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Nukleinsäuren

Als Nukleinsäuren werden Polymere bezeichnet, die aus Nukleotiden bestehen. Nukleotide sind aus einem Zucker, einem Phosphat und einer Nukleinbase aufgebaut. Die Nukleinsäuren unterscheiden sich in der Abfolge (Sequenz) der verschiedenen Nukleotide. Die beiden natürlichen Nukleinsäuren sind die Desoxyribonukleinsäure (DNA) und die Ribonukleinsäure (RNA). Sie spielen in allen Lebewesen auf der Erde eine fundamentale Rolle für die Speicherung und Verarbeitung der Erbinformation. Entsprechend gross ist auch ihre Bedeutung für die Pharmazie und Medizin.

synonym: Nucleinsäuren, RNA, RNS, DNA, DNS, Polynukleotide, Nucleic acids

Struktur und Eigenschaften

Nukleinsäuren sind Biomoleküle, die in allen Lebewesen auf der Erde vorkommen. Es wird zwischen der Ribonukleinsäure (RNA, RNS, Ribonucleic acid) und der Desoxyribonukleinsäure (DNA, DNS, Deoxyribonucleic acid) unterschieden. Nukleinsäuren sind Polymere, die aus den sogenannten Nukleotiden zusammengesetzt sind.

Jedes Nukleotid besteht aus den folgenden drei Einheiten:

Zucker (Kohlenhydrat, Monosaccharid, Pentose): Ribose in der RNA, 2`-Desoxyribose in der DNA
Anorganisches Phosphat (Phosphorsäure, als Ester)
Organische Nukleinbasen: Purin-Basen: Adenin, Guanin; Pyrimidin-Basen: Cytosin, Thymin (in der DNA) und Uracil (in der RNA)

Über die Phosphodiester-Bindung bilden die Nukleinsäuren teilweise extrem lange, lineare Ketten. Das Rückgrat ist abwechslungsweise aus den Phosphat- und Zuckereinheiten aufgebaut. An den Zuckern sind die unterschiedlichen Basen gebunden. Die Stränge enden am 5′-Ende (Phosphat) und am 3′-Ende (Hydroxygruppe) und haben deshalb eine Richtung (5′→3′ oder umgekehrt). Synthetisiert werden die Nukleinsäuren von Polymerasen wie der DNA-Polymerase (DNA) oder RNA-Polymerase (RNA).

Die Verbindung eines Zuckers mit einer Base wird in Abwesenheit des Phosphats als Nukleosid bezeichnet. Es wird zwischen Ribonukleosiden und Desoxyribonukleosiden unterschieden. Die Base heisst zum Beispiel Adenin, das Nukleosid Adenosin und das Desoxynukleosid Desoxyadenosin.

Nukleotide resp. phosphorylierte Nukleoside haben weitere Funktionen im Organismus, zum Beispiel als Energieträger (Adenosintriphosphat) oder für die Signalweiterleitung (zyklisches Guanosinmonophosphat, cGMP).

Desoxyribonukleinsäure (DNA)

Die Desoxyribonukleinsäure (DNA) ist in der Regel doppelsträngig und hat eine doppelte helikale und antiparallele Struktur. Das bedeutet, dass die zwei Stränge in die gegensätzliche Richtung verlaufen. In der DNA finden sich die folgenden vier Basen:

Purine: Adenin (A), Guanin (G)
Pyrimidine: Thymin (T), Cytosin (C)

Die Basen der zwei Stränge bilden über Wasserstoffbrücken die sogenannte Basenpaare aus. Entweder zwischen Adenin und Thymin (A=T) oder zwischen Guanin und Cytosin (G≡C).

B-DNA (PDB 1BNA)

Ribonukleinsäure (RNA)

Die Ribonukleinsäure (RNA) ist im Unterschied zur DNA in der Regel einsträngig und sie enthält anstelle von Thymin das Uracil (U). Des Weiteren ist der Zucker die Ribose statt der 2`-Desoxyribose in der DNA. Diese beiden Zucker unterscheiden sich nur in einer Hydroxygruppe, die bei der 2`-Desoxyribose fehlt (Desoxy = ohne Sauerstoff). Die RNA kann im Raum sehr unterschiedliche Strukturen annehmen.

