Nukleinsäurestoffwechsel

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

Letzte Aktualisierung am: 16. März 2024

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

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Im Rahmen des Nukleinsäurestoffwechsels geht es um den Auf- und Abbau der Nukleinsäuren DNA und RNA. Beide Moleküle haben die Aufgabe, genetische Informationen zu speichern. Störungen bei der Synthese der DNA können zu Mutationen und damit zu Veränderungen der Erbinformation führen.

Was ist der Nukleinsäurestoffwechsel?

Im Rahmen des Nukleinsäurestoffwechsels geht es um den Auf- und Abbau der Nukleinsäuren DNA und RNA.

Der Nukleinsäurestoffwechsel sorgt für die Bildung und den Abbau von Desoxyribonukleinsäure (DNA) und Ribonukleinsäure (RNA). Dabei speichert die DNA die gesamte Erbinformation langfristig im Zellkern. Die RNA ist wiederum für die Proteinsynthese verantwortlich und überträgt damit die Erbinformation auf die Proteine.

Sowohl DNA als auch RNA bestehen aus Nukleinbasen, einem Zucker- und einem Phosphatrest. Das Zuckermolekül ist mit dem Phosphatrest über eine Veresterung verbunden und bindet sich an zwei Phosphatreste. Dabei bildet sich eine Kette aus wiederholenden Phospat-Zucker-Verbindungen aus, an welcher seitlich jeweils eine Nukleinbase am Zucker glukosidisch gebunden ist.

Zum Aufbau von DNA und RNA stehen neben der Phosphorsäure und dem Zucker fünf unterschiedliche Nukleinbasen zur Verfügung. Dabei gehören die beiden Stickstoffbasen Adenin und Guanin zu den Purinabkömmlingen und die beiden Stickstoffbasen Cytosin und Thymin zu den Pirimidin-Abkömmlingen.

In der RNA ist Thymin gegen Uracil ausgetauscht, welches sich durch eine zusätzliche CH3-Gruppe auszeichnet. Die Struktureinheit Stickstoffbase, Zuckerrest und Phosphatrest wird als Nukleotid bezeichnet. In der DNA wird eine Doppelhelixstruktur mit zwei Nukleinsäuremolekülen gebildet, welche durch Wasserstoffbrückenbindungen miteinander zu einem Doppelstrang verbunden sind. Die RNA besteht nur aus einem Strang.

Funktion & Aufgabe

Der Nukleinsäurestoffwechsel hat eine große Bedeutung für die Speicherung und Weitergabe des genetischen Codes. Die Erbinformationen sind zunächst in der DNA durch die Sequenz der Stickstoffbasen gespeichert. Dabei ist die genetische Information für eine Aminosäure über drei hintereinanderfolgende Nukleotide codiert. Die hintereinanderfolgenden Basentripletts speichern so die Information über den Aufbau einer bestimmten Proteinkette. Anfang und Ende der Kette werden durch Signale gesetzt, die keine Aminosäuren codieren.

Die Kombinationsmöglichkeiten der Nukleinbasen und der daraus folgenden Aminosäuren sind extrem groß, sodass es mit Ausnahme von eineiigen Zwillingen keine genetisch identischen Organismen gibt.

Um die genetische Information auf die zu synthetisierenden Eiweißmoleküle zu übertragen, werden zunächst RNA-Moleküle gebildet. Die RNA fungiert als Überträger der genetischen Information und regt die Synthese der Proteine an. Der chemische Unterschied der RNA zur DNA besteht darin, dass in ihrem Molekül statt der Desoxyribose der Zucker Ribose gebunden ist. Des Weiteren ist die Stickstoffbase Thymin gegen Uracil ausgetauscht.

Der andere Zuckerrest bedingt auch die geringere Stabilität und die Einsträngigkeit der RNA. Der Doppelstrang in der DNA sichert die genetische Information gegen Veränderungen ab. Dabei werden zwei Nukleinsäuremoleküle über Wasserstoffbrückenbindung miteinander verbunden. Das ist jedoch nur mit komplementären Stickstoffbasen möglich. So kann es in der DNA nur die Basenpaare Adenin/Thymin beziehungsweise Guanin/Cytosin geben.

Wenn sich der Doppelstrang aufspaltet, wird immer wieder der komplementäre Strang gebildet. Kommt es beispielsweise zu einer Veränderung einer Nukleinbase, erkennen bei der Reparatur der DNA bestimmte dafür verantwortliche Enzyme an der komplementären Base, welcher Defekt vorliegt. Die veränderte Stickstoffbase wird in der Regel korrekt ersetzt. So wird der genetische Code gesichert. Manchmal kann aber doch ein Fehler mit dem Resultat einer Mutation weitergegeben werden.

Neben der DNA und der RNA gibt es noch wichtige Mononukleotide, die beim Energiestoffwechsel eine große Rolle spielen. Dazu zählen beispielsweise ATP und ADP. ATP ist Adenosintriphosphat. Es enthält einen Adeninrest, Ribose und den Triphosphatrest. Das Molekül stellt Energie bereit und wandelt sich bei Energieabgabe in Adenosindiphosphat um, wobei sich ein Phosphatrest abspaltet.

Krankheiten & Beschwerden

Normalerweise ist durch den komplementären Strang in der DNA der Code noch gespeichert, sodass die Reparaturmechanismen bei der Korrektur des Fehlers auf die komplementäre Stickstoffbase zurückgreifen können. Bei massiven chemischen und physikalischen Einwirkungen können jedoch so viele Defekte entstehen, dass es auch mal zu einer falschen Korrektur kommt.

Meist finden diese Mutationen an wenig relevanten Stellen im Erbgut statt, sodass keine Auswirkungen zu befürchten sind. Tritt jedoch ein Fehler in einer wichtigen Region auf, kann es zu einer gravierenden Veränderung des Erbgutes mit massiven Auswirkungen auf die Gesundheit kommen.

Somatische Mutationen sind oft der Auslöser von bösartigen Tumoren. So entstehen jeden Tag Krebszellen. In der Regel werden diese jedoch durch das Immunsystem sofort vernichtet. Bilden sich jedoch viele Mutationen durch starke chemische oder physikalische Einwirkungen (bspw. Strahlung) beziehungsweise durch einen defekten Reparaturmechanismus, kann sich Krebs entwickeln. Das Gleiche gilt bei einem geschwächten Immunsystem.

Im Rahmen des Nukleinsäurestoffwechsels können sich jedoch auch ganz andere Krankheiten entwickeln. Beim Abbau der Nukleinbasen entsteht aus Pyrimidinbasen das vollständig wiederverwertbare Beta-Alanin. Aus Purinbasen entsteht die schwer lösliche Harnsäure. Der Mensch muss Harnsäure über den Urin ausscheiden. Fehlen die Enzyme zur Wiederverwertung der Harnsäure zum Aufbau von Purinbasen, kann die Harnsäurekonzentration so ansteigen, dass es zur Ausfällung von Harnsäurekristallen in den Gelenken mit der Ausbildung von Gicht kommt.

Quellen

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