Definition

Nomen
Plural: Nukleinsäure
Nukleinsäure, nuˈkleɪ.ɪk ˈæsɪd
Eine der Gruppen komplexer Verbindungen, die aus linearen Ketten monomerer Nukleotide bestehen, wobei jede monomere Einheit aus Phosphorsäure, Zucker und einer stickstoffhaltigen Base zusammengesetzt ist, und die an der Erhaltung, Replikation,

Details

Übersicht

Ein Biomolekül ist ein Molekül, das von lebenden Organismen produziert wird. Die meisten von ihnen sind organische Moleküle. Zu den vier Hauptgruppen von Biomolekülen gehören Aminosäuren und Proteine, Kohlenhydrate (insbesondere Polysaccharide), Lipide und Nukleinsäuren. Eine Nukleinsäure ist eine der Gruppen komplexer Verbindungen, die aus linearen Ketten monomerer Nukleotide bestehen. Jede Nukleotidkomponente besteht wiederum aus Phosphorsäure, Zucker und einer Stickstoffbase. Nukleinsäuren sind an der Erhaltung, Replikation und Expression von Erbinformationen beteiligt. Zwei Haupttypen von Nukleinsäuren sind die Desoxyribonukleinsäure (DNA) und die Ribonukleinsäure (RNA).

Geschichte und Terminologie

Die Entdeckung der Nukleinsäuren wurde 1868 dem Schweizer Arzt und Biologen Friedrich Miescher (1844 -1895) zugeschrieben. Ihm gelang es, aus den Kernen weißer Blutkörperchen ein biologisches Molekül zu isolieren, das weder ein Protein, noch ein Kohlenhydrat, noch ein Lipid war. Er nannte die Verbindung Nuclein, basierend auf dem Ort, von dem er sie stammte.1 Die sauren Eigenschaften der Verbindung wurden von dem deutschen Chemiker Albrecht Kossel (1853-1927) entdeckt. Er war auch der erste, der die Nukleobasen identifizierte: Adenin, Cytosin, Guanin, Thymin und Uracil. Später wurde Nuclein durch Nucleinsäure ersetzt; der Begriff wurde 1889 von dem deutschen Pathologen Richard Altmann (1852-1900) geprägt.2 Das von Miescher entdeckte Nuclein wurde später als DNA identifiziert. Das Doppelhelixmodell der DNA wurde 1953 den Molekularbiologen James Watson (Amerikaner) und Francis Crick (Brite) zugeschrieben. Ihr Doppelhelixmodell der DNA basierte weitgehend auf dem Röntgenbeugungsbild (als Foto 51 bezeichnet) von Rosalind Franklin 1920 – 1958 und Raymond Gosling 1952.

Struktur

Eine Nukleinsäure ist ein Biopolymer, das aus monomeren Einheiten von Nukleotiden besteht. Jedes Nukleotid, aus dem eine Nukleinsäure besteht, setzt sich aus Phosphorsäure, Zucker (5-Kohlenstoff) und einer stickstoffhaltigen Base zusammen. Die Nukleotidketten in einer Nukleinsäure sind durch 3′-, 5′-Phosphodiesterbindungen verbunden. Das bedeutet, dass die 5′-Phosphorsäuregruppe eines Nukleotids mit der 3′-Hydroxylgruppe des angrenzenden Nukleotids verestert ist.

Typen

Zwei Haupttypen von Nukleinsäuren sind DNA und RNA. Die DNA ist eine doppelsträngige Nukleinsäure, die die genetische Information eines Lebewesens enthält. Sie ist für das Wachstum, die Teilung und die Funktion der Zellen eines Organismus unerlässlich. RNA ist eine einzelsträngige Nukleinsäure, mit Ausnahme einiger viraler RNAs und siRNA, die doppelsträngig sind.

	DNA	RNA
Struktur	DNA besteht aus zwei Strängen, die sich zu einer Helix verschlingen und eine leiterartige Struktur bilden. Jeder Strang besteht abwechselnd aus Phosphat (PO4) und Pentosezucker (2-Desoxyribose), und an den Zucker ist eine stickstoffhaltige Base gebunden, die Adenin, Thymin, Guanin oder Cytosin sein kann. In der DNA paart sich Adenin mit Thymin und Guanin mit Cytosin. Nicht alle DNAs sind doppelsträngig. Eine Gruppe von Viren hat zum Beispiel ein einzelsträngiges DNA-Genom.	RNA besteht aus einer langen linearen Kette von Nukleotiden. Jede Nukleotideinheit besteht aus einem Zucker, einer Phosphatgruppe und einer stickstoffhaltigen Base. Sie unterscheidet sich von der DNS durch die Ribose als Zucker (Desoxyribose in der DNS) und die Basen Adenin, Guanin, Cytosin und Uracil. In der RNA paart sich Adenin mit Uracil und Guanin mit Cytosin. RNAs sind einzelsträngig, außer bei bestimmten Viren, deren Genom aus doppelsträngiger RNA besteht.
Lage	In Eukaryoten befinden sich die meisten DNAs in den Nukleoli und Chromosomen im Zellkern. Ein kleiner Teil der gesamten DNA befindet sich in Mitochondrien, Chloroplasten und im Zytoplasma. Bei Prokaryoten und Viren befindet sich die DNA im Zytoplasma.	Bei Eukaryonten befindet sich die RNA im Zellkern und im Zytoplasma. Bei Prokaryonten und Viren befindet sie sich im Zytoplasma.
Funktion	Die DNA ist ein langes Polymer von Nukleotiden, das bei der Proteinsynthese für die Abfolge der Aminosäuren kodiert. Die DNA ist Träger des genetischen „Bauplans“, da sie die Anweisungen oder Informationen (Gene genannt) enthält, die für den Aufbau zellulärer Komponenten wie Proteine und RNAs benötigt werden.	Bei einigen Viren ist die RNA das genetische Material. Bei den meisten Organismen sind RNAs beteiligt an: der Proteinsynthese (z. B. mRNA, tRNA, rRNA usw.), der posttranskriptionellen Modifikation oder DNA-Replikation (z. B. snRNA, snoRNA usw.) und der Genregulation (z. B. miRNA, siRNA, tasiRNA usw.).

