Nukleinsäure

Nukleinsäuren und insbesondere die DNA sind wichtige Makromoleküle für den Fortbestand des Lebens. Die DNA trägt die Erbinformationen, welche von Eltern an ihre Kinder weitergegeben wird, und die die Anweisungen enthält, wie (und wann) jedes einzelne der vielen Proteine herzustellen ist, welche benötigt werden, um funktionsfähige Zellen, Gewebe und Organismen herzustellen und aufrecht zu erhalten.

Wie genau die DNA diese Informationen enthält und wie Zellen und Organismen diese umsetzen, ist komplex, faszinierend und geradezu überwältigend beeindruckend. Wir werden uns dies alles im Kapitel Molekularbiologie genauer anschauen. Hier werfen wir erstmal nur einen Blick auf Nukleinsäuren als Makromoleküle.

Nukleinsäuren sind Makromoleküle, die aus einzelnen Bausteinen, den Nukleotiden, bestehen. Sie kommen in der Natur in zwei Formen vor: Desoxyribonukleinsäure (DNA/DNS) und Ribonukleinsäure (RNA/RNS). Die DNA ist das Erbmaterial aller Lebewesen, von einzelligen Bakterien bis zu mehrzelligen Säugetieren wie du und ich. Einige Viren verwenden RNA statt DNA als ihre Erbsubstanz, aber sie können eigentlich nicht als Lebewesen bezeichnet werden (da sie sich nicht ohne Hilfe eines Wirtes vermehren können).

In Eukaryoten, wie Pflanzen und Tieren, befindet sich die DNA im Zellkern (Nukleus), einem spezialisierten, durch Membranen begrenzten Organell in der Zelle, sowie in bestimmten anderen Arten von Organellen (wie Mitochondrien und die Chloroplasten von Pflanzen). In Prokaryoten, wie Bakterien, ist die DNA nicht von Membranen umschlossen, befindet sich aber in einem bestimmten Bereich der Zelle, dem Nucleoid.

In Eukaryoten ist die DNA in der Regel aufgeteilt in eine Anzahl von sehr langen, linearen Stücken, den Chromosomen, während bei Prokaryoten, wie Bakterien, die Chromosomen viel kleiner und oft zirkulär (ringförmig) sind. Ein Chromosom kann Zehntausende von Genen enthalten, von dem jedes eine Anleitung für die Herstellung eines bestimmten, von der Zelle benötigten Produkts, zur Verfügung stellt.

Viele Gene codieren Proteine, das heißt, sie bestimmen die Aminosäure-Sequenz, die für die Bildung eines bestimmten Proteins benötigt wird. Bevor diese Information für die Proteinsynthese verwendet werden kann, muss jedoch zuerst eine RNA-Kopie (Transkript) dieses Gens erstellt werden. Diese Art der RNA wird Boten-RNA oder auch messenger RNA (mRNA) genannt, da sie als Bote zwischen der DNA und den Ribosomen dient. Ribosomen sind molekulare Maschinen, die mRNA-Sequenzen lesen und sie für die Herstellung von Proteinen verwenden. Diese Abfolge von DNA über RNA bis zum Protein wird als “zentrales Dogma” der Molekularbiologie bezeichnet.

Wichtig ist auch, dass nicht alle Gene ein Protein codieren. Einige Gene bestimmen zum Beispiel die ribosomale RNA (rRNA), ein Baustein von Ribosomen, oder die Transfer-RNA (tRNA), RNA-Moleküle mit einer Kleeblattstruktur, die Aminosäuren für die Proteinsysthese zu den Ribosomen transportieren. Wieder andere RNA-Moleküle, wie die winzige microRNA (miRNA), fungieren als Regulatoren anderer Gene, und ständig werden neue Arten von nicht-protein-codierender RNA entdeckt.

DNA und RNA sind Polymere (im Falle der DNA oft sehr lange Polymere) und bestehen aus Monomeren, den so genannten Nukleotiden. Verbinden sich diese Monomere, wird die entstehende Kette als Polynukleotid (poly- = "viele") bezeichnet.

Jedes Nukleotid besteht aus drei Teilen: einem stickstoffhaltigen Ring, der sogenannten Nukleinbase, einem Zucker mit fünf Kohlenstoffen und mindestens einem Phosphatrest. Das Zuckermolekül nimmt die zentrale Position im Nukleotid ein, die Nukleinbase ist an einen der Kohlenstoffe und der Phosphatrest (oder -reste) an einen anderen gebunden. Wir schauen uns die Teile des Nukleotids der Reihe nach an.

Die Nukleinbasen der Nukleotide sind organische (kohlenstoffhaltige) Moleküle, die aus stickstoffhaltigen Ringen bestehen.

