Nukleinsäuren sind die wichtigsten Makromoleküle für die Kontinuität des Lebens. Sie tragen den genetischen Bauplan der Zelle und tragen Anweisungen für ihre Funktion.

DNA und RNA

Die beiden Haupttypen von Nukleinsäuren sind Desoxyribonukleinsäure (DNA) und Ribonukleinsäure (RNA). DNA ist das genetische Material in allen lebenden Organismen, von einzelligen Bakterien bis hin zu mehrzelligen Säugetieren. Es befindet sich im Zellkern der Eukaryoten und in den Organellen, Chloroplasten und Mitochondrien. Bei Prokaryoten ist die DNA nicht in einer membranösen Hülle eingeschlossen.

Der gesamte genetische Inhalt der Zelle ist ihr Genom, und die Erforschung des Genoms ist die Genomik. In eukaryotischen Zellen, nicht aber in Prokaryoten, bildet die DNA mit Histonproteinen einen Komplex zum Chromatin, der Substanz der eukaryotischen Chromosomen. Ein Chromosom kann Zehntausende von Genen enthalten. Viele Gene enthalten die Information, um Proteine herzustellen. Andere Gene kodieren für RNA-Produkte. Die DNA steuert alle zellulären Aktivitäten, indem sie die Gene "ein" oder "aus" schaltet.

Die andere Art von Nukleinsäuren, RNA, ist hauptsächlich an der Proteinsynthese beteiligt. Die DNA-Moleküle verlassen nie den Zellkern, sondern kommunizieren über einen Vermittler mit dem Rest der Zelle. Dieser Vermittler ist die Boten-RNA (mRNA). Andere Arten von RNA – wie rRNA, tRNA und microRNA – sind an der Proteinsynthese und ihrer Regulation beteiligt.

DNA und RNA bestehen aus Monomeren, die Nukleotide genannt werden. Jedes Nukleotid besteht aus drei Komponenten: einer stickstoffhaltigen Base, einem Pentosezucker (Fünf-Kohlenstoff-Zucker) und einer Phosphatgruppe. Jede stickstoffhaltige Base in einem Nukleotid ist an ein Zuckermolekül gebunden, das an eine oder mehrere Phosphatgruppen gebunden ist. Die stickstoffhaltigen Basen, wichtige Bestandteile der Nukleotide, sind organische Moleküle und werden so genannt, weil sie Kohlenstoff und Stickstoff enthalten. Sie sind Basen, weil sie eine Aminogruppe enthalten, die das Potenzial hat, einen zusätzlichen Wasserstoff zu binden und so die Wasserstoffionenkonzentration in ihrer Umgebung zu verringern, wodurch sie basischer wird. Jedes Nukleotid in der DNA enthält eine von vier möglichen stickstoffhaltigen Basen: Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T). Adenin und Guanin werden als Purine klassifiziert. Die Hauptstruktur des Purins besteht aus zwei Kohlenstoff-Stickstoff-Ringen. Cytosin, Thymin und Uracil werden als Pyrimidine klassifiziert, die einen einzigen Kohlenstoff-Stickstoff-Ring als Primärstruktur haben. An jeden dieser basischen Kohlenstoff-Stickstoff-Ringe sind unterschiedliche funktionelle Gruppen angehängt. In der Molekularbiologie kennen wir die stickstoffhaltigen Basen durch ihre Symbole A, T, G, C und U. DNA enthält A, T, G und C; während RNA A, U, G und C enthält.

Der Pentosezucker in der DNA ist Desoxyribose und in der RNA ist der Zucker Ribose. Der Unterschied zwischen den Zuckern besteht darin, dass die Hydroxylgruppe auf dem zweiten Kohlenstoff der Ribose und Wasserstoff auf dem zweiten Kohlenstoff der Desoxyribose vorhanden ist. Der Phosphatrest bindet an die Hydroxylgruppe des 5'-Kohlenstoffs eines Zuckers und die Hydroxylgruppe des 3'-Kohlenstoffs des Zuckers des nächsten Nukleotids, wodurch eine 5'-3'-Phosphodiesterbindung gebildet wird.

