Nukleinsäuren sind wichtige Makromoleküle für den Fortbestand des Lebens. Sie tragen den genetischen Bauplan einer Zelle und sind Träger von Anweisungen für das Funktionieren der Zelle. Die beiden Haupttypen von Nukleinsäuren sind Desoxyribonukleinsäure (DNA) und Ribonukleinsäure (RNA). Die DNA ist das genetische Material, das in allen lebenden Organismen vorkommt, von einzelligen Bakterien bis hin zu mehrzelligen Säugetieren. Die andere Art von Nukleinsäure, die RNA, ist hauptsächlich an der Proteinsynthese beteiligt. Die DNA-Moleküle verlassen den Zellkern nie, sondern kommunizieren über ein RNA-Zwischenglied mit dem Rest der Zelle. Andere RNA-Typen sind ebenfalls an der Proteinsynthese und ihrer Regulierung beteiligt. Wir werden in einem späteren Abschnitt näher auf die Nukleinsäuren eingehen.
DNA und RNA bestehen aus Monomeren, den so genannten Nukleotiden, die durch kovalente Bindungen zu einer Kette verbunden sind. Jedes Nukleotid besteht aus drei Komponenten: einer stickstoffhaltigen Base, einem Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen und einer Phosphatgruppe (Abbildung 1). Die stickstoffhaltige Base in einem Nukleotid ist mit dem Zuckermolekül verbunden, das wiederum mit der Phosphatgruppe verbunden ist.
Die stickstoffhaltigen Basen, wichtige Bestandteile der Nukleotide, sind organische Moleküle und heißen so, weil sie Kohlenstoff und Stickstoff enthalten. Sie sind Basen, weil sie eine Aminogruppe enthalten, die die Möglichkeit hat, einen zusätzlichen Wasserstoff zu binden und so die Wasserstoffionenkonzentration in ihrer Umgebung zu verringern, wodurch sie basischer werden. Jedes Nukleotid in der DNA enthält eine von vier möglichen stickstoffhaltigen Basen: Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T). Die RNA enthält anstelle von Thymin die Base Uracil (U). Die Reihenfolge der Basen in einer Nukleinsäure bestimmt die Information, die das DNA- oder RNA-Molekül trägt. Das liegt daran, dass die Reihenfolge der Basen in einem DNA-Gen die Reihenfolge bestimmt, in der die Aminosäuren zu einem Protein zusammengesetzt werden.
Der Pentosezucker in der DNA ist die Desoxyribose, in der RNA ist es die Ribose (Abbildung 1). Der Unterschied zwischen den Zuckern ist das Vorhandensein einer Hydroxylgruppe am zweiten Kohlenstoff der Ribose und von Wasserstoff am zweiten Kohlenstoff der Desoxyribose. Die Kohlenstoffatome des Zuckermoleküls sind mit 1′, 2′, 3′, 4′ und 5′ nummeriert (1′ wird als „eine Primzahl“ gelesen). Der Phosphatrest ist an die Hydroxylgruppe des 5′-Kohlenstoffs eines Zuckers und an die Hydroxylgruppe des 3′-Kohlenstoffs des Zuckers des nächsten Nukleotids gebunden, wodurch eine 5′-3′-Phosphodiester-Bindung (eine bestimmte Art von kovalenter Bindung) entsteht. Ein Polynukleotid kann Tausende solcher Phosphodiesterbindungen aufweisen.
Die DNA hat eine doppelhelikale Struktur (Abbildung 2). Sie besteht aus zwei Strängen oder Ketten von Nukleotiden. Die Doppelhelix der DNA wird oft mit einer gedrehten Leiter verglichen. Die Stränge (die äußeren Teile der Leiter) werden durch die Verknüpfung der Phosphate und Zucker benachbarter Nukleotide mit starken chemischen Bindungen, den sogenannten kovalenten Bindungen, gebildet. Die Sprossen der verdrehten Leiter bestehen aus den beiden Basen, die durch eine schwache chemische Bindung, die so genannte Wasserstoffbrückenbindung, miteinander verbunden sind. Zwei Basen, die über eine Wasserstoffbrücke miteinander verbunden sind, werden als Basenpaar bezeichnet. Die Leiter verdreht sich entlang ihrer Länge, daher die Bezeichnung „Doppelhelix“, was so viel wie „Doppelspirale“ bedeutet.
Die abwechselnden Zucker- und Phosphatgruppen liegen auf der Außenseite jedes Strangs und bilden das Rückgrat der DNA. Im Inneren sind die stickstoffhaltigen Basen wie die Stufen einer Treppe gestapelt, und diese Basen paaren sich; die Paare sind durch Wasserstoffbrückenbindungen aneinander gebunden. Die Basen paaren sich so, dass der Abstand zwischen den Rückgraten der beiden Stränge im gesamten Molekül gleich ist.
In einem DNA-Molekül paart sich Adenin (A) immer mit Thymin (T) und Cytosin (C) immer mit Guanin (G). Das bedeutet, dass die Sequenz eines Strangs der DNA-Doppelhelix immer zur Bestimmung des anderen Strangs herangezogen werden kann.
Wie bestimmt die Nukleinsäurestruktur die Funktion?
Die Hauptfunktion sowohl der DNA als auch der RNA ist die Speicherung und Übertragung genetischer Informationen. Die spezifische Anordnung der Nukleotide in einem DNA- oder RNA-Molekül bestimmt die genetische Information, die es trägt. Man kann sich das wie die Buchstaben in einem Buch vorstellen – würde man die Reihenfolge der Buchstaben ändern, würde das Buch nicht mehr die gleichen (oder die richtigen) Informationen enthalten.