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B978-3-437-43325-2.00007-X

10.1016/B978-3-437-43325-2.00007-X

978-3-437-43325-2

Ausschnitt aus einer Ribonukleinsäure und einer Desoxyribonukleinsäure.

Basenpaarungen in der DNA; in den beiden Ketten eines Doppelstrangs stehen sich komplementäre Basen gegenüber.

Schematische Darstellung der α-Doppelhelix der B-DNA.

Nukleinsäuren, Nukleotide, Chromatin

  • 7.1

    Wegweiser113

  • 7.2

    Nukleotide113

    • 7.2.1

      Struktur113

    • 7.2.2

      Reaktionen114

  • 7.3

    Nukleinsäuren115

    • 7.3.1

      Klassifizierung115

    • 7.3.2

      Struktur115

    • 7.3.3

      Reaktionen117

  • 7.4

    Chromatin118

IMPP-Hits

Wegweiser

In den Nukleinsäuren ist die genetische Information aller lebenden Organismen codiert (Kap. 7.3). Die Desoxyribonukleinsäure (DNS oder DNA, für engl. acid = Säure) ist die eigentliche Erbsubstanz. Im Zellkern ist die DNA in Form des Chromatins angeordnet (Kap. 7.4). Von dort wird die Information durch die Ribonukleinsäuren (RNA) zu den Ribosomen übertragen, wo die Proteinbiosynthese abläuft.
Die Nukleotide sind die Bausteine der Nukleinsäuren (Kap. 7.2).

Nukleotide

Struktur

NukleotideNukleotide:StrukturDie Nukleotide der Nukleinsäuren bestehen aus:
  • NukleinbaseNukleinbase. Dies ist entweder

    • eine Purinbase: Adenin, Guanin (Kap. 2.5.2.3),

    • oder eine Pyrimidinbase: Cytosin, Thymin, Uracil (Kap. 2.5.2.2). Die DNA enthält Cytosin und Thymin. In der RNA kommt Uracil anstelle von Thymin vor.

Lerntipp

Zwei Eselsbrücken, um die Klassen der Nukleinbasen nicht zu verwechseln:

  • Purine tragen einen kürzeren Namen als Pyrimidine, sind aber die größeren Moleküle. Sie bestehen aus zwei Ringen und enthalten im Vergleich zu den Pyrimidinen einen zusätzlichen Imidazolring.

  • Cytosin und Thymin enthalten beide ein „y“, sie gehören zu den Pyrimidinen. Thymin wird in der RNA durch Uracil ersetzt, auch im Alphabet folgt auf „T“ gleich „U“.

  • PentosePentose (Kap. 4.2.2.3). Der C5-Zucker ist

    • Ribose in der RNA

    • 2-Desoxyribose in der DNA.

  • Phosphatgruppe (Kap. 3.10.3.2).

Die Verbindung einer Nukleotidbase mit Ribose oder Desoxyribose wird als Nukleosid bezeichnet.

Aus den dargestellten Basen werden die Nukleoside Adenosin, Guanosin, Cytidin, Thymidin und Uridin.

Bei den Nukleotiden wird je nach dem enthaltenen Zucker von Ribonukleotiden oder Desoxyribonukleotiden gesprochen.

Merke

  • Nukleosid Nukleosid= Zucker + BaseNukleotid

    Nukleotid = Zucker + Base + Phosphat

  • DNADNA enthält Desoxyribose, Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin

  • RNARNA enthält Ribose, Adenin, Guanin, Cytosin und Uracil

Im Allgemeinen können Nukleoside auch andere als die bisher genannten Basen und Zucker enthalten. Diese Nukleoside sind allerdings nicht in den Nukleinsäuren enthalten. Sie erfüllen aber andere für den Stoffwechsel wichtige Funktionen, z. B. ist das Vitamin RiboflavinRiboflavin (Vitamin B2Vitamin:B2, Kap. 8.3.2.2) eine Verbindung der Base Flavin und des Zuckeralkohols Ribitol.

Lerntipp

Bitte achten Sie darauf, Nukleoside und Nukleotide nie zu verwechseln. Als kleine Merkhilfe: Nukleotide beinhalten auch eine Phosphatgruppe.

