DNA und RNA sind Nukleinsäuren, die im Wesentlichen aus einer stickstoffhaltigen Base bestehen, die über Phosphatgruppen verknüpfte Pentosezucker enthält. Die Bausteine ​​von Nukleinsäuren werden Nukleotide genannt. Nukleinsäuren dienen als genetisches Material der Zelle, indem sie Informationen speichern, die für die Entwicklung, Funktion und Vermehrung von Organismen erforderlich sind. Die meisten Organismen verwenden DNA als genetisches Material, während nur wenige von ihnen, wie Retroviren, RNA als genetisches Material verwenden. DNA ist im Vergleich zu RNA aufgrund der Unterschiede in Phosphatzuckern und Basen, die jeder von ihnen teilt, stabil. An den Pentosezucker können eine, zwei oder drei Phosphatgruppen gebunden werden, wodurch Mono-, Di- bzw. Triphosphate entstehen. Der von der DNA verwendete Pentosezucker ist Desoxyribose und der von der RNA verwendete Pentosezucker ist Ribose. In der DNA vorkommende stickstoffhaltige Basen sind Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin. In der RNA wird Thymin durch Uracil ersetzt.

Dieser Artikel befasst sich mit,

1. Was sind Phosphate 2. Was sind Zucker 3. Was sind Basen 4. Vergleich von Phosphaten Zucker und Basen von DNA und RNA – Ähnlichkeiten – Unterschiede

Was sind Phosphate?

DNA und RNA bestehen aus sich wiederholenden Nukleotideinheiten; Desoxyribonukleotide bzw. Ribonukleotide. Nukleotid besteht aus einem Pentosezucker, der an eine stickstoffhaltige Base und eine, zwei oder drei Phosphatgruppen gebunden ist. Sowohl DNA- als auch RNA-Nukleotide können sich an eine, zwei oder drei Phosphatgruppen an ihrem 5'-Kohlenstoff des Pentosezuckers anlagern. Phosphatgebundene Nukleoside werden Mono-, Di- bzw. Triphosphate genannt. Die Phosphorylierungsreaktionen werden durch eine Enzymklasse namens ATP:D-Ribose-5-Phosphotransferase katalysiert. Desoxyribonukleoside werden durch das Enzym namens Desoxyribokinase phosphoryliert und RNA-Nukleoside werden durch das Enzym namens Ribokinase phosphoryliert. Die Bildung von Phosphodiester-Bindungen während der Produktion des Zucker-Phosphat-Rückgrats wird durch das Schneiden der hochenergetischen Phosphatbindungen in den Nukleotidtriphosphaten angeregt. Die Bildung jedes Nukleotids, Nukleosidmonophosphats, Nukleotiddiphosphats und Nukleosidtriphosphats ist in 1 gezeigt.

Abbildung 1: Drei Nukleotidtypen

Was sind Zucker?

Sowohl DNA als auch RNA enthalten Pentosezucker. Desoxyribonukleotide enthalten Desoxyribose und Ribonukleotide enthalten Ribose als ihre Pentosezucker. Ribose ist ein Pentosemonosaccharid, das in seiner Struktur einen fünfgliedrigen Ring enthält. Es enthält eine funktionelle Aldehydgruppe in offenkettiger Form. Daher wird Ribose als Aldopentose bezeichnet. Ribose enthält zwei Enantiomere: D-Ribose und L-Ribose. Die natürlich vorkommende Konformation ist D-Ribose, wobei L-Ribose in der Natur nicht vorkommt. D-Ribose ist ein Epimer der D-Arabinose, die sich durch die Stereochemie am 2'.Kohlenstoff. Diese 2’-Hydroxylgruppe ist beim RNA-Spleißen wichtig.

Der in der DNA enthaltene Pentosezucker ist Desoxyribose. Desoxyribose ist eine modifizierte Form des Zuckers Ribose. Es wird aus Ribose-5-Phosphat durch die Wirkung des Enzyms Ribonukleotid-Reduktase gebildet. Bei der Bildung von Desoxyribose aus dem zweiten Kohlenstoffatom des Riboserings geht ein Sauerstoffatom verloren. Daher wird Desoxyribose genauer als 2-Desoxyriose bezeichnet. Die 2-Desoxyribose enthält zwei Enantiomere: D-2-Desoxyribose und L-2-Desoxyribose. An der Bildung des DNA-Rückgrats ist nur D-2-Desoxyribose beteiligt. Aufgrund des Fehlens der 2’-Hydroxylgruppe in Desoxyribosen kann sich die DNA in ihre Doppelhelix-Struktur falten, was die mechanische Flexibilität des Moleküls erhöht. DNA kann eng gewickelt werden, um sie auch in einen kleinen Kern zu packen. Der Unterschied zwischen Ribose und Desoxyribose besteht darin, dass die 2'-Hydroxylgruppe in Ribose vorhanden ist. Desoxyribose im Vergleich zu Ribose ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2: Desoxyribose

Was sind Basen?