Jedes Nukleotid der DNA enthält eine von vier möglichen Nukleinbasen: Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T). Adenin und Guanin sind Purine, das heißt, sie enthalten zwei zusammengesetzte Kohlenstoff-Stickstoff-Ringe. Cytosin und Thymin sind dagegen Pyrimidine und bestehen aus einem Kohlenstoff-Stickstoff-Ring. RNA-Nukleotide können auch die Basen Adenin, Guanin und Cytosin enthalten, aber anstelle von Thymin besitzen sie eine andere Pyrimidin-Base mit dem Namen Uracil (U). Wie in der Abbildung oben gezeigt, hat jede Base eine einzigartige Struktur und ihren eigenen Satz an funktionellen Gruppen, die an den Ring gebunden sind.

In der Molekularbiologie werden die Nukleinbasen oft nur durch einen Buchstaben dargestellt. A, T, G, C und U. Die DNA enthält A, T, G und C, während die RNA A, U, G und C enthält (d.h. U wird gegen T ausgetauscht).

Zusätzlich zu den leicht unterschiedlichen Basen besitzen DNA- und RNA-Nukleotide auch leicht unterschiedliche Zucker. Der 5-Kohlenstoff-Zucker der DNA wird Desoxyribose genannt, während der Zucker der RNA Ribose heißt. Diese beiden sind sich im Aufbau sehr ähnlich, mit nur einem Unterschied: Der zweite Kohlenstoff hat in der Ribose eine Hydroxylgruppe und in der Desoxyribose einen Wasserstoff gebunden. Die Kohlenstoffatome der Zuckermoleküle eines Nukleotids werden durchnummeriert als 1', 2', 3', 4' und 5' (1' wird gelesen als "1 Strich"), wie in der Abbildung oben zu sehen ist. In einem Nukleotid befindet sich der Zucker in der Mitte, die Base ist am 1'-Kohlenstoff und der Phosphatrest (oder -reste) am 5'-Kohlenstoff gebunden.

Nukleotide können einen einzelnen Phosphatrest oder eine Kette von bis zu drei Phosphatresten am 5'-Kohlenstoff des Zuckers gebunden haben. Einige Quellen in der Chemie verwenden den Ausdruck "Nukleotid" nur für Moleküle mit einem Phosphatrest, aber in der Molekularbiologie ist die weiter gefasste Definition jedoch allgemein anerkannt.${}^1$‍

Ein Nukleotid in einer Zelle, das dem Ende einer Polynukleotid-Kette hinzugefügt werden soll, trägt drei aneinandergereihte Phosphatreste. Wenn es an den wachsenden DNA- oder RNA-Strang gebunden wird, verliert es zwei Phosphatreste. In einem DNA- oder RNA-Strang besitzt jedes Nukleotid also nur einen Phosphatrest.

Eine Folge des Aufbaus von Nukleotiden ist, dass eine Polynukleotid-Kette eine Direktionalität besitzt – das heißt, sie hat zwei Enden, die sich voneinander unterscheiden. Am 5’-Ende oder dem Anfang der Kette ragt der 5'-Phosphatrest des ersten Nukleotids der Kette heraus. Am anderen Ende, dem 3’-Ende, liegt die 3'-Hydroxylgruppe des letzten der Kette hinzugefügten Nukleotids frei. DNA-Sequenzen werden in der Regel in 5'-3'-Richtung geschrieben, was bedeutet, dass zuerst das Nukleotid am 5'-Ende kommt und als letztes das Nukleotid am 3'-Ende.

Wenn neue Nukleotide einem DNA- oder RNA-Strang hinzugefügt werden, wächst der Strang an seinem 3'-Ende, wobei der 5'-Phosphatrest eines ankommenden Nukleotids sich an die Hydroxylgruppe des 3'-Endes der Kette bindet. Dadurch entsteht eine Kette, bei der jeder Zucker mit seinem Nachbarn durch eine Reihe von Bindungen verbunden ist, die Phosphodiester-Bindung genannt wird.

Die Ketten der Desoxyribonukleinsäure oder DNA liegen in der Regel in einer Doppelhelix vor, einer Struktur, in der zwei passende (komplementäre) Ketten aneinander liegen, wie in der Abbildung links dargestellt. Die Zucker und Phosphate befinden sich an der Außenseite der Helix und bilden das Rückgrat der DNA; dieser Anteil des Moleküls wird auch als Zucker-Phosphat-Rückgrat bezeichnet. Die Nukleinbasen erstrecken sich paarweise in den Innenraum, wie Stufen einer Treppe; die Basen eines Paares sind durch Wasserstoffbrückenbindungen miteinander verbunden.

Die zwei Stränge der Helix verlaufen in entgegengesetzte Richtungen, was bedeutet, dass das 5'-Ende eines Stranges mit dem 3'-Ende des komplementären Strangs gepaart ist. (Dies nennt man antiparallele Orientierung und ist wichtig für das Kopieren der DNA.)

