird auch als strukturelle RNA bezeichnet, da mehrere rRNA-Moleküle mit einer Reihe von ribosomalen Proteinen assoziiert sind und zusammen die Ribosomen bilden, die Organellen der Proteinsynthese.

Transfer-RNA (tRNA)

Die Funktion der tRNA ist der Transport von Aminosäuren zu den Ribosomen, wo sie zu Proteinen verknüpft werden. Eine tRNA besteht aus 70 bis 90 Nukleotiden. Einige Bereiche des Moleküls bilden doppelhelixartige Strukturen, während andere Bereiche, in denen keine Basenpaarung stattfindet, Schleifen bilden. Ein charakteristisches Merkmal der tRNA ist das Vorkommen von Nukleotiden mit modifizierten stickstoffhaltigen Basen. Es gibt etwa 50 verschiedene Arten von tRNA, die jedoch alle einige gemeinsame Merkmale aufweisen:

1. Am 5'-Ende befindet sich ein Triplett von Stickstoffbasen, das immer Guanin enthält, und es ist immer freie Phosphorsäure vorhanden.
2. Das 3'-Ende besteht aus drei ungepaarten Stickstoffbasen (CCA-Sequenz), da dies die Bindungsstelle für die Aminosäure ist, die zu den Ribosomen transportiert werden soll.
3. Im Anticodon-Arm befindet sich ein Triplett von Stickstoffbasen, das als Anticodon bezeichnet wird. Dieses ist spezifisch für jede tRNA, abhängig von der zu transportierenden Aminosäure, und ist komplementär zum entsprechenden Codon in der mRNA.

Nukleoläre RNA (snoRNA)

Nukleoläre RNAs sind mit verschiedenen Proteinen assoziiert und bilden den Nukleolus. Sie stammen im Zellkern aus verschiedenen DNA-Segmenten, die als nukleoläre Organisatorregionen bekannt sind. Nach ihrer Bildung werden sie prozessiert und geben Anlass zu verschiedenen Arten der ribosomalen RNA.