Grundlagen der Nukleinsäuren: DNA, RNA, Nukleotide & ATP

Zusammensetzung und Funktion von Nukleinsäuren

Nukleinsäuren sind biologische Makromoleküle, die wichtige Funktionen in allen Lebewesen erfüllen. Diese Moleküle sind dafür verantwortlich, genetische Informationen zu speichern, zu übertragen und zum Ausdruck zu bringen. Es gibt zwei Arten von Nukleinsäuren: DNA (Desoxyribonukleinsäure) und RNA (Ribonukleinsäure).

Sie sind Makromoleküle, die aus Nukleotiden aufgebaut sind. Nukleotide wiederum bestehen aus der Verbindung folgender Komponenten:

• Einer stickstoffhaltigen Base
• Einem Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen (Pentose)
• Einem Phosphorsäure-Molekül

Bestandteile der Nukleotide

Die stickstoffhaltigen Basen

Die stickstoffhaltigen Basen sind heterozyklische Verbindungen aus Kohlenstoff und Stickstoff mit flachen Strukturen. Es gibt zwei Hauptgruppen:

• Purine (abgeleitet vom Purin-Grundgerüst): Adenin (A) und Guanin (G). Sie kommen sowohl in der DNA als auch in der RNA vor.
• Pyrimidine (abgeleitet vom Pyrimidin-Grundgerüst): Cytosin (C), Thymin (T, nur in DNA) und Uracil (U, nur in RNA).

Die Pentosen (Zucker)

Die Pentosen sind entweder Ribose (in RNA-Nukleotiden) oder Desoxyribose (in DNA-Nukleotiden).

Phosphorsäure

Die Phosphorsäure wird im Nukleotid in Form eines Phosphat-Ions gefunden.

Nukleoside: Aufbau und Nomenklatur

Nukleoside sind die Verbindung zwischen einer stickstoffhaltigen Base und einer Pentose. Sie entstehen durch eine N-glykosidische Bindung zwischen C1 der Pentose und einem Stickstoffatom der Base, wobei ein Wassermolekül abgespalten wird.

Die Benennung erfolgt durch die Endung -osin bei einer Purinbase (z. B. Adenosin) oder die Endung -idin bei einer Pyrimidinbase (z. B. Cytidin). Wenn die Pentose Desoxyribose ist, wird das Präfix Desoxy- verwendet (z. B. Desoxyadenosin oder Desoxycytidin).

Nukleotide: Struktur und Funktion

Nukleotide sind die Phosphatester der Nukleoside. Sie entstehen durch die Verknüpfung eines Nukleosids mit einem Phosphorsäure-Molekül in Form eines Phosphat-Ions. Die Esterbindung erfolgt zwischen der Hydroxylgruppe am Kohlenstoff C5 der Pentose und der Phosphorsäure.

Sie werden benannt, indem man die Endung des Nukleosids entfernt und die Fertigstellung -5-Phosphat hinzufügt.

Freie Nukleotide im Zellstoffwechsel

Freie Nukleotide sind in den Zellen vorhanden und am Stoffwechsel sowie dessen Regulation beteiligt. Sie dienen als Aktivatoren von Enzymen, liefern chemische Energie für zelluläre Reaktionen und fungieren als Coenzyme.

Adeninnukleotide: ATP, ADP und cAMP

ATP und ADP: Die Energieträger der Zelle

Die biologische Bedeutung von ADP (Adenosindiphosphat) und ATP (Adenosintriphosphat) liegt darin, dass ihre Phosphatgruppen durch energiereiche Bindungen verbunden sind. Diese gespeicherte Energie wird bei Hydrolyse leicht freigesetzt. Sie sind die wichtigsten Energieträger und dienen als „Energiewährung“ der Zelle.

Die bei exergonischen Reaktionen freigesetzte Energie wird genutzt, um ATP aus ADP und Phosphorsäure zu bilden. Im Gegensatz dazu wird die Energie für endergonische Reaktionen bereitgestellt, wenn ATP zu ADP und Phosphorsäure hydrolysiert wird.

Cyclisches AMP (cAMP) als Second Messenger

Cyclisches AMP ist ein Adenin-Nukleotid, das mit Phosphorsäure an den Kohlenstoffen C5 und C3 der Ribose verestert ist. Es wird in den Zellen aus ATP gebildet, in einer Reaktion, die durch das Enzym Adenylatcyclase in der Zellmembran katalysiert wird.

