Nukleinsäuren

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.