Nukleinsäuren

Medizinische Expertise: Dr. med. Nonnenmacher
Qualitätssicherung: Dipl.-Biol. Elke Löbel, Dr. rer nat. Frank Meyer

Letzte Aktualisierung am: 12. März 2024

Dieser Artikel wurde unter Maßgabe medizinischer Fachliteratur und wissenschaftlicher Quellen geprüft.

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Nukleinsäuren setzen sich aus einer Aneinanderreihung einzelner Nukleotiden zu Makromolekülen zusammen und sind als Hauptbestandteil der Gene in den Zellkernen Träger der Erbinformation, und sie katalysieren viele biochemische Reaktionen.

Die einzelnen Nukleotide bestehen jeweils aus einem Phosphat- und einem Nukleinbasenanteil sowie aus dem Pentoseringmolekül Ribose oder Desoxyribose. Die biochemische Wirksamkeit der Nukleinsäuren basiert nicht nur auf ihrer chemischen Zusammensetzung, sondern auch auf ihrer Sekundärstruktur, auf ihrer dreidimensionalen Anordnung.

Was sind Nukleinsäuren?

Bausteine der Nukleinsäuren sind einzelne Nukleotide, die sich jeweils aus einem Phosphatrest, dem Monosaccharid Ribose oder Desoxyribose mit jeweils ringförmig angeordneten 5 C-Atomen und einer von fünf möglichen Nukleinbasen zusammensetzen. Die fünf möglichen Nukleinbasen sind Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C), Thymin (T) und Uracil (U).

Nukleotide, die Desoxyribose als Zuckerbestandteile enthalten, werden zu Desoxyribonukleinsäuren (DNS) aneinandergereiht und Nukleotide mit Ribose als Zuckeranteil werden zu Ribonukleinsäuren (RNS) aufgebaut. Uracil als Nukleinbase kommt ausschließlich in der RNS vor. Uracil ersetzt dort Thymin, das ausschließlich in der DNS zu finden ist. Das bedeutet, dass für den Aufbau der DNS und der RNS nur jeweils 4 verschiedene Nukleotide zur Verfügung stehen.

Im englischen und internationalen Sprachgebrauch wie auch in deutschen Fachbeiträgen werden meist die Abkürzungen DNA (desoxyribonucleic acid) anstelle DNS und RNA (ribonucleic acid) anstelle RNS verwendet. Außer den natürlich vorkommenden Nukleinsäuren in Form von DNS oder RNS werden in der Chemie synthetische Nukleinsäuren entwickelt, die als Katalysator bestimmte chemische Prozesse ermöglichen.

Anatomie & Aufbau

Nukleinsäuren bestehen aus einer Aneinanderkettung einer riesigen Anzahl von Nukleotiden. Ein Nukleotid setzt sich immer aus dem ringförmigen Monozucker Desoxyribose im Falle der DNS oder aus Ribose im Falle der RNS sowie einem Phosphatrest und einem Nukleinbasenteil zusammen. Ribose und Desoxyribose unterscheiden sich nur dadurch, dass sich bei der Desoxyribose durch Reduktion, also durch Zufügung eines Elektrons, eine OH-Gruppe in ein H-Ion verwandelt und dadurch chemisch stabiler wird.

Ausgehend von der ringförmig vorliegenden Ribose oder Desoxyribose mit jeweils 5 C-Atomen, ist die Nukleinbasengruppe bei jedem Nukleotid über eine N-glykosidische Bindung mit dem gleichen C-Atom verbunden. N-glykosidisch bedeutet, dass das entsprechende C-Atom des Zuckers mit der NH2-Gruppe der Nukleinbase verbunden ist. Wenn man das C-Atom mit der glykosidischen Bindung als Nr. 1 bezeichnet, ist – im Uhrzeigersinn gesehen – das C-Atom mit der Nr. 3 mit der Phosphatgruppe des nächsten Nukleotids über eine Phosphodiesterbindung verbunden, und das C-Atom mit der Nr. 5 mit der „eigenen“ Phosphatgruppe verestert. Beide Nukleinsäuren, DNS und RNS setzen sich jeweils aus reinrassigen Nukleotiden zusammen.

