Nucleinsäuren als Träger und Speicher der genetischen Information
Das Wissen über die chemische Struktur von Nucleinsäuren ist eine wichtige Voraussetzung für das Verständnis der Funktion von DNA als Speicher der Erbinformation und der RNA als funktionelles Molekül bei der Genexpression. Anfang des 20. Jahrhunderts wurde entdeckt, dass Nucleinsäuren vier Typen von Nucleotiden enthalten, die aus einer stickstoffhaltigen Base, einer Phosphatgruppe und einer Pentose (Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen) bestehen. DNA wird durch enzymatische Polymerisation aufgebaut. Ein DNA-Strang dient dabei als Matrize für die Synthese eines neuen Strangs. Die Nucleotidbausteine werden durch komplementäre Basenpaarung positioniert und durch eine Polymerase mit dem benachbarten Nucleotid verknüpft, um den neuen Strang aufzubauen.
Die Struktur der Nucleinsäuren konnte erst 1953 aufgeklärt werden. Nucleinsäuren sind hochpolymere unverzweigte Makromoleküle, die aus den drei chemischen Grundbausteinen Zucker, Phosphorsäurereste und stickstoffhaltigen organischen Basen bestehen. Diese bilden die Monomereinheiten, die Nucleotide. Als Zucker kommen zwei Pentosen, (Zuckermoleküle mit fünf Kohlenstoffatomen), die Desoxyribose und die Ribose, infrage. Entsprechend werden die Nucleinsäuren als Desoxyribonucleinsäure oder Ribonucleinsäure bezeichnet.
Für die Desoxyribonucleinsäure hat sich auch im Deutschen die Kurzschreibweise DNA (aus dem Englischen deoxyribonucleic acid) durchgesetzt, ebenso für Ribonucleinsäure RNA (ribonucleic acid).
Die DNA enthält als Zuckerkomponente die 2'-Desoxyribose. Bei der RNA stellt die Ribose den Zucker im Nucleotid dar.
Die vier organischen Basen, die Nucleinsäurebasen, der DNA sind Cytosin, Thymin, Adenin und Guanin. In der RNA ist Thymin durch Uracil ersetzt.
Das Rückgrat eines polymeren Nucleinsäurefadens besteht alternierend aus Phosphorsäure- und Pentoseresten. Dabei ist die Phosphorsäure mit den OH-Gruppen zweier Pentosen verestert. Die Nucleobase ist über eine N-glycosidische Bindung mit der Pentose verbunden. Das N-Glycosid aus Nucleobase und Pentose bezeichnet man als Nucleosid, den Baustein aus Nucleobase, Pentose und Phosphat als Nucleotid.
Synthese
Die Monomere werden im Stoffwechsel der Zelle aus Produkten des Nahrungsabbaus synthetisiert. Desoxyribonucleinsäure (DNA) und Ribonucleinsäure (RNA) werden durch enzymatische Polymerisation aufgebaut. Als Bausteine dienen Nucleosidtriphosphate. Durch Reaktion der OH-Gruppe eines Nucleotids mit dem Phosphor eines anderen Nucleotids entsteht unter Freisetzung von Pyrophosphat eine Phosphorsäurediesterbindung.
Die Synthese von DNA verläuft entlang einer DNA-Matrize, die die Sequenz des neu synthetisierten Strangs bestimmt. Von entscheidender Bedeutung ist dabei die komplementäre Basenpaarung. Adenosin bildet ein Basenpaar mit Thymidin (bzw. mit Uridin in der RNA), Cytidin bildet ein Basenpaar mit Guanosin.
Die Knüpfung der Phosphodiesterbindung zwischen zwei Nucleosiden wird durch das Enzym DNA-Polymerase katalysiert.
Die Synthese von RNA verläuft nach einem analogen Schema. Entlang einer DNA-Matrize werden die Nucleosidtriphosphate enzymatisch polymerisiert. Anstelle einer DNA-Polymerase kommt jetzt eine RNA-Polymerase zum Einsatz.
Die DNA ist Träger der Erbinformation. Die RNA ist an der
Umsetzung der Erbinformation beteiligt und spielt eine wichtige Rolle in den Prozessen der Transkription und Translation.
DNA- und RNA-Oligonucleotide lassen sich auch durch automatische Festphasensynthese im Labor herstellen.
