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Nukleinsäuren

Nukleinsäuren sind Polymere von Nukleotiden, organischen Molekülen, die aus einem Zucker, einer Phosphatgruppe und einer Stickstoffbase bestehen. Nukleinsäuren sind für die Speicherung, Replikation und Expression genetischer Informationen verantwortlich. Sie sind „Säuren“ wegen der sauren Phosphatgruppen und „Nuklein“, weil sie im Zellkern gespeichert werden. Die zwei am häufigsten in eukaryontischen Zellen vorkommenden Nukleinsäuren sind Desoxyribonukleinsäure (DNA) und Ribonukleinsäure (RNA). Obwohl sie chemisch ähnlich sind, haben DNA und RNA spezifische biologische Funktionen, auf die ihre jeweiligen Strukturen zugeschnitten sind.

Aktualisiert: Feb 17, 2023

Überblick

Definition

Nukleinsäuren sind Polymere von Nukleotiden.

Hauptklassen:

  • Desoxyribonukleinsäure (DNA)
  • Ribonukleinsäure (RNA)

Nukleotid

Nukleotide sind die Grundeinheiten einer Nukleinsäure.

Struktur:

  • 5-Kohlenstoff-Zucker
  • Stickstoffbase
  • Phosphatgruppe

5-Kohlenstoffatomen (=Pentose):

  • Unterschied zwischen DNA und RNA:
    • Ribose in RNA vs. Desoxyribose in DNA
    • Der 2′-Kohlenstoff ist an eine Hydroxyl-Gruppe(OH) in der RNA oder an ein Wasserstoffatom in DNA gebunden.
  • Der 5′-Kohlenstoffatom ist an eine Phosphatgruppe (PO43−) gebunden.
  • Der 1′-Kohlenstoff ist an eine stickstoffhaltige Base gebunden:
    • Adenin (A)
    • Guanin (G)
    • Thymin (T)
    • Cytosin (C)
    • Uracil (U)

Stickstoffhaltige Basen:

  • Purine: Adenin und Guanin (2-Ring-Strukturen)
  • Pyrimidine: Cytosin, Thymin und Uracil (Einringstrukturen)
  • Komplementäre Basenpaarung: Innerhalb von Nukleinsäurepolymeren paaren Purinbasen ausschließlich mit ihren komplementären Pyrimidinbasen.
    • DNA: Adenin (A) paart sich mit Thymin (T) und Guanin (G) paart mit Cytosin (C).
    • RNA: Adenin (A) paart sich mit Thymin (U) und Guanin (G) paart mit Cytosin (C).
    • AT-Basen, die durch zwei H-Bindungen zusammengehalten werden.
    • GC-Basen durch drei H-Bindungen zusammengehalten.

Nukleotide werden durch Hinzufügen von 5’–3′-Phosphodiesterbindungen zu Nukleinsäurepolymeren zusammengesetzt:

  • Kondensationsreaktion zwischen der OH-Gruppe am 5′-Kohlenstoff von ein Nukleotid und dem H am 3′-Kohlenstoff des nächsten Nukleotids.
  • Erzeugt Nukleotidketten mit einem freien 5′-Phosphat und 3′-OH, um die Synthese fortzusetzen.

Nukleotide benennen:

  • Nukleosidmonophosphat (z.B. Adenosinmonophosphat (AMP)): ein Nukleosid (organische Base und Pentose) und 1 Phosphatgruppe
  • Nukleosiddiphosphat (z.B. Adenosindiphosphat (ADP)): ein Nukleosid (organische Base und Pentose) und zwei Phosphatgruppen
  • Nukleosidtriphosphat (z. B. Adenosintriphosphat (ATP)): ein Nukleosid (organische Base und Pentose) und 3 Phosphatgruppen
  • Für DNA fügt man den Basennamen „Desoxy“ hinzu (Desoxyadenosintriphosphat).

DNA

Überblick

DNA ist der genetische Bauplan für das Leben, der Codes für Gene enthält.

  • Doppelsträngige Helixstränge (Watson, Crick und Franklin) sind komplementär und antiparallel:
    • 5’–3′ Sense-Strang
    • 3’–5′ Antisense-Strang
    • Die häufigsten sind B-DNA (rechtsgängige Helix), Z-DNA (linksgängige Helix) und A-DNA (kompakte Helix), die in Zellen nicht vorkommen.
  • Stränge zusammengehalten durch:
    • Wasserstoffbrücken
    • Van-der-Waals-Kräfte
    • Hydrophobe Wechselwirkung zwischen Basenpaaren
  • Chargaffs Regel:
    • Aufgrund komplementärer Basenpaarung
    • In der DNA sollte die Anzahl von A = T, G = C und A + G = T + C sein.

