Schlüsselmoleküle des Lebens - Schulbuchzentrum

5 Nucleinsäuren – Schlüsselmoleküle des Lebens
52.1 Bausteine
der DNA
Symbol
Phosphorsäure O
HO
P
OH
P
O– H +
Symbol
Zucker (Pentose)
HO 5’CH2 O
OH
H 1’C
C4’ H
H C
3’
2’
C H
OH H
Desoxyribose
Pyrimidinbasen NH2
N3
O
C
5
C
H
H
N3
6
C
H
O
C2
4
C2
1
N
O
C
1
N
H
5
C
CH3
6
C
H
4
H
C
T
Cytosin (C)
Thymin (T)
Purinbasen
O
NH2
N1
C
5
C
4
C
6
N
H N1
7
8
H C2
3
C H
9
N
N
C
5
C
4
C
6
Adenin (A)
7
8
H2N C2
3
N
C H
9
N
H
H
A
N
G
Guanin (G)
Analysiert man den Inhalt von Zellkernen auf
ihre chemischen Bestandteile hin, so findet
man neben Proteinen vor allem fädige Riesenmoleküle, die Nucleinsäuren. Nachdem man
vermutete, dass hier die Erbinformation verschlüsselt vorliegt, begann in den fünfziger
Jahren des vorigen Jahrhunderts, vor allem in
Amerika und England, ein wissenschaftlicher
Wettlauf, Bau und Struktur der Nucleinsäuren
aufzuklären. Dem Amerikaner JAMES WATSON
sowie den Engländern FRANCIS CRICK und
MAURICE WILKINS gelang es schließlich, den
Aufbau der Desoxyribonucleinsäure (DNA)
aufzuklären.
Eine chemische Analyse der (DNA) (desoxyribonucleic acid) ergab, dass sie aus Zucker- und
Phosphorsäuremolekülen sowie verschiedenen
Molekülen organischer Basen bestand. Der
Zucker der DNA ist die Desoxyribose. Anders
als bei vielen anderen Zuckern ist bei ihr die
OH-Gruppe am zweiten C-Atom durch ein
H-Atom ersetzt (desoxy = ohne Sauerstoff).
Als organische Basen kommen Adenin (A),
Cytosin (C), Guanin (G) und Thymin (T) vor.
Durch chemische und physikalische Methoden
fand man heraus, wie die Bausteine der Desoxyribonucleinsäure zu langen Kettenmolekülen verknüpft sind. Dabei bilden abwechselnd
Zucker- und Phosphorsäuremoleküle eine Kette, das so genannte Rückgrat des Moleküls.
Jedes Zuckermolekül bindet immer eine der
vier Basen, die wie die Zinken eines Kammes
P O RT R ÄT
WATSON und CRICK
Aufgrund der chemischen Befunde des Biochemikers E. CHARGAFF und aus physikalischen Daten über die Raumerfüllung des
Moleküls entwickelten die Biochemiker
J. WATSON und F. CRICK 1953 ein Modell der
DNA-Struktur. Es gelang ihnen damit, eines
der großen Geheimnisse des Lebens zu enthüllen. Das Modell wurde durch die Untersuchungen mit Röntgenstrahlen von ROSALIND FRANKLIN gestützt.
WATSON und CRICK erhielten für die Entwicklung ihres DNA-Modells 1962 den Nobelpreis.
52.2 Watson und Crick mit ihrem DNA-Molekül
52
Organische Stoffe – Moleküle des Lebens
vom Rückgrat des DNA-Stranges abstehen.
Die DNA besteht also aus sich wiederholenden Grundbausteinen mit je einem Zuckermolekül, einem Phosphorsäurerest und einem
Basenmolekül. Man nennt diese Grundbausteine Nucleotide.
Die Anknüpfung der Basen an die Zuckermoleküle erfolgt immer zwischen einem der
Stickstoffatome der Base und einem C-Atom
des Zuckermoleküls. Die Kettenverlängerung
erfolgt über die C-Atome 5 und 3 mit jeweils
einer Phosphatgruppe. Man spricht daher vom
5´- bzw. 3´-Ende einer DNA-Kette, an dem jeweils der Anschluss erfolgt.
53.1 Desoxyribonucleinsäure (EM-Bild)
Einen wichtigen Hinweis auf die Raumstruktur von Nucleinsäuren ergaben bereits 1948
Untersuchungen des Österreichers ERWIN
CHARGAFF, der die Basenzusammensetzung
der DNA untersuchte. Er fand heraus, dass
zwar die Mengenanteile der vier Basen in verschiedenartigen Zellen unterschiedlich waren,
dass aber der Anteil von Adenin immer dem
von Thymin und der von Cytosin immer dem
von Guanin entsprach.