Die Nukleotide werden weiter eingeteilt:

  • Mononukleotide enthalten Base, Zucker und Phosphat. Beispiele sind:

    • Nukleotide:A∗MP∗AMP (Adenosinmonophosphat; auch: Adeninmononukleotid oder kurz: Adeninnukleotid),

  • Nukleotide:C∗MP∗CMP (Cytidinmonophosphat) oder

  • GMP (Guanosinmonophosphat).

  • Dinukleotide setzen sich aus zwei Mononukleotiden zusammen. Biochemisch wichtige Dinukleotide sind:

  • Nukleotide:F∗AD∗FAD (Flavin-adenin-dinukleotid), bestehend aus Flavinmononukleotid (FMN) und AMP (Kap. 8.3.2.2).

  • Nukleotide:N∗AD∗NAD (Nikotinsäureamid-adenin-dinukleotid), aus Nikotinsäureamidmononukleotid (NMN) und AMP (Kap. 8.3.2.8).

  • Nukleotide:N∗ADP∗NADP entsteht aus NAD+ durch Phosphorylierung am C2-Atom der Ribose des Adenosins.

  • Bei cyclischen Nukleotiden bildet die (am C5-Atom durch eine Esterbindung gebundene) Phosphorsäure durch eine zweite Esterbindung am C3-Atom der Ribose einen Ring (cyclischer Phosphorsäurediester). cAMP (cyclisches Adenosinmonophosphat) und cGMP (cyclisches Guanosinmonophosphat) sind als sogenannte Second messenger wichtige Moleküle der Informationsübertragung in Zellen.

    In den Nukleosiden ist die Base mit dem Zucker N-glykosidisch verbunden. Durch Esterbindung einer Phosphatgruppe an den Zucker entstehen daraus die Nukleotide. Zunächst werden Nukleosidmonophosphate gebildet, Nukleosiddi- und -triphosphate entstehen durch Anfügen weiterer Phosphatgruppen mit Säureanhydridbindungen (Kap. 3.10.3.2).

Aus Adenosin bauen sich so seine Phosphate Adenosinmonophosphat (AMP), Adenosindiphosphat (ADP) und Adenosintriphosphat (ATP) auf:

Reaktionen

Nukleotide:ReaktionenIn den Nukleinsäuren verbinden sich Nukleotide zu Polymeren.
Beim Abbau der Nukleotide können die N-glykosidische Bindung, die Esterbindung und die Anhydridbindung hydrolytisch gespalten werden.
Eine Spaltung der N-glykosidischen Bindung findet beim Abbau der Nukleoside zu Zucker und Base statt.
Die Nukleosidphosphate sind energiereiche Verbindungen. Beim Abspalten einer Phosphatgruppe wird Energie frei. Die Hydrolyse der Anhydridbindungen liefert mehr Energie als die der Esterbindung (Kap. 3.10.3.2).

Merke

Besonders ATP ist im Organismus als Energieträger an vielen Stoffwechselvorgängen beteiligt. Die bei der Spaltung zum ADP und weiter zum AMP frei werdende Energie wird in zahlreichen biochemischen Reaktionen genutzt. Die Phosphatgruppen können dabei auch auf andere Moleküle übertragen und diese damit aktiviert werden. So beginnt z.B. die Glykolyse, d.h. der Abbau von Zucker zur Energiegewinnung, mit einer Phosphorylierung der Glucose zum Glucose-6-Phosphat.

Nukleinsäuren

Klassifizierung

NukleinsäurenBei den Nukleinsäuren wird zwischen Desoxyribonukleinsäure (DNA) und Ribonukleinsäure (RNA) unterschieden.
  • DesoxyribonukleinsäureDesoxyribonukleinsäure enthält als Zucker Desoxyribose und die Nukleinbasen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin.

  • RibonukleinsäureRibonukleinsäure enthält den Zucker Ribose und die Basen Adenin, Uracil, Guanin und Cytosin. Die RNA wird in weitere Klassen unterteilt, die jeweils verschiedene spezielle Funktionen innerhalb der Zelle erfüllen.

    • Ribonukleinsäuren:m∗RNA∗mRNAmRNA (Messenger-RNA) überträgt die genetische Information aus dem Zellkern zu den Ribosomen. Der genetische Code legt die Aminosäuresequenz der Proteinsynthese fest.