Gemeinsame biologische Reaktionen

Die DNA-Replikation ist ein Prozess, bei dem die ursprünglichen (Eltern-)Stränge der DNA in der Doppelhelix getrennt werden und jeder von ihnen kopiert wird, um einen neuen (Tochter-)Strang herzustellen. Dieser Prozess wird als semikonservativ bezeichnet, da einer der beiden Elternstränge erhalten bleibt und nach der Replikation intakt bleibt. An der DNA-Replikation sind mehrere Enzyme, z. B. DNA-Polymerasen, beteiligt. Einer der Elternstränge des DNA-Moleküls wird durch Basenpaarung repliziert, so dass der neu synthetisierte Strang komplementär zum ursprünglichen oder Elternstrang ist. Das heißt, die Purin-Nukleobase (d. h. Adenin und Guanin) wird mit der Pyrimidin-Nukleobase (d. h. Cytosin und Thymin) gepaart. Insbesondere wird Adenin mit Thymin gepaart, während Guanin mit Cytosin gepaart wird. Die DNA-Replikation ist für die Zellteilung erforderlich. In den frühen Stadien der Mitose (Prophase) und der Meiose (Prophase I) wird die DNA repliziert, um die späten Stadien vorzubereiten, in denen sich die Zelle teilt und zwei Zellen mit identischen DNA-Kopien hervorbringt. Nach der Replikation werden die Kopien des DNA-Moleküls durch Korrekturlesemechanismen überprüft. Die DNA-Replikation kann künstlich durch eine Labortechnik namens Polymerase-Kettenreaktion durchgeführt werden, die das Ziel-DNA-Fragment aus dem Genom amplifizieren kann.

Gemeinsame biologische Reaktionen

Die DNA trägt die genetische Information, die für ein bestimmtes Protein kodiert. Bei der Protein-Translation wird also zunächst der genetische Code für ein Protein in die RNA (genauer gesagt, mRNA) kopiert. Dieser Vorgang, bei dem mit Hilfe des Enzyms RNA-Polymerase eine Kopie der DNA in mRNA erstellt wird, heißt Transkription. Obwohl die RNA-Polymerase den DNA-Vorlagestrang von 3′ → 5′ durchläuft, wird in der Regel der kodierende (Nicht-Vorlagen-)Strang als Referenzpunkt verwendet. Der Prozess läuft also in der Richtung 5′ → 3′ ab, wie bei der DNA-Replikation. Im Gegensatz zur DNA-Replikation benötigt die Transkription jedoch keinen Primer, um zu beginnen, und nutzt die Basenpaarung, um eine RNA-Kopie zu erstellen, die Uracil anstelle von Thymin enthält.
Bei Prokaryonten findet die Transkription im Zytoplasma statt, während sie bei Eukaryonten hauptsächlich im Zellkern erfolgt, bevor die mRNA zur Übersetzung oder zur Proteinsynthese ins Zytoplasma transportiert wird.

Allgemeine biologische Reaktionen

Beim Abbau von Nukleinsäuren entstehen Purine, Pyrimidine, Phosphorsäure und eine Pentose, entweder D-Ribose oder D-Desoxyribose.

Biologische Bedeutung

Nukleinsäuren enthalten die genetische Information, die für alle Zellfunktionen und die Vererbung entscheidend ist. Mutationen im genetischen Code können zu Stoffwechselstörungen und Krankheiten führen. Viele dieser Störungen sind auf ein vermeintlich funktionsfähiges Protein zurückzuführen, das aufgrund einer Mutation in dem oder den Genen, die dafür kodieren, nicht mehr ausreichend produziert wird oder nicht mehr richtig funktioniert. Viele Stoffwechselstörungen und -krankheiten sind vererbbar, da die Gene über Generationen weitergegeben werden. Andererseits sind Mutationen aus evolutionärer Sicht auch notwendig. Sie erhöhen die Variabilität der Lebewesen und ermöglichen ihnen eine bessere Anpassung an die sich ebenfalls verändernde Umwelt.

Ergänzend

Abgeleitete(r) Begriff(e)

• Desoxyribonukleinsäure
• Ribonukleinsäure
• Minus-Strang Nukleinsäure
• Repetitive Sequenzen Nukleinsäure
• In situ Nukleinsäure-Hybridisierung

Weitere Lektüre

Siehe auch

• Biomolekül
• Nukleotid
• Nukleosid
• Nukleobase
• Gen
• Chromosom
• Nukleoprotein