Nukleinsäuren: DNA, RNA und ihre Strukturen einfach erklärt

Einführung in Nukleinsäuren

Nukleinsäuren sind saure Stoffe, die in der Natur vorkommen und ursprünglich im Zellkern (Nucleus) entdeckt wurden, da sie reich an Phosphor sind. Ihre Moleküle besitzen einen grundlegenden Charakter, wobei die stickstoffhaltigen Basen AGCTU entdeckt wurden. Man unterscheidet zwischen Purinbasen (A, G) und Pyrimidinbasen (C, T, U).

Zudem besitzen sie eine Pentose, die entweder aus Ribose oder Desoxyribose bestehen kann, jedoch niemals aus beiden gleichzeitig. RNA enthält niemals Thymin (T), sondern Uracil (U).

Nukleoside und Nukleotide

Fehlt einem Nukleotid die Phosphatgruppe, spricht man von einem Nukleosid. Ein Nukleosid ist die Verbindung aus Ribose oder Desoxyribose und einer Base über eine N-glykosidische Bindung. Beispiele hierfür sind Guanosin, Cytidin, Adenosin und Uridin.

Nukleotide bestehen aus einem Nukleosid und einer Phosphorsäure, die über eine Phosphoesterbindung verknüpft sind. Nukleinsäuren sind Polymere aus Nukleotiden und besitzen zwei Enden: das 5'-Ende und das 3'-Ende. Sie werden über Phosphodiesterbindungen synthetisiert.

Desoxyribonukleinsäure (DNA)

Auf genereller und struktureller Ebene besteht die DNA aus zwei Nukleotidketten, die eine Doppelhelix bilden. Sie wird vom 5'- zum 3'-Ende synthetisiert. In eukaryotischen Zellen befindet sich die DNA im Zellkern.

Im Kern ist die DNA mit basischen Proteinen (Histonen) sowie nicht-histonischen Proteinen verbunden. Diese Verbindung bildet die sogenannte Chromatinfaser. Bei Prokaryoten und Viren unterscheidet sich die DNA-Organisation: Prokaryoten besitzen ein Nucleoid ohne echte Kernhülle, während bei bestimmten Viren ebenfalls basische Proteine mit der DNA assoziiert sind.

Strukturebenen der DNA

Die DNA weist drei Strukturebenen auf:

Primärstruktur

Die Primärstruktur der DNA beschreibt die Nukleotidsequenz einer einzelnen Kette oder eines gefalteten Filaments. Die Kette kann durch Kombination von vier verschiedenen Nukleotiden (A, C, G, T) gebildet werden.

Sekundärstruktur

Die räumliche Struktur leitet sich aus der Doppelhelix ab. Physikalische Eigenschaften wie Dichte und Viskosität von DNA-Dispersionen zeigten, dass die Moleküle gesetzmäßig angeordnet sind. In der Sekundärstruktur befinden sich die Basen im Inneren der Moleküle, während die Pentosen durch Ionisation nach außen gerichtet sind.

Die Doppelhelix ist in ihrem natürlichen Zustand stabil. Beim Erhitzen auf 100 °C trennen sich die Stränge (Denaturierung). Kühlt man die DNA auf etwa 65 °C ab, verbinden sich die Stränge wieder (Renaturierung).

Tertiärstruktur

Die stark gewundene Faser bildet bei bestimmten Tierarten eine Superhelix ("Supercoiled DNA"), wodurch Moleküle verkürzt und der Prozess der DNA-Replikation vereinfacht wird.

Verpackungsstufen der DNA

• Erstes Niveau: Gebildet durch Partikel mit einem Durchmesser von 100 Å, die sogenannten Nukleosomen.
• Zweites Niveau: Entsteht durch die Aufwicklung der Faser auf sich selbst, wodurch kondensiertes Chromatin entsteht (ca. alle 6 Nukleosomen eine Windung).
• Drittes Niveau: Bildet eine Reihe von Schleifen ("Loops"), bei denen sich die Struktur über sich selbst legt.
• Höhere Niveaus: Hierdurch wird die Länge der Faser um das 35- bis 40-fache reduziert. Viele Autoren vermuten hierbei ein Protein-Gerüst ("Protein Scaffolding") zwischen den Chromosomen.

Ribonukleinsäure (RNA)

RNA-Nukleotide bestehen aus Ribose und den Basen A, G, C und U (niemals T), die über 5'-3'-Phosphodiesterbindungen verknüpft sind. RNA kommt in vielen Viren sowie in prokaryotischen und eukaryotischen Zellen vor. Man unterscheidet hauptsächlich zwischen tRNA, mRNA, rRNA und nukleolärer RNA.

Arten von RNA

Transfer-RNA (tRNA)

Die tRNA besteht aus 70 bis 90 Nukleotiden, kommt im Zytoplasma vor und transportiert spezifische Aminosäuren zu den Ribomen, wo Proteine synthetisiert werden. Sie sind einzelsträngig und besitzen in ihrer sekundären Kleeblattstruktur einen D-Arm, einen T-Arm sowie einen Anticodon-Arm und eine Aminosäuren-Akzeptorstelle. In der Tertiärstruktur hat sie eine L-Form.

Messenger-RNA (mRNA)

Die mRNA ist ein einzelsträngiger, linearer Strang. Ihre Funktion besteht darin, die genetische Information von der DNA zu den Ribomen zu transportieren, damit dort Proteine synthetisiert werden können. Sie enthält informative Segmente ("Exons") sowie nicht-informative Segmente ("Introns"), die durch einen Reifungsprozess im Zellkern herausgeschnitten werden.

Ribosomale RNA (rRNA)

Die rRNA ist Bestandteil der Ribosomen. Ihr Molekulargewicht wird üblicherweise in Svedberg-Einheiten (S) ausgedrückt.

Nukleoläre RNA

Die nukleoläre RNA baut den Nukleolus auf und stammt von verschiedenen DNA-Regionen ab, die als "nukleoläre Organisationsregion" bezeichnet werden.

Funktionen der Ribonukleinsäuren

• Übertragung der genetischen Information und Synthese von Enzymen an den Ribosomen.
• Übersetzung (Translation) der mRNA-Sequenz in eine Aminosäuresequenz unter Beteiligung von mRNA, rRNA und tRNA.
• Speicherung genetischer Informationen bei bestimmten Viren (z. B. beim Grippevirus), denen DNA fehlt.