    • Ribonukleinsäuren:h∗nRNA∗hnRNAhnRNA (heterogene nukleare RNA) transkribiert den Code der DNA. Die Information der DNA wird im Kern als komplementäre Matrix auf die hnRNA kopiert. In den Eukaryozyten, d. h. bei Zellen mit einem Zellkern, ist sie der Vorläufer der mRNA. Die hnRNA wird während und nach der Transkription durch Modifikationen in mRNA umgewandelt.

    • tRNARibonukleinsäuren:t∗RNA∗tRNA (Transfer-RNA) bindet an jeweils eine bestimmte Aminosäure im Zytoplasma und transportiert diese zum Ribosom. Dort bindet sie an die mRNA und entsprechend der dort codierten Reihenfolge werden die Aminosäuren aneinander gereiht.

    • rRNARibonukleinsäuren:r∗RNA∗rRNA (ribosomale RNA) ist Bestandteil der Ribosomen. Sie beeinflusst deren Struktur und Funktion.

    • snRNARibonukleinsäuren:s∗nRNA∗snRNA (small nuclear RNA) sind kleine, etwa 100–300 Basenpaare umfassende RNA-Fragmente. Sie wirken bei der Verarbeitung der hnRNA zur mRNA mit.

    • Weitere spezielle RNA-Arten, die hier nicht gesondert aufgeführt werden sollen, sind in den Mitochondrien und im Zytoplasma vorhanden.

Struktur

Nukleinsäureketten
Nukleinsäureketten

Nukleotide bilden Polymerketten, in denen sie durch Phosphorsäurediesterbindungen aneinander gereiht sind. Die Phosphatgruppe bindet in 3'- und 5'-Stellung an die Zuckermoleküle (Abb. 7.1). Es bildet sich ein Strang, in dem sich jeweils ein Zucker und eine Phosphatgruppe abwechseln.

An einer Nukleinsäurekette sind das 3'-Ende und das 5'-Ende unterscheidbar (Kap. 4.3.1). Damit kann in der Basensequenz eine Leserichtung festgelegt werden.
Die Nukleinbasen sind die Buchstaben des genetischen Codes. Jeweils drei Basen bilden ein CodonCodon, sie codieren eine bestimmte Aminosäure. Es gibt aber auch Start- und Stoppcodons, die Beginn und Ende des Ablesevorgangs festlegen.
Die RNA liegt meist einzelsträngig vor, während zueinander komplementäre DNA-Stränge einen Doppelstrang bilden.
Die Nukleinbasen beider DNA-Stränge heften sich durch Wasserstoffbrückenbindungen aneinander. ThyminThymin und AdeninAdenin gehen zwei, CytosinCytosin und GuaninGuanin drei H-Brückenbindungen ein. Es sind deshalb nur die Paarungen Adenin (A) und Thymin (T) sowie Cytosin (C) und Guanin (G) möglich (Abb. 7.2). Im Doppelstrang der DNA stehen sich dadurch jeweils komplementäre Basen gegenüber.

Lerntipp

Einfach zu merken ist, dass sich in der DNA die Basen mit „rundem“ Anfangsbuchstaben C und G mit drei („rundes“ d) Wasserstoffbrücken paaren, während die Basen mit „eckigem“ Anfangsbuchstaben A und T nur zwei („eckiges“ z) Wasserstoffbrücken ausbilden.

UracilUracil kann ebenfalls zwei Wasserstoffbrücken bilden. Deshalb kann es bei Bildung der RNA seinen Platz anstelle des Thymins der DNA einnehmen.
Das gesamte Genom des Menschen enthält etwa 3 · 109 Basenpaare.
DNA-Doppelhelix
DNA-DoppelhelixDie Phosphorsäurediestergruppen sind bei pH 7 negativ geladen. Sie schirmen die Basen im Inneren des Doppelstrangs gegen das polare Lösungsmittel Wasser ab. Durch die Wasserstoffbrückenbindungen und die lipophile Wechselwirkung zwischen den Basen verdrillt sich der Doppelstrang zu einer Doppelhelix.
Für die Doppelhelix sind drei Konformationen bekannt:
  • B-DNA-Doppelhelix:B∗-DNA∗DNA ist der bei weitem überwiegende Anteil der zellularen DNA. Es bildet sich eine rechtsgängige α-Doppelhelix mit etwa 10 Basenpaaren pro Windung (Abb. 7.3). Der Durchmesser der DNA-Helix beträgt 2 nm, der Abstand der Basen 0,34 nm. Entlang der Helix ist der Abstand der Zucker-Phospat-Ketten nicht konstant. Es treten abwechselnd eine kleine Furche zwischen beiden Ketten des Doppelstrangs und eine große Furche bis zur nächsten Umdrehung des Wendels auf. Die Ganghöhe des Doppelwendels liegt bei 3,4 nm.

