Struktur und Funktion von Nukleotiden, DNA und RNA

TMA 10: Struktur der Nukleotide und Nukleinsäuren

Struktur der Nukleotide

Ein Nukleotid ist eine monomere Verbindung, die aus drei Komponenten besteht:

• Einer stickstoffhaltigen Base (Purin oder Pyrimidin).
• Einem Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen (Pentose): Ribose (in RNA) oder Desoxyribose (in DNA).
• Einer oder mehreren Phosphorsäuregruppen (Phosphorsäure: H3PO4).

Die Verknüpfung zwischen der Base und dem Zucker erfolgt über eine N-glykosidische Bindung zwischen dem N1-Atom der Base und dem C1-Atom der Pentose.

Stickstoffhaltige Basen

Die Basen sind aromatische, heterozyklische Verbindungen. Sie werden in zwei Hauptgruppen unterteilt:

• Purinbasen: Adenin (A) und Guanin (G). Beide sind Bestandteile von DNA und RNA.
• Pyrimidinbasen: Thymin (T), Cytosin (C) und Uracil (U).

In der DNA kommen Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin vor. In der RNA ersetzen Cytosin und Uracil Thymin.

Nukleoside und Nukleotide

Die Verbindung aus Pentose und stickstoffhaltiger Base wird als Nukleosid bezeichnet. Werden Phosphorsäuregruppen angehängt, entstehen Nukleotide:

• Monophosphate (z.B. AMP) mit einer Phosphatgruppe.
• Diphosphate (z.B. ADP) mit zwei Phosphatgruppen.
• Triphosphate (z.B. ATP) mit drei Phosphatgruppen.

Beispiele für Nukleoside sind Cytidin, Uridin, Adenosin, Guanosin, Thymidin und Inosin. Nukleotide entstehen, wenn Nukleoside durch Kinasen mit Phosphorsäuregruppen kombiniert werden und sind die grundlegenden Komponenten von DNA und RNA.

Struktur der Nukleinsäuren (DNA und RNA)

DNA-Struktur und Chargaff-Regeln

Die Struktur der DNA wurde maßgeblich durch die Arbeiten von Watson und Crick bestimmt, basierend auf Daten von Rosalind Franklin, Maurice Wilkins und Erwin Chargaff.

Chargaff-Regeln (1950)

Chargaff analysierte die Zusammensetzung der Basen in verschiedenen Organismen und stellte fest:

1. Der Anteil an Adenin (A) ist gleich dem Anteil an Thymin (T) (A = T; A/T = 1).
2. Der Anteil an Guanin (G) ist gleich dem Anteil an Cytosin (C) (G = C; G/C = 1).
3. Der Anteil der Purinbasen (A + G) ist gleich dem Anteil der Pyrimidinbasen (T + C) ((A + G) = (T + C); (A + G)/(T + C) = 1).

Die Verhältnisse (A+T) und (G+C) variieren je nach Spezies.

Röntgenbeugungsdaten

Röntgenbeugungsstudien an DNA-Fasern lieferten wichtige strukturelle Informationen:

• Die Purin- und Pyrimidinbasen sind gestapelt, mit einem Abstand von etwa 3,4 Å.
• Die Basen sind senkrecht zur Achse der Polynucleotidkette ausgerichtet.
• Der Durchmesser der Polynucleotidkette beträgt ca. 20 Å.
• Die Kette ist helikal um ihre Achse gewickelt.
• Eine vollständige helikale Windung umfasst 10 Basenpaare und erstreckt sich über 34 Å (Astbury, 1947; Wilkins et al., 1953; Franklin und Gosling, 1953).

Das Watson-Crick-Modell der DNA-Doppelhelix

Das Modell beschreibt die DNA als eine doppelte Helix (rechtsdrehend):

1. Die DNA ist doppelsträngig und rechtsdrehend gewickelt.
2. Die beiden Stränge sind antiparallel orientiert (einer läuft von 5' nach 3', der andere von 3' nach 5').
3. Die Basen sind im Inneren der Helix positioniert, senkrecht zur Achse, gestapelt in Abständen von 3,4 Å. Zehn Basen pro Windung ergeben eine vollständige Drehung von 360° über 34 Å.
4. Die Basen liegen in ihrer anti-Konformation vor.
5. Die Basenpaarung erfolgt spezifisch durch Wasserstoffbrückenbindungen: Adenin paart sich mit Thymin über zwei H-Brücken, Guanin paart sich mit Cytosin über drei H-Brücken.
6. Die Sequenz der Basen kann beliebig sein (keine Einschränkung).

Die beiden Stränge sind durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basen zusammengehalten, was die komplementäre Paarung ermöglicht.

Nukleosom

Das Nukleosom ist die grundlegende Organisationseinheit der DNA in Eukaryoten (Bestandteil des Chromatins). Es besteht aus einem Proteinkern, der ein Oktamer aus stark basischen, hochkonservierten Histonproteinen bildet.

Typen und Funktion der RNA

RNA (Ribonukleinsäure) unterscheidet sich von DNA durch die Pentose (Ribose statt Desoxyribose) und die Base Uracil statt Thymin. RNA ist typischerweise einzelsträngig.

