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3.8: Was sind Nukleinsäuren?
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PROTOKOLLE

3.8: Was sind Nukleinsäuren?

< h4>Überblick

Nucleinsäuren sind lange Ketten von Nucleotiden, die durch Phosphodiesterbindungen miteinander verbunden sind. Es gibt zwei Arten von Nucleinsäuren: Desoxyribonucleinsäure, oder DNA, und Ribonucleinsäure, oder RNA. Sowohl bei DNA als auch bei RNA bestehen die Nucleotide aus einem Zucker, einer Stickstoffbase und einem Phosphatmolekül.

Nucleinsäuren sind das Genmaterial der Zelle

Das Erbgut einer Zelles besteht aus Nucleinsäuren. Diese ermöglichen es lebenden Organismen, ihre genetischen Information an nachfolgende Generationen weiterzugeben. Es gibt zwei Arten von Nucleinsäuren: Desoxyribonucleinsäure (DNA) und Ribonucleinsäure (RNA). DNA und RNA unterscheiden sich in ihrer chemischen Zusammensetzung nur geringfügig, erfüllen aber völlig unterschiedliche biologische Funktionen.

Nucleinsäuren sind Polymere von Nucleotiden

Chemisch gesehen sind Nucleinsäuren polynucleotide Ketten von Nucleotiden. Ein Nucleotid besteht aus drei Bausteinen: einem Pentosezucker, einer Stickstoffbase und einer Phosphatgruppe. Der Zucker und die Base bilden zusammen ein Nucleosid. Daher wird ein Nucleotid manchmal auch als Nucleosidmonophosphat bezeichnet. Jeder der drei Bestandteile eines Nucleotids spielt eine Schlüsselrolle im gesamten Aufbau der Nucleinsäuren.

Wie der Name schon sagt, hat ein Pentosezucker fünf Kohlenstoffatome, die mit 1o, 2o, 3o, 4o und 5o benannt sind. Der Pentosezucker in der RNA ist Ribose, d.h. der 2o Kohlenstoff trägt eine Hydroxylgruppe. Der Zucker in der DNA ist Desoxyribose, d.h. der 2o Kohlenstoff ist an ein Wasserstoffatom gebunden. Der Zucker ist an die Stickstoffbase an der 1o Kohlenstoff und das Phosphatmolekül an der 5o Kohlenstoff gebunden.

Nucleotide sind über Phosphodiesterbindungen miteinander verbunden

Das Phosphatmolekül, welches an den 5o Kohlenstoff eines Nucleotides gebunden ist, kann eine kovalente Bindung mit der 3o Hydroxylgruppe eines anderen Nucleotids bilden und so die beiden Nucleotide miteinander verbinden. Diese kovalente Bindung wird als Phosphodiesterbindung bezeichnet. Die Phosphodiester-Bindung zwischen den Nucleotiden erzeugt ein alternierendes Zucker-und Phosphat-Gerüst in einer Polynucleotidkette. Die Verknüpfung des 5o Endes eines Nucleotids mit dem 3o Ende eines anderen Nucleotids verleiht der Polynucleotidkette Direktionalität. Sie spielt bei der DANN-Replikation und RNA-Synthese eine Schlüsselrolle. An einem Ende der Polynucleotidkette, dem sogenannten 3o-Ende, hat der Zucker eine freie 3o-Hydroxylgruppe. Am anderen Ende, dem 5o Ende, hat der Zucker eine freie 5o Phosphatgruppe.

Pyrimidine und Purine sind die Hauptklassen der Stickstoffbasen

Stickstoffbasen sind Moleküle mit einem oder zwei Ringen aus Kohlenstoff- und Stickstoffatomen. Diese Moleküle werden Basen rdquo genannt; weil sie chemisch basisch sind und an Wasserstoffionen binden können. Es gibt zwei Klassen von Stickstoffbasen: Pyrimidine und Purine. Während die Pyrimidine eine sechsgliedrige Ringstruktur haben, bestehen die Purine aus einem sechsgliedrigen Ring, der mit einem fünfgliedrigen Ring verschmolzen ist. Zu den Pyrimidinen gehören Cytosin (C), Thymin (T) und Uracil (U). Zu den Purinen gehören Adenin (A) und Guanin (G).

Cytosin, Adenin und Guanin sind sowohl in der DNA als auch in der RNA vorhanden. Thymin kommt dagegen nur in der DNA vor, während Uracil nur in der RNA vorkommt. Die Purine und Pyrimidine können miteinander Wasserstoffbrücken in einem bestimmten Muster bilden. Entscheiden hierfür ist das Vorhandensein von komplementären chemischen Gruppen. Sie kann man mit den komplementären Teilen eines Puzzles vergleichen. Unter normalen zellulären Bedingungen bildet Adenin Wasserstoffbindungen mit Thymin (in der DNA) oder Uracil (in der RNA), während Guanin Wasserstoffbindungen mit Cytosin bildet. Diese komplementäre Basenpaarung ist entscheidend für die Struktur und Funktion der DNA.

Struktur von DNA und RNA

Die DNA nimmt innerhalb der Zelle eine doppelhelikale Struktur an. Eine Doppelhelix besteht aus zwei Polynucleotidketten, die sich spiralförmig umeinanderwinden. Man nennt sie daher auch „Stränge“. Die beiden Stränge ordnen sich in entgegengesetzter Richtung zueinander an. Sie sind also antiparallel zueinander. Das bedeutet, dass das 5o Ende des einen Stranges nahe dem 3o Ende des anderen liegt. Die beiden Stränge werden durch komplementäre Basenpaare (z.B. Cytosin mit Guanin) zusammengehalten.

In einer DNA-Doppelhelix befindet sich das Zucker-Phosphat-Grundgerüst außen, während die wasserstoffgebundenen Basen innen liegen. RNA kommt meist als einsträngiges Molekül vor. Der RNA-Einzelstrang kann durch eine stranginterne komplementäre Basenpaarung lokalisierte Sekundärstrukturen bilden. Verschiedene Arten von RNA-Sekundärstrukturen haben unterschiedliche Funktionen innerhalb der Zelle.


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