Nukleinsäuren: DNA und RNA – Aufbau, Eigenschaften und Funktionen

Nukleinsäuren: DNA und RNA

Komponenten von Nukleinsäuren

Die Nukleinsäuren sind Polymere, die durch die Abfolge von Nukleotiden über Phosphodiesterbindungen gebildet werden. Eine teilweise Hydrolyse von Nukleotiden führt zu Orthophosphorsäure und einem Kern, der aus einer Aldopentose und einer stickstoffhaltigen Base besteht.

Pentosen

Die Pentosen sind β-D-Ribofuranose (in RNA) oder β-D-Desoxyribofuranose (in DNA).

Stickstoffbasen

Stickstoffbasen sind heterozyklische Verbindungen, die im Wesentlichen zwei Arten angehören:

• Pyrimidinbasen: Abgeleitet vom Pyrimidin sind dies Cytosin (C), Thymin (T) und Uracil (U).
• Purinbasen: Dies sind Adenin (A) und Guanin (G).

Nukleoside

Nukleoside bestehen aus einer stickstoffhaltigen Base und einer β-Aldopentose, die durch eine N-glykosidische Bindung zwischen C1 der Pentose und N1 der Pyrimidinbase oder N9 der Purinbase verbunden sind.

Nukleotide

Nukleotide sind Phosphorsäureester von Nukleosiden.

Wichtige Dinukleotide

• FAD und FADH₂: Bestehen aus Adenosinphosphat und Riboflavinphosphat.
• NAD⁺ und NADP⁺: Bestehen aus Adenosinphosphat und Pyrophosphat, verbunden durch eine Nicotinamid-Nukleotid-Bindung (5'-5').

Desoxyribonukleinsäure (DNA)

Die DNA ist ein Makromolekül, das durch die Polymerisation von Desoxyribonukleotiden (A, G, C und T) gebildet wird, die über Phosphodiesterbindungen (3'-5') miteinander verbunden sind. Sie kommt im Zellkern, in Mitochondrien und in Chloroplasten vor. Man unterscheidet drei strukturelle Ebenen: die primäre, sekundäre und tertiäre DNA-Struktur.

Primärstruktur

Die Primärstruktur beschreibt die Nukleotidsequenz eines Einzelstrangs, der ein Phosphodiester-Rückgrat und eine Abfolge von stickstoffhaltigen Basen aufweist.

Sekundärstruktur

Die Sekundärstruktur ist die räumliche Anordnung der beiden Polynucleotidketten in einer Doppelhelix, wobei die stickstoffhaltigen Basen einander zugewandt und über Wasserstoffbrückenbindungen verbunden sind.

Eigenschaften der DNA

• Die DNA-Lösung verhält sich wie eine starke Säure aufgrund der ionisierbaren Phosphatgruppen. Viele zweiwertige Kationen binden an die Oberfläche des Moleküls und an Kernproteine, was zur Stabilität des Moleküls beiträgt.
• Denaturierte DNA kann Wasserstoffbrücken und hydrophobe Wechselwirkungen aufbrechen, die die Basen verändern.
• Das Molekül besitzt die Fähigkeit zur Autoduplikation (Replikation). Aufgrund der Basenkomplementarität trennen sich die beiden Stränge und können als Vorlage für die Synthese eines neuen komplementären Strangs dienen.
• Die Basensequenz enthält die Erbinformation und kann diese zur Transkription übertragen.

Tertiärstruktur

Die großen DNA-Moleküle sind um Proteine gewickelt, wodurch Raum gespart und ihre Transkription reguliert wird. In Eukaryoten ist die DNA mit Histonen und anderen Nicht-Histon-Proteinen assoziiert, während sie in Prokaryoten und Viren mit basischen Proteinen verbunden ist.

Formen der DNA

Die DNA kann in verschiedenen Formen vorliegen: linear einzelsträngig, zirkulär einzelsträngig, linear doppelsträngig und zirkulär doppelsträngig.

Ribonukleinsäure (RNA)

RNA ist ein Makromolekül, das durch die Polymerisation von Ribonukleotiden (A, G, C und U) gebildet wird, die ebenfalls über 5'- und 3'-Bindungen miteinander verbunden sind. Im Gegensatz zur DNA tritt die RNA als einzelner Polynucleotidstrang auf, kann aber Bereiche mit Doppelhelix-Struktur aufweisen. RNA ist weniger stabil als DNA. Es gibt drei Haupttypen von RNA:

Messenger-RNA (mRNA)

Die mRNA ist ein einzelsträngiges Molekül, das im Zellkern synthetisiert wird. Ihre Funktion ist es, die genetische Botschaft von der DNA zu den Ribosomen zu übertragen. Sie hat eine kurze Lebensdauer, die bei Prokaryoten von Minuten bis Stunden bei Eukaryoten reicht.

Transfer-RNA (tRNA)

tRNA-Moleküle sind kleine, einzelsträngige RNA-Moleküle, die sich zu Schleifen falten, indem komplementäre Basenpaare Bindungen eingehen. Ihre Funktion ist es, aktivierte Aminosäuren aus dem Zytoplasma zu den Ribosomen zu transportieren und sie dort für die Proteinsynthese freizugeben, entsprechend der Sequenz auf der mRNA.

Ribosomale RNA (rRNA)

rRNA ist die am häufigsten vorkommende RNA-Art. Es gibt verschiedene Typen, die alle mit Proteinen assoziiert sind und makromolekulare Ribosomen bilden. In Ribosomen findet man verschiedene Kanäle, die jeweils eine bestimmte Größe haben, die auch zwischen prokaryotischen und eukaryotischen Zellen variiert, wobei letztere größer sind.

Die Rolle der Nukleinsäuren

• Speicherung genetischer Informationen
• Übermittlung genetischer Informationen