Adenylatcyclase wird aktiviert, wenn bestimmte Hormone (die ersten Boten) an spezifische Rezeptoren in der Plasmamembran binden. Die Bindung des Hormon-Rezeptor-Komplexes führt zur Entstehung von cAMP. Dieses Molekül aktiviert verschiedene Enzyme, die an Stoffwechselreaktionen beteiligt sind. Aufgrund seiner Entstehungsweise wird cAMP als „Second Messenger“ bezeichnet, da es Signale, die über das Blut und Hormone übertragen werden, innerhalb der Zelle weiterleitet und verstärkt.

Nukleotid-Coenzyme und ihre Rolle

Nukleotid-Coenzyme sind organische Moleküle, die an enzymkatalysierten Reaktionen als Elektronen-Carrier beteiligt sind. Sie sind chemisch vielfältig. Im Gegensatz zu Enzymen sind Coenzyme nicht spezifisch für ein einzelnes Substrat, sondern jede Coenzymgruppe ist an der gleichen Art von Reaktion beteiligt, unabhängig vom Substrat.

Wichtige Nukleotid-Coenzyme

Flavin-Nukleotide (FAD, FMN)

Sie bestehen aus der stickstoffhaltigen Base Flavin. Sie sind Coenzyme von Dehydrogenasen, Enzyme, die Oxidations-Reduktions-Reaktionen katalysieren, und können sowohl in oxidierter als auch in reduzierter Form vorliegen.

Pyridinnukleotide (NAD und NADP)

NAD und NADP sind ebenfalls Coenzyme von Dehydrogenasen. Sie können in oxidierter oder reduzierter Form gefunden werden und sind an verschiedenen Stoffwechselprozessen, wie der Zellatmung, beteiligt.

Coenzym A (CoA oder CoA-SH)

Wird abgekürzt als CoA oder CoA-SH (um die Bedeutung der Thiol-funktionellen Gruppe hervorzuheben). Es ist an enzymatischen Reaktionen im Zellstoffwechsel als Träger von Acylgruppen aus organischen Säuren beteiligt.

Desoxyribonukleinsäure (DNA)

DNA ist chemisch aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Phosphor zusammengesetzt. Ursprünglich als Nuklein bezeichnet, wurde später erkannt, dass es sich um eine Säure handelt, die Nukleinsäure. Nuklein ist Desoxyribonukleinsäure, die sich aus sich wiederholenden Untereinheiten, den Nukleotiden, zusammensetzt. DNA ist ein lineares Polymer aus Desoxyribonukleotiden, bestehend aus Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin.

Die DNA weist verschiedene strukturelle Komplexitäten auf: Sie besitzt primäre und sekundäre Strukturen, und durch Überstrukturierungen (Supercoiling) entsteht eine Tertiärstruktur.

Die Primärstruktur der DNA

Die Primärstruktur ist die Reihenfolge der Nukleotide, die durch Phosphodiesterbindungen verbunden sind. Diese Bindungen entstehen zwischen der Phosphatgruppe am Kohlenstoff C5 eines Nukleotids und der Hydroxylgruppe am Kohlenstoff C3 des folgenden Nukleotids.

Ein DNA-Strang hat zwei freie Enden: das 5'-Ende (mit der Phosphatgruppe) und das 3'-Ende (mit der Hydroxylgruppe). Nukleotidketten unterscheiden sich in Größe, Zusammensetzung und Basensequenz (der Reihenfolge von A, T, C und G). Die genetische Information der DNA trägt die notwendigen Anweisungen, um Aminosäuren in einer bestimmten Reihenfolge zu verknüpfen, welche die Primärstruktur eines Proteins bildet.

Die Sekundärstruktur: Die Doppelhelix

Die Sekundärstruktur basiert auf folgenden Beobachtungen:

• Die DNA ist ein langes, steifes und ungefaltetes Molekül.
• Das Molekül weist sich wiederholende strukturelle Details auf.
• Die Basenzusammensetzung variiert, aber bei derselben Art entspricht der Gehalt an Purinbasen dem Gehalt an Pyrimidinbasen (Chargaff-Regeln).

Das Watson-Crick-Modell

Watson und Crick schlugen ein Modell vor, das im Einklang mit den Daten stand und das Verständnis der DNA-Funktionsweise ermöglichte. Die DNA-Doppelhelix hat einen Durchmesser von 2 nm und besteht aus zwei Polynukleotidketten, die umeinander gewunden sind. Die stickstoffhaltigen Basen befinden sich im Inneren.

• Die Windung ist rechtsdrehend (rechtsgängig) und plectonemisch, d. h., die beiden Ketten müssen zum Trennen *entrollt* werden.
• Jedes Nukleotidpaar ist vom nächsten durch einen Abstand von 0,34 nm getrennt. Eine vollständige Windung der Doppelhelix besteht aus 10 Nukleotidpaaren.
• Die beiden Polynukleotidketten sind antiparallel (5' → 3' und 3' → 5' Orientierung) und komplementär zueinander.