Neubearbeitung zum Artikel Nukleotide

Nukleotide

Nukleotide im engeren Sinn sind vor allem die Einzelglieder der Kettenmoleküle Desoxyribonukleinsäure, DNA, und Ribonukleinsäure, RNA, deren Namen Nukleinsäuren daran erinnert, dass sie im Zellkern lebender Organismen entdeckt wurden. Indem die DNA vermöge des genetischen Codes Information speichert und die RNA (unter anderem) solche Information übermittelt, ermöglichen sie eine Grundfunktion des Phänomens Leben: die identische Reduplikation. Nur vier Nukleotide als Bausteine der DNA, die in prinzipiell beliebiger Reihenfolge verknüpft sein können, representieren so die gesamte Formenfülle des Lebens. In der RNA findet man dieselben vier Bausteine in leicht modifizierter Form.

Ungeachtet ihres Namens erfüllen die Nukleinsäuren die gleichen Funktionen auch in Bakterien und Archäen, die bekanntlich keinen Zellkern besitzen. Außerdem haben auch Eukarioten einen Großteil der Nukleotide außerhalb des Zellkerns als rRNA in den Ribosomen, wo die Proteinsynthese stattfindet.

In der Transfer-RNA, deren Funktion es ist, die jeweils vom Code bezeichneten Aminosäuren für die Proteinsynthese heranzuschaffen, finden sich an bestimmten Stellen weitere Nukleotide, dies übrigens unterschiedlich je nach Spezies.

Über weitere Funktionen der sehr vielseitigen RNA s.d. .

Selbständig, als Mononukleotide, spielen sie andere Schlüsselrollen in der Chemie der Zelle, siehe z.B. ATP, gern als die Energiewährung der Zelle bezeichnet und cAMP, ein sogenannter Second Messenger.

Als Halbzeug für die Synthese der Nukleinsäuren hält die Zelle ebenfalls Mononukleotide bereit; für die RNA jederzeit, für die DNA in der Vorbereitung der Mitose.

Schließlich sind noch einige Dinukleotide mit unterschiedlichen Funktionen bekannt.

In Theorien zur Entstehung des Lebens wird RNA gegenüber der DNA als ursprünglicher angesehen.

Auch Viren, gewöhnlich nicht dem Bereich Leben zugerechnet, speichern ihre Information vermittels DNA oder RNA.

Aufbau

Ein Nukleotid besteht aus drei Komponenten. Dabei ist eine

Nukleobase

verknüpft mit einer

Pentose, d.i. ein Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen,

sowie mit

einer Kette von ein bis drei Molekülen Phosphorsäure PO₄H₃,

wobei pro Bindung ein Molekül H₂O abgespalten wird. Die Base ist am 1'-Kohlenstoff, das Phosphat am 5'-Kohlenstoff der Pentose gebunden.

Die Verbindung von Nukleobase und Pentose allein heißt Nukleosid. Demnach ist ein Nukleotid ein Nukleosidphosphat, genauer: ein -mono-, -di- oder -triphosphat.

Alle Verbindungen nach diesem Bauplan sind Nukleotide im weiteren Sinn. Sie bilden eine viel umfangreichere Menge als die aus der Natur bekannten Nukleotide, zumal es keine verbindliche Liste von Nukleobasen zu geben scheint.

Nukleobasen

Die in der DNA auftretenden Nukleobasen (DNA-Basen) sind Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin, kurz A, G, C, T geschrieben. Davon treten A, G. C ebenso in der RNA auf, nur Thymin ist durch das nahe verwandte Uracil (U) ersetzt: Thymin ist ein Methyluracil. Für die Regel der Basenpaarung (s.u.) sind T und U äquivalent: Während stets G mit C paart, paart A mit T oder U. Nach ihren Grundgerüsten werden Adenin und Guanin als Purinbasen, salopp Purine, bezeichnet, dagegen Cytosin, Thymin und Uracil als Pyrimidinbasen, salopp Pyrimidine.

Eine beträchtliche Anzahl von weiteren Nukleobasen finden sich in den schon erwähnten zusätzlichen Nukleotiden bzw. Nukleosiden von tRNAs, s.d.

Zucker und Phosphat

Speziell sind die natürlichen Nukleotide auch insofern, als die Pentose in RNA stets Ribose und in DNA stets Desoxyribose ist. Die Phosphatierung dieser Nukleotide ist einfach. Mononukleotide dagegen treten auch natürlich als Di- oder Triphosphate auf.

