Nukleinsäuren: Aufbau und Struktur von DNA und RNA

Nukleinsäuren: Polymere aus Nukleotiden

Nukleinsäuren sind Polymere, die durch die Verbindung von Untereinheiten, den Nukleotiden, gebildet werden. Je nach Zusammensetzung sind zwei Arten von Nukleinsäuren bekannt: DNA (Desoxyribonukleinsäure) und RNA (Ribonukleinsäure).

Zusammensetzung der Nukleinsäuren

Sie bestehen aus einer stickstoffhaltigen Base, einer Pentose (Zucker) und Phosphorsäure.

Stickstoffbasen

Dies sind heterozyklische Verbindungen, die Stickstoff enthalten. Es gibt zwei Arten von Stickstoffbasen:

• Purin-Basen: Abkömmlinge des Purin-Rings. Die wichtigsten sind Adenin (A) und Guanin (G). Sie kommen in allen Nukleinsäuren vor.
• Pyrimidin-Basen: Abkömmlinge des Pyrimidinrings. Es gibt drei Arten: Cytosin (C), Thymin (T) und Uracil (U). Cytosin kommt sowohl in der DNA als auch in der RNA vor. Thymin ist eine spezifische DNA-Base und Uracil kommt nur in der RNA vor.

Pentose

Die Pentose erscheint in einer zyklischen Struktur mit einer intramolekularen Halbacetal-Bindung.

Phosphorsäure (H3PO4)

Die Phosphorsäure liegt meist als Phosphat-Ion (PO4³⁻) vor.

Chemische Bindungen

N-glykosidische Bindung

Die Verbindung zwischen einer Pentose und einer Stickstoffbase erfolgt durch eine N-glykosidische Bindung. Diese Bindung findet zwischen dem C1'-Atom der Pentose und der Position N1 bei Pyrimidinbasen bzw. der Position N9 bei Purin-Basen statt.

Phosphodiesterbindung

Nukleotide entstehen durch die Veresterung der Pentose eines Nukleosids mit Phosphorsäure, wobei ein Wassermolekül abgespalten wird. Die Bindung erfolgt zwischen einer Hydroxylgruppe der Pentose (im Allgemeinen an den Positionen 3' und 5') durch eine Phosphodiesterbindung mit der Phosphorsäure, die als Phosphat-Ion vorliegt.

Die DNA: Träger der Erbinformation

Die DNA ist der Träger der genetischen Information, die von Generation zu Generation übermittelt wird. Sie ist ein lineares Polymer aus Nukleotiden, die aus Desoxyribose als Pentose und den Stickstoffbasen Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G) und Cytosin (C) bestehen. Die DNA weist verschiedene Komplexitätsebenen auf:

Primärstruktur der DNA

Dies ist die Sequenz der einzelsträngigen Desoxyribonukleinsäure, bei der die Nukleotide durch Phosphodiesterbindungen miteinander verknüpft sind. Die Phosphodiesterbindung wird zwischen der Phosphatgruppe am C5'-Atom eines Nukleotids und der Hydroxylgruppe (-OH) am C3'-Atom des nächsten Nukleotids gebildet. Ein DNA-Strang besitzt zwei freie Enden: das 5'-Ende mit einer Phosphatgruppe und das 3'-Ende mit einer Hydroxylgruppe. Der Unterschied zwischen DNA-Ketten liegt in der Größe, Zusammensetzung und der Abfolge der Basen.

Sekundärstruktur der DNA

Diese Struktur wurde von Watson und Crick bestimmt. Basierend auf eigenen Daten und denen anderer Wissenschaftler stellten sie fest:

• Das DNA-Molekül ist lang und starr.
• Es besteht eine Äquivalenz der Basen: Für die gleiche Spezies ist die Menge der Purin-Basen gleich der Menge der Pyrimidin-Basen (A = T und C = G).

Das Watson-Crick-Modell

• Die DNA besteht aus zwei Polynukleotidketten, die eine Doppelhelix bilden. Die Stränge können nicht ohne Entwindung getrennt werden.
• Die Stickstoffbasen liegen im Inneren der Doppelhelix, ähnlich den Stufen einer Wendeltreppe. Das Geländer wird durch die Zucker-Phosphat-Ketten gebildet.
• Jede Umdrehung der Doppelhelix umfasst etwa 10 Nukleotidpaare. Die räumliche Beziehung führt zur Bildung einer großen und einer kleinen Furche.
• Die zwei Polynukleotidketten verlaufen antiparallel.
• Es besteht Komplementarität zwischen den Ketten, da die gegenüberliegenden Basen Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden.

Kondensationsebenen der DNA

Sowohl im Zytoplasma von Eukaryoten als auch bei Prokaryoten besteht die Aufgabe, große Mengen an DNA in einem kleinen Volumen zu speichern. Dazu bildet die DNA kondensierte Strukturen, deren Grad mit den Phasen des Zellzyklus variiert.

DNA bei Prokaryoten

In Bakterien, Prokaryoten sowie in Chloroplasten und Mitochondrien von Eukaryoten liegt die DNA meist als ringförmige Doppelhelix vor. Diese DNA ist mit einer geringen Anzahl an Proteinen assoziiert, welche die Struktur aufrechterhalten.

DNA bei Eukaryoten

Bei Eukaryoten ist das Problem komplexer, da etwa 1 Meter DNA in jede Zelle passen muss.

Bildung der 10-nm-Faser

Die negativ geladene DNA assoziiert mit basischen Proteinen (Histonen) zu Nukleosomen. Ein Nukleosom besteht aus acht Molekülen (vier verschiedene Histone) und einem Fragment der DNA-Doppelhelix. Zwischen den Nukleosomen liegt ein DNA-Strang (Linker-DNA). Diese Struktur wird als Perlenschnur-Modell bezeichnet.

Bildung der 30-nm-Faser

Die 10-nm-Faser wird weiter gewickelt, woraus eine komprimierte Form resultiert (Solenoid-Struktur).

Schleifen, Rosetten und Chromosomen

Die 30-nm-Faser ist in großen radialen Schleifen (Loops) gefaltet. Diese Strukturen verdichten sich zu Rosetten und Spiralen, was schließlich zur Bildung der Chromatiden der Chromosomen führt.

Denaturierung der DNA

Denaturierung ist der Verlust der Doppelhelix-Struktur. Sie wird durch Änderungen der Temperatur oder des pH-Werts verursacht:

• Wenn die Temperatur einen bestimmten Wert erreicht (Schmelzpunkt der DNA), trennen sich die zwei Stränge. Dieser Vorgang ist reversibel (Renaturierung), wenn die komplementären Stränge wieder zusammenfinden.
• Abrupte pH-Wert-Änderungen denaturieren die DNA ebenfalls. Eine Renaturierung erfolgt, wenn der pH-Wert wieder in den biologischen Bereich verschoben wird.
• Ist eine Renaturierung mit DNA eines anderen Organismus möglich, kann der Grad der Ähnlichkeit untersucht werden (Hybridisierung), was nur bei komplementären Basensequenzen geschieht.