152 16. Biomoleküle : Nucleinsäuren Die gesamte Erbinformation ist in den Desoxyribonucleinsäuren (DNA) enthalten. Die Übersetzung dieser Information in die Synthese der Proteine wird von den Ribonucleinsäuren(RNA) durchgeführt. Neben den Kohlenhydraten und Polypeptiden sind die Nucleinsäuren der dritte Haupttyp von biologischen Polymeren. Ihre Monomereinheiten bezeichnet man als Nucleotide. Die Hydrolyse von Nucleinsäuren:

In der DNA besteht der Zuckeranteil aus 2-Desoxyribose:

Und man findet nur vier verschiedene heterocyclische Amin-Basen. Zwei sind substituierte Pyrimidine, und zwei sind substituierte Purine:

Der für die RNA charakteristische Zucker ist die Ribose, und auch in der RNA sind vier Basen enthalten. Thymin ist aber durch Uracil ersetzt :

Nucleinsäure

Phosphat

Zucker

Amin-Base Amin-Base

Zucker

Zucker

Amin-Base

+

OHO

HOH

HHHH

HOCHO

HH

OHH

OHH

CH2OH

NH

N

NH2

O

CytosinC

NH

NH

O

O

ThyminT

Me

N

NNH

N

NH2AdeninA

NH

NNH

N

O

NH2

GuaninG

OHO

OHOH

HHHH

HO

NH

NH

O

O

UracilU

153 16.1 Struktur der DNA und RNA Formal lässt sich das Nucleotid zusammenbauen, indem zunächst die Hydroxygruppe an C1 des Zuckers durch eine der Stickstoffbasen ersetzt wird. Die enstandene Moleküleinheit ist ein Nucleosid. Als zweites wird dann ein Phosphatrest an C5 des Zuckers eingeführt. Da in der DNA und der RNA jeweils vier verschiedene Basen enthalten sind, gibt es auch jeweils vier Nucleotide :

Eine Polymerkette lässt sich dann leicht durch wiederholtes Knüpfen von Phosphatester-Brücken von C5 der Zucker-Einheit des einen Nucleotids zu C3 des Zuckers eines anderen aufbauen. Das eine Ende der Kette hat eine freie Hydroxylgruppe an C3' (3'-Ende) und das andere eine Phosphateinheit an C5 (5'-Ende). Was ist ein Phosphatester und welche Produkte entstehen bei der Hydrolyse einen Phosphatester ?

O N

N

N

N

OH

NH2

OPO

HOOH O N

N

N

N

OH

O

OPO

HOOH

NH2

H

O

Me

ON

N

OH

O

OPO

HOOHO

H

ON

N

OH

NH2

OPO

HOOH

2'-Deoxyadenosin 5'-Phosphat 2'-Deoxyguanosin 5'-Phosphat

2'-Deoxycytidin 5'-Phosphat 2'-Deoxythymidin 5'-Phosphat

O N

N

N

N

OH

NH2

OPO

HOOH O N

N

N

N

OH

O

OPO

HOOH NH2

H

OON

N

OH

O

OPO

HOOHO

H

O

OH OH

N

N

OH

NH2

OPO

HOOH

OH OHUridin 5'-PhosphatCytidin 5'-Phosphat

Guanosin 5'-Phosphat Adenosin 5'-Phosphat

R OH R'OPHO

O-

O

R'OPO

O-

O

R

154

Nucleinsäuren, insbesondere DNA, können ausserordentlich lange Ketten bilden, deren molare Masse in den Milliarden liegen (RNA Moleküle sind wesentlich kleiner als DNA Moleküle). Im Jahre 1953 stellten Watson und Crick ihre berühmte Hypothese auf, dass DNA eine Doppelhelix-Struktur, die aus zwei Strängen mit komplementärer Basensequenz besteht, einnimmt. Die entscheidende Information, aufgrund derer diese Hypothese entwickelt wurde, war die, dass in der DNA verschiedenster Organismen das Verhältnis Adenin zu Thymin sowie Guanin zu Cytosin stets eins zu eins war. Dies führte zu der Annahme, dass zwei DNA-Ketten durch Wasserstoffbrücken so zusammengehalten werden, dass Adenin und Guanin in der Kette immer Thymin und Cytosin in der anderen gegenüberstehen: Adenin und Thymin bilden nur miteinander, aber nicht mit G oder C, komplementäre Wasserstoffbrücken. Ähnlicherweise bilden G und C nur miteinander und nicht mit A oder T komplementäre Wasserstoffbrücken :