Es existieren verschiedene Typen mit unterschiedlichen Aufgaben:

Messenger RNA (mRNA): Transkription
Ribosomale RNA (rRNA): Zusammen mit Proteinen Bestandteil von Ribosomen
Transfer RNA (tRNA): Proteinsynthese

In Viren kann die RNA die Funktion der DNA als Träger der Erbinformation übernehmen, zum Beispiel in den Influenzaviren oder Hepatitis-C-Viren. Man spricht von RNA-Viren.

Genetischer Code, Transkription und Translation

Jeweils drei aufeinanderfolgende Basen in der DNA resp. in der mRNA (Codon) kodieren für eine Aminosäure, also für die Bausteine der Proteine. Abschnitte der DNA werden im Rahmen der Transkription zuerst in mRNA (Messenger RNA) umgeschrieben. Die Bildung von Proteinen aus mRNA am Ribosom wird als Translation bezeichnet.

Funktion und Bedeutung

Nukleinsäuren haben eine fundamentale Bedeutung als Informationsspeicher. Die DNA enthält die Informationen, welche zur Ausbildung, Entwicklung und die Homöostase jedes Lebewesens erforderlich sind. Dabei handelt es sich in erster Linie um die Abfolge der Aminosäuren in Proteinen. Auch die Sequenz der tRNA und der rRNA ist in der DNA „gespeichert“.

Die Aufgaben der Ribonukleinsäuren (RNA) sind breiter. Sie sind wie die DNA Informationsträger, haben darüber hinaus aber auch strukturelle und katalytische Funktionen und Erkennungsfunktionen.

Die Nukleinsäuren zeigen auf, dass alle Lebewesen auf der Erde miteinander verwandt sind und von einem gemeinsamen Urvorfahren abstammen, der vor über 3.5 Milliarden Jahren existiert hat. Die Genetik gibt somit Antworten auf fundamentale Fragen des Lebens.

Nukleinsäuren in der Pharmazie (Beispiele)

Nukleosid-Analoga wie Aciclovir oder Penciclovir werden für die Behandlung von Virusinfektionen verabreicht. Es sind Derivate der Nukleoside, die nach der Phosphorylierung und dem Einbau in die virale DNA zum Kettenabbruch führen, weil der Zuckeranteil unvollständig ist. Es handelt sich um falsche Substrate, welche die DNA-Vermehrung stören. Auch weitere antivirale Medikamente üben ihre Effekte auf der Ebene der Nukleinsäuren aus.

Eine ähnliche Funktion haben Zytostatika oder Antimetabolite. Sie werden für die Krebstherapie eingesetzt. Sie hemmen die Zellteilung und führen zum Zelltod der Krebszellen.

Mit verschiedenen Gentherapeutika werden DNA-Abschnitte verändert, zum Beispiel mit der CRISPR-Cas9-Methode. Dies etwa mit dem Ziel, eine Mutation, welche eine Krankheit verursacht, zu korrigieren. Bei einer Gentherapie können auch Nukleinsäuren in Zellen eingebracht werden, die nicht in das Genom integriert werden. Sie liegen ausserhalb, werden aber auch für die Proteinsynthese verwendet (z.B. Onasemnogen-Abeparvovec).

Bei der small interfering RNA (siRNA) handelt es sich um kurze RNA-Fragmente, welche im Organismus zum selektiven Abbau der komplementären mRNA führen. Damit verhindern sie gezielt die Genexpression und die Bildung von Proteinen.

Ferner interagieren viele Wirkstoffe indirekt mit den Nukleinsäuren und beeinflussen die Genexpression. Typische Beispiele sind die Glucocorticoide, die Östrogene, Androgene und Retinoide. Sie binden an Rezeptoren im Zellinnern, die im Folgenden an die DNA binden und die Proteinsynthese beeinflussen.

Darüber hinaus spielen die Nukleinsäuren unter anderem für die Diagnose, für das Drug Discovery und für die Herstellung von Biologika (z.B. Insuline, Antikörper) eine sehr wichtige Rolle.

siehe auch

Aminosäuren, Proteine, Kohlenhydrate, Polymere, Selbstvermehrende Moleküle

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