Kann jede beliebige Base beschließen, sich mit einer anderen zu verbinden und ein Paar in der Doppelhelix zu bilden? Die Antwort ist ein klares Nein. Aufgrund der Größe und der funktionellen Gruppen der Basen, ist die Basenpaarung hochspezifisch: A kann nur an T binden und G nur an C (siehe Abbildung unten). Das bedeutet, dass die zwei Stränge der DNA-Doppelhelix eine sehr vorhersehbare Beziehung zueinander haben.

Wenn du zum Beispiel weißt, dass die Sequenz eines Stranges 5’-AATTGGCC-3’ ist, muss der komplementäre Strang die Sequenz 3’-TTAACCGG-5’ haben. Dies ermöglicht jeder Base, sich mit ihrem Partner zu verbinden:

Wenn zwei DNA-Sequenzen auf diese Weise zusammenpassen, dass sie in einer antiparellelen Art aneinanderliegen und eine Helix bilden, werden sie komplementär bezeichnet.

Ribonukleinsäure (RNA) ist im Gegensatz zur DNA in der Regel einzelsträngig. Ein Nukleotid in einer RNA-Kette enthält Ribose (5-Kohlenstoff-Zucker), eine der vier Nukleinbasen (A, U, G oder C) und einen Phosphatrest. Wir schauen uns die vier Haupttypen der RNA an: Boten-RNA oder auch messenger RNA (mRNA), ribosomale RNA (rRNA), Transfer-RNA (tRNA) und regulatorische RNAs.

Messenger RNA (mRNA) ist ein Zwischenprodukt zwischen einem Protein-codierenden Gen und seinem Protein-Produkt. Wenn eine Zelle ein bestimmtes Protein herstellen muss, wird das Gen, das für dieses Protein codiert "angeschaltet". Dies bedeutet, dass ein RNA-polymerisierendes Enzyme erscheint und eine RNA-Kopie der DNA-Sequenz (Transkript) anlegt. Das Transkript trägt die gleichen Informationen wie die DNA-Sequenz seines Gens. Das RNA-Molekül besitzt jedoch die Base U anstelle von T. Wenn der codierende DNA-Strang zum Beispiel die Sequenz 5’-AATTGCGC-3’ hat, lautet die Sequenz der korrespondierenden RNA 5’-AAUUGCGC-3’.

Sobald die mRNA hergestellt wurde, verbindet sie sich mit einem Ribosom, einer molekularen Maschine, die auf den Zusammenbau von Proteinen aus Aminosäuren spezialisiert ist. Das Ribosom nutzt die Information der mRNA, um ein Protein mit einer spezifischen Sequenz herzustellen. Dabei "liest" es die RNA-Nukleotide in Dreiergruppen (genannt Codons) aus und fügt eine bestimmte Aminosäure für jedes Codon hinzu.

Ribosomale RNA (rRNA) ist ein Hauptbestandteil von Ribosomen, wo sie dabei hilft, die mRNA an der richtigen Stelle zu binden, sodass ihre Sequenz abgelesen werden kann. Einige rRNA-Moleküle fungieren auch als Enzyme, indem sie dabei helfen, chemische Reaktionen zu beschleunigen (katalysieren) – in diesem Fall die Bildung von Bindungen zwischen Aminosäuren, um ein Protein herzustellen. RNA-Moleküle, die als Enzym fungieren, werden Ribozyme genannt.

Transfer-RNA (tRNA) ist auch an der Proteinsynthese beteiligt. Ihre Aufgabe ist es, als Träger zu fungieren und die Aminosäuren zum Ribosom zu bringen. Dabei muss sie sicherstellen, dass die Aminosäure zur Kette hinzugefügt wird, die durch die mRNA vorgegeben ist. Transfer-RNA besteht aus einem RNA-Einzelstrang, der aber komplementäre Segmente besitzt, die aneinanderhaften und doppelsträngige Regionen bilden. Diese Basenpaarung schafft eine dreidimensionale Struktur, die wichtig für die Funktion der Moleküle ist.

Einige Arten nicht-codierender RNA (RNA, die nicht für Proteine codiert) unterstützen die Regulation der Genexpression. Solche RNA-Moleküle werden regulatorische RNA behannt. microRNA (miRNA) und small interfering RNA (siRNA) zum Bespiel sind kleine, regulatorische RNA-Moleküle mit einer Länge von etwa 22 Nukleotiden. Sie binden an bestimmte mRNA-Moleküle (mit teilweise oder vollständig komplementären Sequenzen) und verringern ihre Stabilität oder beeinträchtigen ihre Translation. So bieten sie für die Zelle eine Möglichkeit, die mRNA zu reduzieren oder sie zu optimieren.

Dies sind nur einige Beispiel für die vielen Arten von nicht-codierenden und regulatorischen RNA-Molekülen. Wissenschaftler entdecken immer noch neue Varianten nicht-codierender RNA.

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