Durch den Einsatz vor allem der Röntgenstrukturanalyse durch ROSALIND FRANKLIN gelang es
schließlich, den räumlichen Bau der DNA aufzuklären. 1953 veröffentlichten JAMES WATSON
und FRANCIS CRICK ihre Ergebnisse.
Danach sind in der funktionsfähigen DNA
jeder Zelle zwei Ketten aus Nucleotiden zu
einem Doppelstrang zusammengefasst. Die
Basen der Einzelstränge weisen aufeinander
zu. Der Zusammenhalt der DNA-Einzelstränge
erfolgt über Wasserstoffbrückenbindungen
zwischen den Basen. Zwischen Adenin und
Thymin sind es zwei, zwischen Guanin und
Cytosin drei.
53.2 DNADoppelhelix.
A Chemischer
Aufbau;
B WatsonCrick-Modell
Diese Art der spezifischen Basenpaarung hat
Konsequenzen für die räumliche Struktur der
DNA. Der DNA-Doppelstrang ist wie eine Leiter aufgebaut. Die Holme entsprechen den Zucker-Phosphat-Ketten, die Sprossen werden
durch die Basenpaare gebildet. Dabei stehen
sich immer Adenin und Thymin bzw. Cytosin
und Guanin gegenüber. Man spricht von sich
ergänzenden, von komplementären Basenpaaren. Dies erklärt die Untersuchungsergebnisse von CHARGAFF.
Die DNA-Leiter ist um eine gedachte Achse
verdrillt. Eine solche Spirale aus zwei Nucleotidsträngen ist einer Wendeltreppe vergleichbar. Man bezeichnet sie als Doppelhelix.
5’-Ende
O
P
O
3’-Ende
O
O
C
O
O
O–
O
O
O
P O
O P O
–O O
O
P O
O
O–
O
O
T
O
Zucker
A
G
O
O P O–
O
O
O P O–
P O
O–
O
G
C
O
O
O
P O
O–
O
G
C
O
Wasserstoffbrücke
O
Phosphodiesterbindung
A
C
A
G
A
T
C
G
A
große
Furche
kleine
Furche
B
A
C
G
G
T
3’-Ende
B
C
A
5’-Ende
53.3
DNA-Modelle.
A Originalabbildung von
Watson und
Crick;
B Kalottenmodell
Organische Stoffe – Moleküle des Lebens
53
Identische Verdopplung der DNA. Vor jeder
Zellteilung muss die DNA des Zellkerns identisch verdoppelt werden. Hierzu trennen sich
die beiden Stränge der DNA-Doppelhelix abschnittweise nach Art eines Reißverschlusses.
Werden jetzt Nucleotide an diese beiden Einzelstränge angelagert, so kann dies wegen der
Spezifität der Basenpaarung nur komplementär erfolgen: Adenin-Thymin bzw. CytosinGuanin. Ein Enzym, die DNA-Polymerase,
lagert passende Nucleotide an die komplementären Basen an und katalysiert die Verknüpfung der Nucleotide jeweils zu einem
vollständigen Doppelstrang. Das Ergebnis dieser identischen Replikation sind zwei völlig
gleiche Tochterstränge aus jeweils einem alten
und einem neuen Einzelstrang.
Bau und Raumstruktur der RNA. Neben der
DNA besitzen Zellen auch Ribonucleinsäure
(RNA), die bei der Übersetzung der Erbinfor-
mation während der Proteinbiosynthese in körperliche Merkmale eine wichtige Rolle spielt.
Wie die DNA besteht auch die RNA aus den
Bausteinen Zucker, Phosphorsäurerest und organische Basen. Als Zuckerbaustein findet
man statt Desoxyribose die Ribose. Die Base
Thymin ist bei der RNA durch Uracil ersetzt.
Die Werte A : U und G : C der RNA weichen im
Gegensatz zur DNA deutlich vom Verhältnis
1 : 1 ab. Daraus leitete CHARGAFF ab, dass die
RNA im Wesentlichen als Einzelstrang vorliegt.
Die messenger-RNA (mRNA), die als Abschrift
der DNA für die Proteinbiosynthese verwendet wird, liegt vorwiegend einsträngig vor. Abschnittsweise kann es auch innnerhalb des
RNA-Moleküls zur Paarung komplementärer
Basen kommen. Dies ist der Fall bei der transfer-RNA (tRNA), die als Überträgermolekül für
die Aminosäuren bei der Proteinbiosynthese
benötigt wird.
54.1 Identische Verdopplung der DNA
54.2 Ribonucleinsäure.
A Abweichende
Bausteine der
RNA im Vergleich
zur DNA;
B Raumstruktur
der t-RNA
HO
5’
CH2
OH
O
H 1’C
C4’ H
H C 3’
2’
OH
C H
OH
Symbol
H
N3
O
C2
O
C
3'-Ende
5
C
H
6
C
H
4
1
N
H
U
Ribose
Uracil (U)
Anticodon
A
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Organische Stoffe – Moleküle des Lebens
B