Das heißt, dass die zentralen Zuckermoleküle der DNS-Nukleotide immer aus Desoxyribose und die der RNS immer aus Ribose bestehen. Die Nukleotide einer bestimmten Nukleinsäure unterscheiden sich lediglich durch die Reihenfolge der jeweils 4 möglichen Nukleinbasen. Die DNS kann man sich als dünne Bänder vorstellen, die in sich gewunden sind und durch ein komplementäres Gegenstück vervollständigt werden, so dass die DNS normalerweise als Doppelhelix vorliegt. Dabei liegen sich immer die Basenpaare Adenin und Thymin sowie Guanin und Cytosin gegenüber.

Funktion & Aufgaben

DNS und RNS übernehmen unterschiedliche Aufgaben und Funktionen. Während die DNS keine funktionellen Aufgaben übernimmt, greift die RNS in verschiedene Stoffwechselprozesse ein. Die DNS dient jeder Zelle als zentraler Speicherort der Erbinformation. Sie beinhaltet die Bauanleitung des gesamten Organismus und stellt diese bei Bedarf zur Verfügung.

In der DNS ist der Aufbau aller Proteine in Form von Aminosäurensequenzen gespeichert. In der praktischen Durchführung wird die codierte Information der DNS zunächst über den Vorgang der Transkription „abgeschrieben“ und in die entsprechende Aminosäurensequenz übersetzt (transkribiert). Alle diese erforderlichen komplexen Arbeitsfunktionen werden von speziellen Ribonukleinsäuren übernommen. Die RNS übernimmt damit die Aufgaben, innerhalb des Zellkerns einen komplementären Einzelstrang zur DNS zu bilden und als ribosomale RNS durch die Kernporen aus dem Zellkern hinaus in das Cytoplasma zu den Ribosomen zu transportieren, um bestimmte Aminosäuren zu den vorgesehenen Proteinen zusammenzustellen und zu synthetisieren.

Eine wichtige Aufgabe übernimmt dabei die tRNA (transfer-RNA), die aus relativ kurzen Ketten von etwa 70 bis 95 Nukleotiden besteht. Die tRNA hat eine kleeblattähnliche Struktur. Ihre Aufgabe besteht darin, die gemäß Kodierung durch die DNS vorgesehenen Aminosäuren aufzunehmen und den Ribosomen zur Proteinsynthese zur Verfügung zu stellen. Einige tRNAs sind auf bestimmte Aminosäuren spezialisiert, allerdings sind andere tRNAs für mehrere Aminosäuren gleichzeitig zuständig.

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Krankheiten

Die komplexen Vorgänge im Zusammenhang mit der Zellteilung, also der Replikation der Chromosomen und der Übersetzung des genetischen Codes in Aminosäurensequenzen kann es zu einer Reihe von Fehlfunktionen kommen, die sich in einer großen Bandbreite möglicher Auswirkungen von letal (nicht lebensfähig) bis kaum spürbar äußern.

In seltenen Ausnahmefällen können die zufällig erfolgten Fehlfunktionen auch zu einer verbesserten Anpassung des Individuums an die Umweltbedingungen führen und dementsprechend zu positiven Auswirkungen führen. Bei der Replikation der DNS kann es zu spontanen Veränderungen (Mutationen) in einzelnen Genen kommen (Genmutation) oder es kann zu einem Fehler in der Verteilung der Chromosomen auf die Zellen kommen (Genommutation). Ein bekanntes Beispiel für eine Genommutation ist die Trisomie 21 – auch als Down-Syndrom bekannt.

Ungünstige Umweltbedingungen in Form von enzymarmer Ernährung, anhaltenden Stresssituationen, übermäßiger Belastung durch UV-Bestrahlung erleichtern die Schädigung der DNS, die zu einer Schwächung des Immunsystems führen kann und die Ausbildung von Krebszellen begünstigt. Auch toxische Stoffe können die vielfältigen Funktion der RNA beeinträchtigen und zu erheblichen Beeinträchtigungen führen.

Quellen

Baenkler, H.-W., et al.: Kurzlehrbuch Innere Medizin. Thieme Verlag, Stuttgart 2010
Lodish et al.: Molekulare Zellbiologie. 4. Auflage, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, 2001
Neumeister, B. et al.: Klinikleitfaden Labordiagnostik. Elsevier/Urban & Fischer, München 2009

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