Aufgrund anderer struktureller Gegebenheiten ist die Anordnung, in der die Wasserstoffbrücken maximal ausgebildet sind und die sterische Abstossung minimiert ist (d.h. die stabilste Konformation), die Doppelhelix.

O N

N

N

N

O

NH2

O

O N

N

N

N

O

O

O

PO O

NH2

H

OON

N

O

O

O

Me

PO O

O

H

O

PO

N

N

O

NH2

O

O

O N

N

N

N

O

NH2

O

O N

N

N

N

O

O

O

PO O

NH2

H

OON

N

O

O

O

PO O

O

H

O

PO

N

N

O

NH2

O

OOH

OH

OH

OH

N

N

NN

N H

H

N

N

O Me

O

HN

N

NN

O

N H

N

N

N

O

H

H

H

H

G C

A = T

155

G C

156

Die zwei Stränge in einer DNA Doppelhelix sind nicht miteinander identisch sondern komplementär. Aus Röntgenstrukturen von DNA-Moleküle kann man entnehmen, dass der Durchmesser der Doppelhelix 20Å beträgt, und eine Umdrehung der Helix in Intervallen von 34Å stattfindet. Die beiden Ketten werden durch Wasserstoffbrücken zwischen Basenpaaren verbunden. Adenin paart immer mit Thymin und Guanin stets mit Cytosin. In der Basensequenz liegt die genetische Information. Auf der anderen Seite, kommen RNA Moleküle normalerweise nicht nur als einfache doppelsträngige Formen vor, sondern nehmen einzelsträngige und komplizierter gefaltete Formen an. 16.2 DNA und RNA : Träger der Erbanlagen Watson und Crick postulierten, dass die spezifische Basensequenz einer bestimmten DNA alle Informationen, die für die Teilung einer Zelle erforderlich sind, enthält. Ausserdem entwickelten sie aufgrund der exakten Komplementarität der Doppelhelix-Struktur ein Modell, wie sich die DNA repliziert und den genetischen Code weitergibt:

Replikation

O

NNN

N

O

N

O

O

O

NN

O

O

PO O

N

O

N

O

O

O

O

O

PO O

O

O

H

PO

O

OO

N

O

O

P OO

O

O

O

P OO

O

N

P O

NNH

O

H

O

O

N

N

O

NH

NNN

N

OMe

H

O

H

NN

N

O

HH

N

NN

NNHH

NNO

Me

H

OH

OH

H

H

H

A

T

C

G

G

C

T

A

≈ 21 Å

≈ 13 Å

≈ 20 Å

B-DNA

157 16.3 Chemische Eigenschaften von DNA und RNA Eine starke Säure wird benötigt, um DNA zu hydrolysieren, z.B.: Unter basischen Bedingungen (NaOH Lösung) ist DNA stabil, RNA jedoch wird schnell abgebaut und liefert dabei 2'- und 3'-Nucleosidphosphate :

Ausserdem, die heterocyclischen Basen in DNA und RNA enthalten Heteroatome und Gruppen, die natürlich gute Nucleophile sind. Sie reagieren deswegen rasch mit allen Molekülen, die ein elektrophiles Zentrum enthalten (Elektrophile). Methyljodid und Dimethylsulfat sind zum Beispiel reaktive Methylierungs-Agenzien (Vgl. Seiten 71-75):

O

C

A

O

O

PO OO

O

POOH

OHO

OO

OA

O

O

PO

O

O

OA

O

O

POOH

OO

N

N

N

N

NH2

O

O

O

H

NO

O

O

N

N

N

O

NH2

N

N

N

N

NH2

O

O

O

H

NO

O

O

N

N

N

O

NH2

Me

Me