CHE 172.1: Organische Chemie fŁr die Biologie

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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:
Hydrolyse:
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 :
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 PhosphatesterBrücken 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 eines
Phosphatesters?
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.
z.B.:
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.
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 als stabile
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 DoppelhelixStruktur ein Modell, wie sich die DNA repliziert und den genetischen Code weitergibt:
Bildquelle
16.3 Chemische Eigenschaften von DNA und RNA
Eine starke Säure wird benötigt, um DNA zu hydrolysieren, z.B. :
z.B.:
Unter basischen Bedingungen ist DNA relativ stabil, RNA jedoch wird schnell abgebaut
und liefert dabei 2'- und 3'-Nucleosidphosphate :
Ausserdem enthalten die heterocyclischen Basen in DNA und RNA Atome und Gruppen,
die natürlich gute Nucleophile sind. Sie reagieren deswegen rasch mit allen Molekülen,
die ein elektrophiles Zentrum enthalten. Methyljodid und Dimethylsulfat sind zum
Beispiel reaktive Methylierungs-Agenzien (Vgl. Kapitel 8.4), und ihre Reaktion mit DNA
kann auch zu Mutationen führen :
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