DNA-Doppelhelix-Struktur

Die DNA hat eine Doppelhelix-Struktur. Der Zucker und das Phosphat liegen an der Außenseite der Helix und bilden das Rückgrat der DNA. Die stickstoffhaltigen Sockel sind im Inneren wie zwei Treppenstufen gestapelt. Wasserstoffbrückenbindungen binden die Paare aneinander. Jedes Basenpaar in der Doppelhelix ist durch 0,34 nm vom nächsten Basenpaar getrennt. Die beiden Stränge der Helix verlaufen in entgegengesetzte Richtungen, was bedeutet, dass das 5'-Kohlenstoffende eines Strangs dem 3'-Kohlenstoffende des entsprechenden Strangs zugewandt ist. Es sind nur bestimmte Arten der Basenpaarung zulässig - A kann mit T gekoppelt werden, und G kann mit C gekoppelt werden. Dies ist die ergänzende Grundregel. Mit anderen Worten, die DNA-Stränge sind komplementär zueinander.

RNS

Ribonukleinsäure oder RNA ist hauptsächlich am Prozess der Proteinsynthese unter der Leitung der DNA beteiligt. RNA ist in der Regel einzelsträngig und besteht aus Ribonukleotiden, die durch Phosphodiesterbrücken miteinander verbunden sind.

Es gibt vier Haupttypen von RNA: Boten-RNA (mRNA), ribosomale RNA (rRNA), Transfer-RNA (tRNA) und microRNA (miRNA). Die erste, mRNA, trägt die Nachricht von der DNA, die alle zellulären Aktivitäten in einer Zelle steuert. Benötigt eine Zelle ein bestimmtes Protein, schaltet sich das Gen dafür ein und die Boten-RNA wird im Zellkern synthetisiert. Die RNA-Basensequenz ist komplementär zu der kodierenden Sequenz der DNA, von der sie kopiert wurde. Im Zytoplasma interagiert die mRNA mit Ribosomen und anderen zellulären Maschinerien.

Die mRNA wird in Sätzen von drei Basen abgelesen, die als Codons bekannt sind. Jedes Codon kodiert für eine einzelne Aminosäure. Auf diese Weise wird die mRNA abgelesen und das Proteinprodukt hergestellt. Ribosomale RNA (rRNA) ist ein Hauptbestandteil von Ribosomen, an die die mRNA bindet. Die rRNA sorgt für die korrekte Ausrichtung der mRNA und der Ribosomen. Die rRNA des Ribosoms hat ebenfalls eine enzymatische Aktivität (Peptidyltransferase) und katalysiert die Bildung von Peptidbindungen zwischen zwei ausgerichteten Aminosäuren. Die Transfer-RNA (tRNA) ist eine der kleinsten der vier RNA-Typen, in der Regel 70–90 Nukleotide lang. Es transportiert die richtige Aminosäure zur Proteinsynthesestelle. Es ist die Basenpaarung zwischen der tRNA und der mRNA, die es der richtigen Aminosäure ermöglicht, sich in die Polypeptidkette einzufügen. MicroRNAs sind die kleinsten RNA-Moleküle, und ihre Aufgabe besteht darin, die Genexpression zu regulieren, indem sie in die Expression bestimmter mRNA-Botschaften eingreifen.

Obwohl die RNA einzelsträngig ist, weisen die meisten RNA-Typen eine umfangreiche intramolekulare Basenpaarung zwischen komplementären Sequenzen auf, wodurch eine vorhersagbare dreidimensionale Struktur entsteht, die für ihre Funktion unerlässlich ist.

Dieser Text wurde übernommen von Openstax, Biology 2e, Chapter 3.5: Nucleic Acids.