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Nukleinsäuren sind die Träger der genetischen Information. Zwei Typen sind für alles Leben zentral: DNA (Desoxyribonukleinsäure) und RNA (Ribonukleinsäure). Sie speichern, übertragen und setzen die Baupläne für Proteine um.
Nukleotide – die Bausteine
Jedes Nukleotid besteht aus drei Komponenten:
- Zucker: Desoxyribose (DNA) oder Ribose (RNA)
- Phosphatgruppe: $\ce{-PO4^{2-}}$
- Stickstoffbase: Purin- oder Pyrimidinbase
Die Basen:
| Basentyp | DNA | RNA |
|---|---|---|
| Purinbasen (2 Ringe) | Adenin (A), Guanin (G) | Adenin (A), Guanin (G) |
| Pyrimidinbasen (1 Ring) | Cytosin (C), Thymin (T) | Cytosin (C), Uracil (U) |
Nukleotide verbinden sich über Phosphodiester-Bindungen zwischen dem $3'$-OH des Zuckers und dem $5'$-Phosphat des nächsten Nukleotids zu einem Strang.
Der Aufbau der DNA
Die DNA liegt als Doppelhelix vor (Watson & Crick, 1953). Zwei komplementäre Stränge winden sich umeinander:
- Basenpaarung: A paart mit T (2 Wasserstoffbrücken), G paart mit C (3 Wasserstoffbrücken)
- Antiparallel: Ein Strang verläuft $5' \rightarrow 3'$, der andere $3' \rightarrow 5'$
- Durchmesser: 2 nm (konstant, da Purin plus Pyrimidin)
Die Sequenz der Basen kodiert die genetische Information. Der genetische Code verwendet Codons – Tripletts aus drei aufeinanderfolgenden Basen – die für eine bestimmte Aminosäure stehen.
Semikonservative Replikation
Die DNA-Replikation folgt dem semikonservativen Modell (Meselson & Stahl, 1958):
- Das Helicase-Enzym entwindet die Doppelhelix
- Die DNA-Polymerase synthetisiert neue komplementäre Stränge
- Jede Tochterzelle erhält ein Elternstrang (konserviert) und einen Neustrang
Ergebnis: Zwei identische DNA-Doppelhelices, jede aus einem alten und einem neuen Strang.
Transkription und Translation
Die Umsetzung der genetischen Information folgt dem zentralen Dogma der Molekularbiologie:
$$\text{DNA} \xrightarrow{\text{Transkription}} \text{mRNA} \xrightarrow{\text{Translation}} \text{Protein}$$Transkription: Die RNA-Polymerase liest den DNA-Code und synthetisiert eine komplementäre mRNA (messenger RNA). Dabei wird Thymin (T) durch Uracil (U) ersetzt.
Translation: Die mRNA wird an den Ribosomen in eine Aminosäuresequenz übersetzt. Die tRNA (transfer RNA) bringt die passenden Aminosäuren. Jedes Codon auf der mRNA wird von einem anticodon auf der tRNA erkannt.
RNA-Typen
| RNA-Typ | Funktion | Größe |
|---|---|---|
| mRNA (messenger) | Trägt den Bauplan vom Zellkern zu den Ribosomen | variabel |
| tRNA (transfer) | Transportiert Aminosäuren zu den Ribosomen | ~75–90 Nukleotide |
| rRNA (ribosomal) | Struktureller und katalytischer Bestandteil der Ribosomen | 120–4700 Nukleotide |
Übungen
Ein DNA-Abschnitt hat die Sequenz $5'$‑ATGGCCATCG‑$3'$. Gib die Sequenz des komplementären Strangs an (markiere die $5'$‑ und $3'$‑Enden) und bestimme die mRNA-Sequenz, die bei der Transkription dieses Strangs entsteht.
Ein Codon auf der mRNA lautet AUG. Welche Aminosäure wird durch dieses Codon kodiert (verwende eine Codon-Tabelle)? Welche Bedeutung hat das AUG-Codon außerdem für die Proteinbiosynthese?
Erkläre den Unterschied zwischen DNA und RNA in Bezug auf Zucker, Basen und Struktur. Warum ist DNA als Speichermedium besser geeignet als RNA?
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Zusammenfassung
- Nukleotide (Zucker + Phosphat + Base) sind die Bausteine der Nukleinsäuren
- DNA ist eine Doppelhelix mit komplementärer Basenpaarung (A‑T, G‑C)
- Die semikonservative Replikation erzeugt zwei identische DNA-Moleküle
- Transkription: DNA → mRNA
- Translation: mRNA → Protein (an Ribosomen mit tRNA)
- Drei RNA-Typen: mRNA, tRNA, rRNA