Nomenklatur

Die Nukleoside der RNA sind mit Ribose und überwiegend mit einer der Basen

Adenin, Guanin, Cytosin und Uracil

gebildet. Sie tragen eigene Namen:

Adenosin, Guanosin, Cytidin und Uridin.

Daneben gibt es in mRNA regelmäßig das Pseudouridin, das aus Uridin durch eine Umlagerung entsteht. Auch damit ist die Liste nicht vollständig, aber weitere RNA-Nukleoside sind selten.

Die entsprechenden Nukleoside der DNA sind mit Desoxyribose statt Ribose und an Stelle von Uracil mit Thymin gebildet und heißen analog

Desoxyadenosin, Desoxyguanosin, Desoxycytidin und Desoxythymidin.

Diese Liste ist, soweit bekannt, vollständig, solange man DNA betrachtet, die nicht durch chemische Einflüsse oder ionisierende Strahlen geschädigt ist.

Wo man übrigens die Bezeichnung Thymidin findet, die eigentlich die Verbindung von Thymin mit Ribose bezeichnen sollte, ist gewöhnlich Desoxythymidin gemeint. Als Nichtstandardnukleosid kommt die Verbindung von Thymidin und Ribose tatsächlich in bestimmten tRNAs vor. Sie wird dann Ribothymidin oder Methyluridin genannt, was Verwechslungen vermeidet.

Die natürlichen Nukleotide sind dann die Monophosphate, Diphosphate oder Triphosphate der genannten Nukleoside. Ihre Namen werden üblicherweise abgekürzt, wie z.B. ATP, UDP, dTMP.

Das System ist wie folgt: Die Nukleoside werden mit dem Kennbuchstaben A, G, C, T, U ihrer Base bezeichnet (Pseudouridin mit ψ), mit vorgesetztem klein d für Desoxynukleoside. Der Anhang MP, DP oder TP steht für -mono-, -di- oder -triphosphat.

Die obigen Beispiele demnach: ATP ist Adenosintriphosphat, UDP ist Uridindiphosphat und dTMP Desoxythymidinmonophosphat.

Verkettung

Die Kettenmoleküle DNA und RNA werden gebildet, indem die Phosphatgruppe eines Nukleotids (dort an der 5'-Position des Zuckers gebunden) eine Esterbindung mit der 3'-OH-Gruppe eines weiteren Nukleotids eingeht. In der Zelle wird diese Reaktion durch eines von mehreren Enzymen namens Polymerase vermittelt. Das Nukleotid an einem Kettenende, 5'-Ende genannt, trägt dann am 5'C einen PO₄H₂-Rest. Der 3'-Kohlenstoff am anderen Kettenende (dem 3'-Ende) die unveränderte OH-Gruppe. Durchläuft man das Molekül vom 5'- zum 3'-Ende, kurz: in 5'-3'-Richtung, so ist jeweils das 3'C-Atom des einen Zuckers mit dem 5'C des nächsten durch eine PO₄H-Gruppe verbunden. Die Ketten können sich nach demselben Muster auch zu Ringen schließen. Im einfachsten Fall besteht der Ring aus einem einzigen Nukleotid als 3'-5'-Phosphorsäure-Diester, siehe z.B. cAMP. Da jeweils ein Molekül Wasser abgespalten wird, handelt es sich beim Verketten um eine Kondensationsreaktion. Die bekannten Polymerasen lassen die Kette stets am 3'-Ende wachsen: Syntheserichtung von Nukleinsäuren ist 5'-3'.

Basenpaarung

Die Kettenmoleküle DNA und RNA neigen dazu, sich der Länge nach zu einem Molekülpaar zusammenzulagern, wobei die Basen sich paarweise aneinander passen und die Zuckerphosphate diese Paare in zwei Strängen begleiten. Dabei werden keine kovalenten Bindungen gebildet. Eine stabile Konfiguration ergibt sich allerdings nur, wenn

erstens

die beiden Ketten entgegengesetzt orientiert sind, also ein 3'-5'-Strang neben einem 5'-3'-Strang liegt

und zweitens

die einander gegenüberstehenden Basen räumlich und chemisch zueinander passen.

