Aufbau und Funktion von Nukleinsäuren

DNA und RNA sind Polynukleotide, d. h. sie sind Polymere von Nukleotiden. Polynukleotide sind Nukleinsäuren. Die Hauptaufgabe von Nukleinsäuren ist die Speicherung und Übertragung der genetischen Information.

Nukleotid

Nukleotid
Schematischer Aufbau eines Nukleotids.

Ein Nukleotid besteht aus drei Komponenten, nämlich eine organische Base, ein Zuckerrest und ein Phosphatrest. Die Kombination aus der organischen Base und dem Zuckerrest (ohne die Phosphatgruppe) wird auch als Nukleosid bezeichnet. Bei Nukleinsäuren verbindet sich jeweils der Phosphatrest eines Nukleotids (5′-Ende) mit dem Zuckerrest des Nachbarnukleotids (3′-Ende) und bildet so ein Zuckerphosphat-Gerüst.

Zuckerrest

Der Zuckerrest besteht bei der RNA aus Ribose. Bei der Ribose handelt es sich um einen Zucker mit einem Ring aus fünf Kohlenstoffatomen (Pentose).

Bei der DNA hingegen besteht der Zuckerrest aus Desoxyribose. Bei der Desoxyribose handelt es sich um einen Zucker mit einem Ring aus fünf Kohlenstoffatomen (Pentose). Hierbei fehlt im Vergleich zur Ribose, der ebenfalls aus einem Ring mit fünf Kohlenstoffatomen besteht, der Sauerstoff am C-2-Atom.

Organische Basen

Organische Basen
Die im Aufbau von DNA und RNA vorkommenden organischen Basen

Adenin (A) und Guanin (G) sind organische Basen (auch Stickstoff-Basen genannt), die jeweils zwei Kohlenstoffringe besitzen und von dem Molekül Purin abstammen. Cytosin (C), Thymin (T) und Uracil (U) sind organische Basen, die jeweils nur einen Kohlenstoffring besitzen. Sie stammen von dem Molekül Pyrimidin ab.

Während A, G und C sowohl in DNA als auch in RNA vorkommen, kommt T nur in DNA und U nur in RNA vor.

Die Organischen Basen haben die Eigenschaft, dass sie sich mittels Wasserstoffbrückenbildung miteinander verbinden können. Das heißt: bei DNA bilden sich zwischen A und T (jeweils zwei) sowie zwischen G und C (jeweils drei) Wasserstoffbrücken. Dadurch können sich zwei komplementäre Stränge zu einem Doppelstrang verbinden, der leicht spiralförmig ist (also eine Doppelhelix). Diese beiden Stränge verlaufen Antiparallel.

Bei der RNA bilden sich zwischen A und U jeweils zwei sowie zwischen G und C jeweils drei Wasserstoffbrücken. RNA liegt in der Regel als Einzelstrang vor. Bei (langen) RNA-Molekülen können Bereiche, die komplementäre Basen enthalten, sich zu lokalen Doppelstränge falten.


Die Produktion von Nukleinsäuren ist einer der wichtigsten und fundamentalsten Vorgängen in allen Organismen.

DNA

DNA
Schematische Darstellung des aufbaus der DNA.

Die DNA ist das einzige bekannte Molekül, das die nötigen Informationen zur eigenen (Re-)Produktion und Herstellung besitzt. Diese Information enthält den Bauplan von Enzymen, die ein DNA-Molekül duplizieren können (Replikation). Die genetische Information ist i. d. R. in der Reihenfolge der Nukleotide gespeichert. Abschnitte auf dem DNA-Molekül, die Informationen zur Herstellung von RNA-Molekülen enthalten, werden Gene genannt.

In der Zelle werden zuerst mittels dieser Enzyme die beiden Stränge der DNA voneinander getrennt. Anschließend legt das Enzym DNA-Polymerase an jedem der nun offenen Einzelstränge entsprechende komplementäre Nukleotide an, wobei ein neuer komplementärer Strang gebildet wird. Wenn dieser Prozess die gesamte Länge eines DNA-Moleküls durchlaufen hat, existieren zwei separate DNA-Moleküle (Tochter-Stränge), die die gleiche Reihenfolge der Nukleotide, wie der Mutterstrang enthalten.

Vor der Zellteilung (Mitose), wird die gesamte DNA einer Zelle verdoppelt. Nach der Mitose enthalten die Tochterzellen jeweils die gleiche genetische Information der Mutterzelle. Somit werden die genetischen Informationen durch DNA-Moleküle von Generation zu Generation übertragen.

Wie genau die DNA-Replikation abläuft ist Gegenstand der Genetik und wie sich das DNA-Molekül über Generationen hin verändert wird in der Evolutionslehre behandelt.

RNA

DNA Replikation
Durch die DNA-Replikation entstehen aus einem DNA-Molekül zwei neue DNA-Moleküle.

Die RNA wird in der Regel durch Kopieren von Abschnitten eines DNA-Strangs produziert.

Das Enzym RNA-Polymerase ist in der Lage eine komplementäre Abschrift eines einzelnen DNA-Strangs zu produzieren. Bei der Herstellung der Abschrift werden RNA-Nukleotide verwendet, d. h. die Nukleotide enthalten Ribose und die organische Base Uracil (U) ersetzt Thymin (T). Dieser Vorgang wird DNA-Transkription genannt und ist Gegenstand der Genetik.

m-RNA, t-RNA und r-RNA sind die wichtigsten RNA-Moleküle.

  • m-RNA (messenger-RNA, Boten-RNA) überträgt die genetische Informationen von einem DNA-Molekül in ein Ribosom, wo diese Information zur Herstellung von Proteinen verwendet wird.
  • t-RNA (transfer-RNA) besitzt die wichtige Eigenschaft einzelne Aminosäuren zu transportieren. Wenn eine Aminosäurekette (Polypeptid) gebildet wird, bringen t-RNA-Moleküle entsprechende Aminosäuren innerhalb des Ribosoms nebeneinander, wodurch sich die Aminosäuren miteinander verbinden und ein Polypeptid bilden.
  • r-RNA (ribosomal-RNA) kommt, wie der Name schon vermuten lässt, im Aufbau von Ribosomen vor. Ribosomen sind die Orte der Proteinbiosynthese in der Zelle. In Ribosomen treffen m-RNA, t-RNA und r-RNA aufeinander.

Einige RNA-Moleküle können katalytisch wirken, d. h. sie können, wie ein Enzym bestimmte chemische Reaktionen beschleunigen, ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Dies ist besonders relevant, da Biologen mittlerweile davon ausgehen, dass vor Entstehung der DNA die Übertragung der genetischen Information von RNA übernommen wurde. Die ersten lebenden Zellen auf der Erde haben somit RNA als Träger der Erbinformation verwendet.

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