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Man unterscheidet zwischen zwei Typen von Nucleinsäuren: Desoxyribonucleinsäure (DNA, deoxyribonucleic acid) und Ribonucleinsäure (RNA, ribonucleic acid).
Funktion der Nucleinsäuren
Die DNA (deoxyribonucleic acid, Desoxyribonucleinsäure) ist beim Menschen und anderen Organismen Träger der Erbinformation. In eukaryotischen Zellen ist die DNA im Verbund mit Proteinen in Form von Chromosomen im Zellkern lokalisiert. In der S-Phase des Zellzyklus wird von der im Zellkern vorhandenen DNA in einem Vorgang, den man als Replikation bezeichnet, die genetische Information verdoppelt und eine identische Kopie der DNA hergestellt. In der Mitose erhält jede Tochterzelle letztlich einen identischen Chromosomensatz des diploiden Genoms.
Die Synthese von identischen Tochtermolekülen geht auf die Gesetzmäßigkeiten der Basenpaarung zurück, bei der eine Base (s.u.) nur mit genau einer der anderen drei Basen spezifische Wechselwirkungen eingehen kann. Dennoch können bei der Replikation Fehler auftreten oder die DNA kann durch äußere Einflüsse verändert werden. Die Folge sind Mutationen, die unterschiedlich schwerwiegende Folgen haben können. Die Zelle betreibt daher einen hohen Aufwand, Fehler schon während der Synthese zu korrigieren (Korrekturlesefunktion) oder auch zu reparieren (DNA-Reparatur).
Die DNA enthält in ihrer Nucleotidsequenz die Information für die Aminosäuresequenz aller Proteine einer Zelle. Der Fluss der Information von der DNA zum Protein erfolgt über die Messenger-RNA (mRNA), die zu den codierenden RNA-Typen gehört. Zunächst wird mithilfe der Nucleotidsequenz der DNA als Matrize eine Prä-mRNA hergestellt (Transkription), wobei jedoch stets nur ein Ausschnitt der DNA transkribiert wird, nie die gesamte DNA einer Zelle. Anschließend wird die Basensequenz der Prä-mRNA in einem als Prozessierung bezeichneten Vorgang modifiziert und dann an Ribosomen in die Aminosäuresequenz eines Polypeptids übersetzt (Translation). Basis für diese Übersetzung ist der genetische Code, der einem Basentriplett der RNA eine Aminosäure zuordnet.
Neben der mRNA, die als Matrize für die Proteinsynthese dient, gibt es weitere, nicht codierende RNAs, die regulatorische, strukturelle und katalysatorische Funktionen haben. So ist die ribosomale RNA (rRNA) Bestandteil von Ribosomen und die Transfer-RNA (tRNA) dient als eine Art Adapter und stellt Aminosäuren für die Proteinsynthese bereit.
Die Replikation und die Expression von Genen werden mit hohem Aufwand reguliert, um sie zum richtigen Zeitpunkt, mit ausreichender Genauigkeit und im richtigen Ausmaß durchzuführen.
Aufbau der Nucleotide
Jedes Nucleotid besteht aus folgenden Komponenten:
einer organischen Base
einer Pentose (Ribose oder 2'-Desoxyribose)
ein bis drei Phosphatresten
Base und Zucker bilden ein Nucleosid bzw. ein Desoxynucleosid (Tabelle zur Nomenklatur der Nucleoside, Tabelle zur Nomenklatur der Desoxynucleoside). Ein Nucleosid das mit einem bis drei Phosphatresten verknüpft ist, bezeichnet man als Nucleotid bzw. Desoxynucleotid oder auch (Desoxy-)Nucleosidmono-, -di- oder -triphosphat (Tabelle zur Nomenklatur der Nucleotide, Tabelle zur Nomenklatur der Desoxynucleotide).
Purin- und Pyrimidinbasen können sowohl de novo hergestellt werden (De-novo-Synthese der Purinnucleotide, De-novo-Synthese der Pyrimidinnucleotide) als auch über einen Wiederverwertungsweg (Salvage Pathway) aus Produkten des Nucleotidabbaus recycelt werden.
Nucleoside und Nucleotide übernehmen in allen Zellen zahlreiche wichtige Funktionen. Störungen des Nucleotidstoffwechsels können daher schwerwiegende pathologische Auswirkungen haben.
Aufbau der Nucleinsäuren
Sowohl bei der DNA als auch bei der RNA handelt es sich um Polymere von Grundbausteinen, den Nucleosidmonophosphaten (kurz: Nucleotiden). Die Nucleinsäureketten entstehen durch vielfach wiederholte Kondensation von Nucleosidtriphosphaten unter Ausbildung eines 3'-5'-Phosphorsäurediesters und Abspaltung von Pyrophosphat (Diphosphat, PPi).
DNA
Die DNA ist aus vier unterschiedlichen Desoxynucleotiden aufgebaut, die aus 2'-Desoxyribose, einer der folgenden vier Basen
Adenin
Cytosin
Guanin
Thymin
und einem Phosphatrest bestehen.
DNA-Einzelstränge bilden durch die Paarung komplementärer Basen über Wasserstoffbrücken einen Doppelstrang aus. Man spricht von einer Doppelhelix.
RNA
Die RNA ist aus vier unterschiedlichen Nucleotiden aufgebaut, die aus Ribose, einer der folgenden vier Basen
Adenin
Cytosin
Guanin
Uracil
und einem Phosphatrest bestehen.
Die einzelsträngige RNA bildet nur in bestimmten Abschnitten intramolekulare helikale Strukturen aus.
Struktur von DNA und RNA
Ein Nucleotid besteht aus einer Base, einem Zucker (Pentose) und einem bis drei Phosphatresten. Die Verbindung aus Zucker und Base bezeichnet man als Nucleosid. Nucleotide sind auf charakteristische Weise miteinander zu Polynucleotiden, den Nucleinsäuren, verknüpft. Während RNA als Zucker Ribose und die Basen Adenin, Cytosin, Guanin und Uracil enthält und weitestgehend einzelsträngig vorliegt, enthält die DNA Desoxyribose und statt Uracil Thymin. Außerdem lagern sich zwei DNA-Einzelstränge zu einer Doppelhelix zusammen. B, Base.
(Quelle: Königshoff, Brandenburger, Kurzlehrbuch Biochemie, Thieme, 2018)
