Lehrbuch der Biochemie: Biomoleküle: Nukleinsäuren

Nukleinsäuren

Strukturformel eines DNA-Ausschnittes

Der Ausdruck Nukleinsäuren ist die chemische Sammelbezeichnung für DNS (Desoxyribonukleinsäure) und RNS (Ribonukleinsäure). Im allgemeinen Sprachgebrauch und Laboralltag hat sich die englische Bezeichnung DNA (Desoxyribonucleic Acid) bzw. RNA durchgesetzt, die deshalb im Weiteren hier verwendet wird. Die DNA ist der Träger der Erbinformation, welche durch Purin- und Pyrimidinbasen codiert werden. Die Gesamtheit der genetischen Information (Genom) eines Organismus ist in seiner DNA enthalten und codiert die Gesamtheit der Proteine, die dieser Organismus für sein Überleben, sein Wachstum, seine Reproduktion, seine Regeneration und selbst für seinen Tod benötigt (Proteom). Die RNA hingegen ist an der Übertragung und Umsetzung der Informationen der DNA zu Proteinen beteiligt. Nukleinsäuren bestehen aus Nukleotid-Untereinheiten, die wiederum aus jeweils einer Nukleinbase, einer Phosphatgruppe und einer Pentose (Ribose bei RNA und Desoxyribose bei DNA) aufgebaut sind. Dabei funktionieren (Desoxy-)Ribose und Phosphat als das „Rückgrat“ der DNA, sie sind zu einer durchgehenden Kette verbunden. An jedes Glied dieser Kette ist eine von vier Nukleinbasen gebunden, die die eigentliche genetische Information darstellen. Beide Moleküle, DNA und RNA, haben eine Orientierung, bei der man die (Desoxy-)Ribose als Drehpunkt verstehen kann. In der Grafik kann man sehen, dass ein Strang im Vergleich zu dem anderen räumlich genau entgegengesetzt orientiert ist. Bei einem einzelnen Nukleotid ist immer der Phosphatrest an das C5 und die Base an das C1 des Zuckers gebunden. Bei der Verknüpfung eines Nukleotids mit dem nächsten im selben Strang werden immer das C3 (3') des einen mit dem C5 (5') des nächsten über den Phosphatrest verbunden.

DNA

Die DNA kommt in jeder Zelle im Kern als Doppelhelix vor, auf der durch die Nukleinbasen Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) und Thymin (T) die Erbinformation codiert ist. Jede Zelle eines Organismus enthält die gesamte genetische Information, auch wenn jeweils nur ein Teil benötigt wird: Eine Leberzelle enthält das gleiche Genom wie eine Gehirnzelle, trotzdem können beide unterschiedliche Aufgaben wahrnehmen. Auf den beiden Strängen der DNA liegen sich jeweils zwei bestimmte Basen gegenüber; d.h. Adenin liegt Thymin, und Guanin Cytosin gegenüber. Auf dem codogenen Strang, dem Strang an dem die Transkription, also das Ablesen der Erbinformation, stattfindet, codieren immer je drei Basen für eine Aminosäure. Die Basenpaarung findet dabei nicht über kovalente Bindungen, sondern über Wasserstoffbrücken statt, was für viele Eigenschaften der DNA, besonders auch ihre Handhabung im Labor, bedeutsam ist. Die Basenpaarung in der DNA bewirkt zum einen, dass, wenn die Stränge getrennt werden, aus jedem der beiden Einzelstränge ein neuer Doppelstrang mit exakt derselben Information synthetisiert werden kann, und zum anderen ein sehr stabiles Molekül entsteht, das die Information vor äußeren chemischen und physikalischen Einflüssen gut schützen kann.

Einschub: Replikation (Vervielfältigung der DNA)

Jeder Zellteilung (Poliferation) geht eine Kernteilung (Mitose) voraus, wobei die DNA verdoppelt wird. Dabei spricht man von der Replikation. Durch die Paarung von festgelegten Basen (A:T, G:C) beinhaltet ein Strang der Doppelhelix die Information zur kompletten Synthese des anderen Stranges. Bei der Replikation werden diese Stränge durch das Enzym Helicase gespalten wodurch zwei DNA-Einzelstränge entstehen. An diesen Strängen wird dann von dem Enzym DNA-Polymerase von 5' nach 3' synthetisiert, wodurch zwei neue identische DNA-Doppelstränge entstehen. An dem Strang, bei dem von 3' nach 5' synthetisiert werden muss, werden zwischen den Basen Okasaki-Fragmente eingesetzt, welche die Basen verbinden. Die Replikation verläuft also semikonservativ, was bedeutet das an jedem Strang eine Hälfte bestehen bleibt, wobei die andere neu hinzukommt. Es entstehen also zwei DNA mit einem Mutter- und einem Tochterstrang (Schematisch: DNA1: alt-neu; DNA2: neu-alt).

RNA

Es gibt verschiedene Arten von RNA wie z.B. die mRNA (m=messenger). Diese ist ein Einzelstrang, der bei der Proteinbiosynthese die Information der DNA aus dem Kern zum rauen Endoplasmatischen Reticulum (ER) übermittelt. Sie entsteht bei der Transkription, bei der ein bestimmtes Gen vom codogenen Strang der DNA abgelesen, und ein (zunächst) komplementärer RNA-Strang synthetisiert wird. Dabei wird statt des Thymin (T) bei einer RNA immer Uracil (U) eingebaut. Nun gelangt sie durch die Poren des Zellkerns an die Ribosomen (die übrigens selbst teilweise aus RNA bestehen) des rauen ER, wobei tRNAs (t=transfer) an sie anhaften und so eine Polypeptitkette entsteht, die zu einem Protein heranwächst. RNA kann, ähnlich wie Polypeptide, eine Sekundärstruktur einnehmen und dient deshalb nicht nur als Botenmolekül von DNA zu Protein, sondern ist in Form von tRNA und Ribosomen auch an der Übersetzung selbst beteiligt. Die Klärung der Rolle von komplexen RNA-Molekülen ist - wie viele Teilgebiete der Biochemie - noch nicht abgeschlossen. Durch die fehlende Basenpaarung bei der RNA wird ersichtlich, weshalb DNA zur Speicherung, und RNA zur Weitergabe von Information dient.

siehe auch: RNA-Verarbeitung und Proteinbiosynthese