1. Messenger-RNA (mRNA): Trägt eine exakte Kopie der genetischen Information von der DNA und enthält die Abfolge der Aminosäuren.
2. Transfer-RNA (tRNA): Verantwortlich für den Transport der spezifischen Aminosäuren zu den Ribosomen für den Einbau in Proteine während der Synthese.
3. Ribosomale RNA (rRNA): Bestandteil der ribosomalen Untereinheiten, zusammen mit Proteinen. Katalysiert die Peptidsynthese. Es gibt verschiedene Typen (z.B. 16S, 18S, 23S, 28S, 5S, 5.8S).
4. Nukleolare RNA (snRNA): Beteiligt an der Synthese der ribosomalen Proteine.

Proteinsynthese (Translation)

Initiation der Translation

Die Initiation der Translation beinhaltet die Zusammenstellung des Translationssystems:

• Prokaryoten: Die kleine (30S) und große (50S) ribosomale Untereinheit, die mRNA, die erste Aminoacyl-tRNA (fMet-tRNA), GTP und Initiationsfaktoren (IFs) versammeln sich. Die 16S-rRNA der 30S-Untereinheit erkennt die Shine-Dalgarno-Sequenz auf der mRNA (5–10 Basenpaare vor dem Startcodon AUG), um das Ribosom korrekt zu positionieren. Die fMet-tRNA bindet an die P-Stelle (Peptidyl-Stelle) durch Basenpaarung mit dem AUG-Startcodon. IF-3 verhindert die vorzeitige Bindung der großen Untereinheit. Nach Bindung der großen Untereinheit werden die IFs freigesetzt.
• Eukaryoten: Die Initiation beginnt mit der 40S-Untereinheit. IF-1 blockiert die A-Stelle, IF-3 blockiert die Verknüpfung der Untereinheiten. IF-2 bindet fMet-tRNA an die 40S-Untereinheit. Die 40S-Untereinheit scannt die mRNA, bis sie das AUG-Startcodon findet.

Das Ribosom besitzt drei Stellen: die A-Stelle (Aminoacyl-Stelle, Ankunft der nächsten tRNA), die P-Stelle (Peptidyl-Stelle, trägt die wachsende Polypeptidkette) und die E-Stelle (Exit-Stelle, Austritt der beladenen tRNA).

Elongation

Die Elongation ist der Prozess der schrittweisen Verlängerung der Polypeptidkette:

1. Codon-Erkennung: Eine neue Aminoacyl-tRNA bindet an die A-Stelle, vermittelt durch den Elongationsfaktor Tu (EF-Tu).
2. Peptidbindung: Die wachsende Polypeptidkette wird von der tRNA in der P-Stelle auf die Aminosäure der tRNA in der A-Stelle übertragen. Diese Reaktion wird durch das Ribozym Peptidyltransferase (Teil der 23S-rRNA der 50S-Untereinheit bei Prokaryoten) katalysiert.
3. Translokation: Das Ribosom bewegt sich drei Nukleotide (ein Codon) in 3'-Richtung auf der mRNA. Dies wird durch Elongationsfaktor G (EF-G) katalysiert. Die tRNA wandert von A nach P, und die entladene tRNA wandert von P nach E, um die E-Stelle zu verlassen.

Dieser Zyklus wiederholt sich, bis ein Stoppcodon erreicht wird.

Termination

Die Termination tritt ein, wenn eines der drei Stoppcodons (UAA, UAG oder UGA) in die A-Stelle gelangt. Diese Codons werden nicht von tRNAs erkannt, sondern von Release-Faktoren (RF):

• RF-1 erkennt UAA und UAG.
• RF-2 erkennt UAA und UGA.
• RF-3 katalysiert die Freisetzung von RF-1/RF-2 und die Hydrolyse der Esterbindung der Peptidyl-tRNA, was zur Freisetzung des synthetisierten Proteins führt.

Weitere genetische Konzepte

Plasmide

Plasmide (auch Vektoren genannt) sind ringförmige oder lineare DNA-Moleküle, die extrachromosomal sind und sich unabhängig vom bakteriellen Chromosom replizieren und transkribieren können. Sie sind typisch für Bakterien. Plasmide enthalten oft Gene, die der Bakterienzelle Vorteile verschaffen, wie z.B. Antibiotikaresistenzen. Einige Plasmide können sich in das bakterielle Chromosom integrieren und werden dann als Episomen bezeichnet. Sie sind wichtige Werkzeuge im Genetic Engineering.

Bakterielle Virulenz (Beispiel *Diplococcus pneumoniae*)

Bakterien des Stammes Diplococcus pneumoniae (PNU, Pneumokokken) können Krankheiten verursachen. Es gibt zwei Typen:

• Virulente Stämme (glatt, S): Produzieren eine Kapsel.
• Nicht-virulente Stämme (rau, R): Produzieren keine Kapsel.

Griffiths Experiment zeigte, dass lebende, nicht-virulente Bakterien lebende, virulente Bakterien produzieren konnten, wenn sie mit abgetöteten virulenten Bakterien gemischt wurden (Transformation).

Zusammenfassung der stickstoffhaltigen Basen

Stickstoffhaltige Basen sind zyklische organische Verbindungen, die Stickstoff enthalten. Sie sind essenziell für Nukleoside, Nukleotide und Nukleinsäuren.

Klassifizierung der Basen

• Isoaloxazínische Basen: Flavin (F).
• Purinbasen: Adenin (A) und Guanin (G).
• Pyrimidinbasen: Thymin (T), Cytosin (C) und Uracil (U).

Vorkommen:

• DNA: A, G, C, T
• RNA: A, G, C, U