Sowohl DNA als auch RNA sind an eine stickstoffhaltige Base am 1’-Kohlenstoff des Pentosezuckers gebunden und ersetzen die Hydroxylgruppe der Desoxyribose. Sowohl in der DNA als auch in der RNA finden sich fünf Arten von stickstoffhaltigen Basen. Sie sind Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C), Thymin (T) und Uracil (U). Adenin und Guanin sind Purine, die sich in einem zweiringstrukturierten Pyrimidinring befinden, der mit einem Imidazolring kondensiert ist. Cytosin, Thymin und Uracil sind Pyrimidine, die eine einzelne sechsgliedrige Pyrimidinringstruktur enthalten. DNA enthält in ihren Nukleotiden Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin. RNA enthält Uracil anstelle von Thymin. Adenin bildet mit Thymin zwei Wasserstoffbrückenbindungen und Guanin bildet mit Cytosin drei Wasserstoffbrückenbindungen. Die komplementäre Basenpaarung in der DNA heißt Watson-Crick-DNA-Basenpaarungsmodell. Es bringt zwei komplementäre DNA-Stränge zusammen und bildet Wasserstoffbrücken. Daher ist die endgültige DNA-Struktur doppelsträngig und antiparallel. In der RNA bildet Uracil zwei Wasserstoffbrücken mit Adenin und ersetzt Thymin. Die komplementäre Basenpaarung der RNA innerhalb desselben Moleküls bildet doppelsträngige RNA-Strukturen, die als bezeichnet werden Haarnadelschleifen. Die doppelsträngige DNA ist in Abbildung 3 gezeigt.

Abbildung 3: DNA

Der Unterschied zwischen Thymin und Uracil liegt in der Methylgruppe am 5’-Kohlenstoffatom von Thymin. Uracil ist zur Basenpaarung mit anderen Basen fähig, außerdem kann Adenin und die Desaminierung von Cytosin Uracil produzieren. Daher ist RNA im Vergleich zu DNA aufgrund der Anwesenheit von Uracil anstelle von Thymin weniger stabil. Uracil und Thymin sind in Abbildung 4 dargestellt.

Abbildung 4: Uracil und Thymin

Vergleich der Phosphatzucker und Basen von DNA und RNA

Ähnlichkeiten zwischen Phosphatzuckern und Basen von DNA und RNA

Phosphate

Pentose-Zucker

Stickstoffbasen

Unterschiede zwischen Phosphatzuckern und Basen von DNA und RNA

Pentose-Zucker

DNA: Der in der DNA enthaltene Pentosezucker ist Desoxyribose.

RNA: Der in RNA enthaltene Pentosezucker ist Ribose.

Konformation des Zuckers

DNA: D-2-Desoxyribose kommt im Zucker-Phosphat-Rückgrat der DNA vor.

RNA: D-Ribose kommt im Zucker-Phosphat-Rückgrat der RNA vor.

Bedeutung des Pentosezuckers in DNA/RNA

DNA: Die 2-Desoxyribose ermöglicht die Bildung von DNA-Doppelhelix.

RNA: Ribose erlaubt aufgrund des Vorhandenseins einer 2’-Hydroxylgruppe nicht die Bildung einer RNA-Doppelhelix.

Thymin/Uracil

DNA: Thymin kommt in der DNA vor.

RNA: Uracil kommt in RNA vor.

Bedeutung von Thymin/Uracil

DNA: DNA ist aufgrund der Anwesenheit von Thymin stabiler als RNA.

RNA: RNA ist aufgrund der Anwesenheit von Uracil anstelle von Thymin weniger stabil.

Phosphorylierung

DNA: Desoxyribonukleoside werden durch Desoxyribokinasen phosphoryliert.

RNA: Ribonukleoside werden durch Ribokinasen phosphoryliert.

Phosphorylierung produziert

DNA: Die Phosphorylierung von Desoxyribonukleosiden erzeugt Desoxyribonukleotide.

RNA: Die Phosphorylierung von Ribonukleosiden erzeugt Ribonukleotide.

Abschluss

Sowohl DNA als auch RNA bestehen aus einem Pentosezucker, der an eine stickstoffhaltige Base am 1’-Kohlenstoff und eine oder mehrere Phosphatgruppen am 5’-Kohlenstoff gebunden ist. Das Zucker-Phosphat-Rückgrat beider Nukleinsäuretypen wird durch die Polymerisation von Nukleotiden über Phosphatgruppen gebildet. Der Pentosezucker im Zucker-Phosphat-Rückgrat der DNA ist D-2-Desoxyribose. D-Ribose kommt in RNA vor. Die in der DNA vorkommenden stickstoffhaltigen Basen sind Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin. In der RNA findet sich Uracil, das Thymin ersetzt. An den Pentosezucker hängen eine, zwei oder drei Phosphatgruppen. Wenn eine Phosphatgruppe an das Nukleosid gebunden ist, wird es Nukleotidmonophosphat genannt. Wenn zwei Phosphatgruppen an das Nukleosid gebunden sind, wird es Nukleotiddiphosphat genannt. Wenn drei Phosphatgruppen an das Nukleosid gebunden sind, wird es Nukleotidtriphosphat genannt.

Referenz: 1. „Klassennotizen.“ Die Grundlagen: DNA, RNA, Protein. N.S., N.D. Netz. 28. Apr. 2017. 2. „Struktur der Nukleinsäuren.“ SparkNotes. SparkNotes, ohne Datum Netz. 28. Apr. 2017. 3. „Warum Thymin statt Uracil?“ Erdling Natur. N.p., 17. Juni 2016. Web. 28. April 2017.

Bild mit freundlicher Genehmigung: 1. „Nucleotides 1″ Von Boris (PNG), SVG von Sjef – de:Image:Nucleotides.png (Public Domain) via Commons Wikimedia 2. „DeoxyriboseLabeled“ Von Adenosine (Englischer Wikipedia-Benutzer) – Englische Wikipedia (CC BY-SA 3.0) über Commons Wikimedia 3. „DNA-Nukleotide“ Von OpenStax College – Anatomy & Physiology, Connexions-Website. 19. Juni 2013 (CC BY 3.0) über Commons Wikimedia 4. „Pyrimidines2“ von Mtov – Eigene Arbeit (Public Domain) über Commons Wikimedia