Da Purine mehr Raum beanspruchen als Pyrimidine, bewirkt die Geometrie, dass stets nur ein Purin mit einem Pyrimidin ‚paart‘, nicht aber Purin mit Purin oder Pyrimidin mit Pyrimidin. Die chemische Passung beruht auf der Bildung von Wasserstoffbrücken und bewirkt im Verein mit der Geometrie, dass nur

Paarungsregel: Adenin mit Thymin (bzw. Uracil) und Guanin mit Cytosin, kurz: A mit T/U und G mit C

paaren. Basen, Nukleoside oder Nukleotide, die gemäß dieser Regel miteinander paaren, werden zueinander komplementär genannt. DNA- oder RNA-Stränge heißen komplementär, wenn sich bei gegenläufiger Orientierung stets komplementäre Basen gegenüberstehen.

Die genetische Substanz der Chromosomen von Pro- wie von Eukarioten bestehen aus Paaren komplementärer DNA-Einzelstränge, die sich zu der berühmten von Watson und Crick entdekten Doppelhelix umeinanderwinden. Dadurch ist nicht nur die genetische Substanz chemisch und mechanisch stabilisiert, sondern auch die in der Basenfolge enthaltene Information gespiegelt, also doppelt enthalten. Jeder Strang ist Backup für den anderen.

RNA ist in der Konformation vielseitiger. Das Genom gewisser Viren ist eine RNA-Doppelhelix. Die tRNAs der Zellen sind einzelsträngig und falten sich so, dass komplementäre Partien miteinender paaren und dazwischen ungepaarte Bereiche als Schleifen stehen bleiben.

Jede Neusynthese von DNA (in der Replikation) und RNA (bei der Transkription) findet an einer Vorlage statt und kopiert dabei die genetische Information nach der Paarungsregel, die damit die Grundlage der Informationsverarbeitung der lebenden Organismen bildet.

Methylierung

Symmetrie der DNA

Im Artikel DNA fehlen leider ein paar Angaben zur Bezeichnung der Einzelstränge. Man begegnet immer wieder Missverständnissen und Unklarheiten über dei Begriffe Leit- und Folgestrang (leading und lagging) sowie kodierend, kodogen, oder Plus- und Minusstrang, kodierender und Matrixstrang. Es sollte unbedingt klargestellt werden, dass alle diese Begriffe relativ sind und sich nicht etwa auf eines der beiden Einzelmoleküle beziehen.

Einfügen etwa zwischen "...unter Wasserabspaltung verbunden" und "Die Abfolge der Basen ...":

Damit ist die Orientierung der DNA unabhängig von den Enden (so auch an ringförmig geschlossener DNA) überall erkennbar. Die 5'-3'-Richtung ist die, in der das 3'C-Atom einer Pentose zum 5'C der nächsten durch den Phosphatrest verbunden ist.

An passender Stelle dann:

Die gegenläufige Orientierung der beiden DNA-Moleküle in der Helix hat zur Folge, dass die Helix selbst keine Orientierung, keine Vorzugsrichtung hat. Daran ändern auch die unterschiedlichen Furchen nichts. Folgt man dem Ribosephosphat-Rückgrat eines Stranges in 5'-3'-Richtung, so hat man stets die große Furche links, die kleine rechts, gleichgültig, welchen Strang man betrachtet. Das lässt sich übrigens gut an der obigen animierten Graphik zur Struktur der Doppelhelix beobachten: Die 5'-Enden der beiden Stränge schwenken dort jeweils eine rote Phosphatgruppe.

Kurz gesagt: Die beiden DNA-Moleküle einer Doppelhelix sind gleichberechtigt.

Man muss das im Auge behalten, wenn man Replikation und Transkription behandelt. Die Unterscheidung von leading und lagging strand bezeichnet die Stränge in Relation zur Replikationsgabel. An der gleichzeitig in Gegenrichtung laufenden Replikationsgabel sind die Rollen der beiden Moleküle vertauscht. Auch wäre es irreführend, zu sagen "Gene liegen auf dem kodierenden Strang", weil es den in einem absoluten Sinne gar nicht gibt. Vielmehr liegen Gene auf beiden Strängen, und kodierend ist jeder Strang eben da, wo er ein Gen trägt, kenntlich an dessen Promotor, der in 5'-Richtung „vor“ dem Gen liegt.