Organisation

  • Bei Eukaryoten: im Zellkern und in den Mitochondrien als Chromosomen gefunden
    • Beim Menschen: 46 homologe Chromosomen (23 Paare)
    • Kodierungsinformationen, die in Chromosomensegmenten enthalten sind, die als Gene bezeichnet werden.
  • Bei Prokaryoten: frei liegend als Chromosom oder Plasmid
  • DNA → Nukleosom (DNA + Histonoctamer) → Solenoid → Chromatin → Chromosom
  • Euchromatin:
    • Weniger verdichtet
    • Höhere Transkriptionsrate (TX)
    • Stoffwechselaktive Zellen
  • Heterochromatin:
    • Kondensierter Strang
    • Niedriger TX
    • Zellen mit geringer Stoffwechselaktivität
  • Histonmodifikation: Beeinträchtigt den Zugang zu DNA und damit TX
    • Acetylierung (erhöht TX)
    • Methylierung (erhöht oder verringert TX, Epigenetik → erblich)
    • Phosphorylierung (erhöht oder verringert TX)
    • Ubiquitylierung
    • ADP-Ribosylierung

Mitochondriale DNA (mtDNA)

  • 1 % der zellulären DNA
  • Nur von der Mutter geerbt (nicht-Mendelsche Vererbung)
  • Eigenschaften der menschlichen mtDNA:
    • Rund, doppelsträngig, bestehend aus schweren (H) und leichten (L) Strängen
    • Enthält 16.569 Basenpaare
    • Kodiert ribosomale RNAs, Transfer-RNAs (tRNAs) und Proteinuntereinheiten, die für die oxidative Phosphorylierung (ATP-Produktion) notwendig sind.
    • Hohe Mutationsrate (5–10 mal höher als die der Kern-DNA)
  • Das Vorhandensein von mtDNA führte zur Theorie der Endosymbiose von Mitochondrien:
    • Einmal freilebende prokaryontische Mikroben
    • Von der Wirtszelle verschlungen und zu Organellen gebildet
    • Kreisförmige DNA
    • Replikation durch binäre Spaltung

RNA

RNA: Proteinbiosynthese, regulatorische Funktionen, Verarbeitung und Transport

  • Thymin durch Uracil ersetzt
  • Einzelsträngig (meistens)
  • Phosphatzucker-Rückgrat mit hängenden Nukleotiden

Für spezialisierte Zwecke für die Phasen der Replikation und Translation von genetischem Material existieren verschiedene Formen von RNA:

  • Transkription:
    • Heterogene nukleäre RNA (hnRNA oder prä-mRNA): Nuklearer Vorläufer der Boten-RNA (mRNA)
    • mRNA: Codes für Proteine; Komplement zum DNA-Strang; dient als Vorlage für die Übersetzung; vom Kern ins Zytosol transportiert.
  • Übersetzung:
    • tRNA: nicht kodierend; Adaptermolekül, das mRNA-Codons in Aminosäuren übersetzt; enthält Anticodon und Aminosäure; enthält Thymin.
    • Ribosomale RNA (rRNA): nicht kodierend; an Proteine gebunden, um ribosomale Untereinheiten zu bilden; katalysiert die Proteinbiosynthese in Ribosomen; dominante Form der RNA.
  • Regulatorische Funktionen:
    • Kleine interferierende RNA (siRNA): nicht kodierend; bindet an das mRNA-Komplement, um den zellulären Abbau zu signalisieren.
    • MicroRNA (miRNA): nicht kodierend; bindet an das mRNA-Komplement, um die Translation zu hemmen.
  • Verarbeitung und Transport:
    • Kleine nukleäre RNA (snRNA): bildet ein Spleißosom (mit anderen Proteinen) zum Spleißen von mRNA.
    • Kleine nukleoläre RNA (snoRNA): leitet die Modifikation von snRNA und rRNA.
    • Kleine konditionale RNA (scRNA): Teil eines Komplexes, der den Export von Proteinen in den extrazellulären Raum leitet.
  • Mitochondriale RNA (mtRNA): mitochondriale mRNA, rRNA und tRNA, die ähnlich wie eukaryontische Versionen funktionieren.
Transkription Nukleinsäuren

Strukturen von RNA und DNA

Bild von Lecturio. Lizenz: CC BY-NC-SA 4.0

Quellen

  1. Weil, PA. (2018). Struktur und Funktion von Nukleinsäuren. In VW Rodwell, DA Bender, KM Botham, PJ Kennelly & PA Weil (Hrsg.), Harpers illustrierte Biochemie, 31e (). New York, NY: McGraw-Hill-Ausbildung. accessmedicine.mhmedical.com/content.aspx?aid=1160190679 (Zugriff am 17. Mai 2021).
  2. Rassow et al.: Duale Reihe Biochemie. 2. Auflage Thieme 2008, ISBN: 978-3-131-25352-1

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Comenius-Award 2019

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Alexander Plath ist seit über 30 Jahren im Verkauf und Vertrieb aktiv und hat in dieser Zeit alle Stationen vom Verkäufer bis zum Direktor Vertrieb Ausland und Mediensprecher eines multinationalen Unternehmens durchlaufen. Seit mehr als 20 Jahren coacht er Führungskräfte und Verkäufer*innen und ist ein gefragter Trainer und Referent im In- und Ausland, der vor allem mit hoher Praxisnähe, Humor und Begeisterung überzeugt.

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