Nucleinsäuren – das Leben hängt an einem dünnen Faden

Die Erbinformation von Lebewesen ist in dem Makromolekül (Biopolymer) Desoxyribonucleinsäure (DNA) gespeichert. Im Zellkern menschlicher Zellen befinden sich 46 solcher DNA-Polymere. Würde man die 46 „DNA-Fäden“ hintereinanderlegen und messen, ergäbe sich eine Länge von 2 Metern. Ganz schön lang, wenn man bedenkt, wie klein Zellen sind. Dass die DNA überhaupt im Zellkern Platz findet, ermöglicht ein Durchmesser von ca. 2,5 nm (2×10-9). Ein menschliches Haar müsste man 4000 mal schneiden, um ein entsprechenden dünnes Stück Haar zu erhalten.

Worum geht´s?

Die Seite vermittelt wesentliche Sachverhalte zum Aufbau und zur Funktion der Nucleinsäuren DNA (Desoxyribonucleinsäure) und RNA (Ribonucleinsäure).

Kennzeichen von Nucleinsäuren

  • sind Makromoleküle (Bio-Polymere)
  • bestehen aus Nucleotiden, die über Phosphodiesterbindungen miteinander verbunden sind.
  • Nucleinsäuren sind die Träger der Erbinformation, die es ermöglichen, diese Information zu speichern, zu weiterzugeben und zu nutzen.
  • Es existieren zwei Formen von Nucleinsäuren: die DNA und die RNA.
  • Die DNA ist in der Regel der Langzeitspeicher der Erbinformation.
  • Die RNA ist meistens eine „Kopie“ von Abschnitten der DNA, die während der Proteinsynthese eingesetzt werden.
    • Bei Retro-Viren kann die RNA aber auch Träger der Erbinformation sein.

DNA – Desoxyribonucleinsäure

Was kennzeichnet das DNA-Molekül?

  • Die DNA ist ein langes fadenförmiges Molekül.
  • DNA Moleküle bestehen aus zwei sich gegenüberliegenden Einzelsträngen. (Einzelstrang = Primärstruktur) .
  • Die Einzelstränge winden sich schraubenförmig um eine gemeinsame Achse. Sie bilden eine Doppelhelix (Sekundärstruktur).

Woraus bestehen die Einzelstränge?

Analysiert man die Zusammesetzung der DNA, so lassen sich der Zucker Desoxyribose, ein Phosphatrest und die vier Stickstoffbasen Adenin, Thymin, Cytosin und Guanin nachweisen.

Desoxyribose und Phosphatrest

Die Desoxyribose gehört zu den Pentosen, einem Zucker der als Grundgerüst 5 Kohlenstoffatome besitzt. Die C-Atome sind im Uhrzeigersinn nummeriert. Am 2′ C-Atom hat der Zucker keine OH-Gruppe.

Der Phosphatrest ist neben der Desoxyribose und den vier Stickstoffbasen Bestandteil für den Grundbaustein der DNA: das Nucleotid.

Für das Verständnis über DNA-Aufbau oder die Verdopplung der DNA ua. benötigt man die Bezeichnungen 3′ C-Atom und 5′ C-Atom oder 3′-Ende – 5′-Ende. Sie geben dem Molekül eine Richtung, Polarität. Das 5′-Ende ist oben, das 3′-Ende ist unten. (Ähnlich wie auf einer Landkarten, wo oben Norden und unten Süden ist.)

Das Nucleotid – Baustein der Nucleinsäuren

  • Das Nucleotid bildet den Grundbaustein der Nucleinsäuren.
  • Am 5′ Kohlenstoffatom (5′ C-Atom) hängt ein Posphatrest.
  • Am 1′ Kohlenstoffatom bindett eweils eine Base. Deshalb gibt es 4 verschiedene Nucleotide.
  • Die OH-Gruppe am 3′ C-Atom ist frei.

Im Nucleotid wird die Polarität deutlicher sichtbar. Am 5′-Ende des Zuckers lagert sich der Phosphatrest an, während das 3′-Ende noch eine freie OH-Gruppe hat. Auch in der DNA findet man solche freien OH-Gruppen des 3′-Endes.

Wie sind die Nucleotide in der DNA angeordnet?

In der DNA bilden die Nucleotide zwei sich gegenüberliegende Ketten.

Verglichen mit einer Leiter bilden die wechselnden Zucker – Phosphateinheiten die Holme und die sich gegenüberliegenden Basen die Sprossen.

DNA – Strickleitermodell
  • Die Nucleotide bilden feste Paare: Adenin – Thymin und Guanin – Cytsin.
    • Wie in einer guten Ehe ähneln sich die Partner: Die etwas rundlichen Typen G und C gehören zusammen genauso wie die etwas eckig und kantig wirkenden Typen A und T.
  • Die Basen sind komplementär, das heißt, sie bedingen sich einander (komplementäre Basenpaarung):
    • Adenin – Thymin
    • Guanin – Cytosin
  • Die Basenpaarung resuliert daraus, dass Adenin und Thymin zwei Wasserstoffbrücken, Guanin und Cytosin drei Wasserstoffbrücken ausbilden.
  • Die beiden Einzelstränge stehen sich antiparallel gegenüber. Der rechte Einzelstrang steht sozusagen auf dem „Kopf“.

RNA – Ribonucleinsäuren

Wie ist die RNA aufgebaut und wodurch unterscheidet sie sich von der DNA?

Das Nucleotid der RNA

Ribose und Phophatrest der RNA

Die 4 möglichen Nucleotide der RNA bestehen jeweils aus dem Zucker Ribose, dem Phosphatrest und einer der folgenden Stickstoffbasen:

  • Adenin, Uracil, Guanin sowie Cytosin.
  • Die Base Uracil ersetzt die Base Thymin der DNA.

Die Ribose unterscheidet sich durch die OH-Gruppe am C 2′ von der Desoxyribose der DNA.

Der RNA – Einzelstrang

Abb. RNA-Einzelstrang
  • Die RNA liegt in der Regel als Einzelstrang vor.
  • Wie die DNA besteht die RNA aus einem Rückgrat von wechselnden Zucker- und Phosphateinheiten.
  • Der Zucker ist eine Ribose.
  • An diesem Rückgrat sitzen wie bei der DNA die Basen Adenin (A), Cytosin (C) und Guanin (D).
  • Die Base Thymin wird durch die Base Uracil (B) ersetzt.

RNA – Funktionen

Die RNA-Nucleinsäuren lassen sich aufgrund ihrer Funktion bei der Proteinsynthese in drei Gruppen eintreilen:

  • m-RNA (Messenger-RNA): Botenmolekül, das die in der DNA gespeicherte Information für ein Protein überträgt.
  • t-RNA (Transfer-RNA): Das kleeblatförmige RNA-Gebilde transportiert die Aminosäuren während der Proteinsynthese (Translation) zum Ribosom.
  • r-RNA: Die Ribosomale-RNA ist wesentlicher Teil des Ribosoms, dem Ort der Proteinsynthese (Translation).

Auf dem Lernpfad

Replikation (Redupliaktion) – Wie die Zelle die DNA vervielfältigt