  • A-DNA-Doppelhelix:A∗-DNA∗DNA entsteht hauptsächlich in vitro aus der B-Form und enthält 11 Basenpaare pro Windung. Hybride aus DNA und RNA liegen ebenfalls in der A-Form vor.

  • Z-DNA-Doppelhelix:Z∗-DNA∗DNA ist linksgängige DNA mit 12 Basenpaaren pro Windung. Sie kommt in CG-reichen Sequenzen vor.

Reaktionen

Abbau der Nukleinsäuren
Nukleinsäuren:AbbauIn vitro können die Phosphorsäureesterbindungen durch Hydrolyse in saurem oder alkalischem Milieu gespalten werden. In vivo erfolgt die Spaltung enzymatisch durch die Nukleasen.
Denaturierung
Nukleinsäuren:DenaturierungDenaturierungWenn die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basen der DNA oder doppelsträngiger RNA gelöst werden, denaturiert das Molekül. Die Doppelhelix entspiralisiert sich und zerfällt in Einzelstränge.
Die Denaturierung kann durch Erhitzen erfolgen. Abhängig von der Temperatur ist sie reversibel. Ein schnelles, schockartiges Erhitzen verhindert die Renaturierung.
Die DNA denaturiert ebenfalls reversibel im alkalischen Milieu ab einem pH von 11,6.
Hybridisierung
Nukleinsäuren:HybridisierungHybridisierungDie DNA kann auch mit RNA einen Doppelstrang bilden. Solche Hybride entstehen bei der Replikation und der Transkription der DNA.
Quantitativer Nachweis
DNA und RNA unterscheiden sich in ihrer Viskosität. Doppelsträngige Nukleinsäuren sind viskoser als einzelsträngige. Der Gehalt an Nukleinsäuren in einer Lösung kann durch Nukleinsäuren:V∗iskositätsmessung∗Viskositätsmessung bestimmt werden.
UV-Licht der Wellenlänge 260 nm wird von Nukleinsäuren absorbiert, da es die Elektronen im 5-Ring des Adenins anregt. Der Nukleinsäuregehalt kann so durch photometrische Nukleinsäuren:p∗hotometrische Messung∗Messung bestimmt werden.

Chromatin

ChromatinDie DNA liegt im Genom der Zellen der Eukaryonten nicht als isolierter Faden vor, sondern zusammen mit Proteinen als Chromatin. Die Proteine des Chromatins sind die HistoneChromatin:H∗istone∗Histone, globuläre basische Proteine mit hohem Gehalt an Arginin und Lysin (Kap. 5.2.1).
Es existieren 5 Arten der Histone, H1, H2A, H2B, H3 und H4. Diese Untergruppen unterscheiden sich in ihrer Molekülmasse und Aminosäurezusammensetzung. Je zwei H2A, H2B, H3 und H4 bilden die NukleosomNukleosomen, einen Oktamer mit kugelförmiger Quartärstruktur, die zwei Rillen aufweist. Zwischen den positiv geladenen Gruppen der basischen Histone und den sauren, negativ geladenen Phosphatgruppen der DNA wirkt eine elektrostatische Anziehung. Die DNA wickelt sich in den Rillen um die Nukleosomen. Eine Länge von 140 Basenpaaren ist auf das Nukleosom angelagert, dann verläuft der Strang frei, auf einer Länge von 60 Basenpaaren, bis zum nächsten Nukleosom. So entsteht eine perlschnurartige Struktur, die durch die Anlagerung von H1-Histonen weiter verdichtet wird. Diese Perlschnur spiralisiert sich nochmals und es entsteht eine DNA-DNA-SuperhelixSuperhelix.
Neben den Histonen enthält das Chromatin auch andere, Nicht-Histon-Proteine. Diese erfüllen spezielle Aufgaben als Transkriptionsfaktoren oder Strukturproteine.

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