DNA und RNA sind Nukleinsäuren deren Aufbau und Funktion wir uns hier genauer anschauen möchten. Sie bestehen aus dem Zusammenschluss vieler Einheiten namens Nukleotide. In der Fachsprache sagt man: „sie sind Polymere von Nukleotiden, also Polynukleotide“. Die Hauptaufgabe von Nukleinsäuren ist die Speicherung und Übertragung der genetischen Information.
Nukleotid
Ein Nukleotid besteht aus drei Komponenten, nämlich eine organische Base, ein Zuckerrest und ein Phosphatrest. Die Kombination aus der organischen Base und dem Zuckerrest (ohne die Phosphatgruppe) wird auch als Nukleosid bezeichnet. Bei Nukleinsäuren verbindet sich jeweils der Phosphatrest eines Nukleotids (5′-Ende) mit dem Zuckerrest des Nachbarnukleotids (3′-Ende) und bildet so ein Zuckerphosphat-Gerüst.
Zuckerrest
Der Zuckerrest besteht bei der RNA aus Ribose. Ribose ist ein Zuckermolekül mit einem Ring aus fünf Kohlenstoffatomen (Pentose).
Bei der DNA hingegen besteht der Zuckerrest aus Desoxyribose. Desoxyribose ist ebenfalls ein Zuckermolekül mit einem Ring aus fünf Kohlenstoffatomen (Pentose). Hierbei fehlt aber im Vergleich zur Ribose, der Sauerstoff am C-2-Atom (Kohlenstoffatom Nr. 2 von 5).
Organische Basen
Adenin (A) und Guanin (G) sind organische Basen (auch Stickstoff-Basen genannt), die jeweils zwei Kohlenstoffringe besitzen und von dem Molekül Purin abstammen. Cytosin (C), Thymin (T) und Uracil (U) sind organische Basen, die jeweils nur einen Kohlenstoffring besitzen. Sie stammen von dem Molekül Pyrimidin ab.
Während A, G und C sowohl in DNA als auch in RNA vorkommen, kommt T nur in DNA und U nur in RNA vor.
Die Organischen Basen haben die Eigenschaft, dass sie sich mittels Wasserstoffbrückenbildung miteinander verbinden können. Das heißt: bei DNA bilden sich zwischen A und T (jeweils zwei) sowie zwischen G und C (jeweils drei) Wasserstoffbrücken. Dadurch können sich zwei komplementäre Stränge zu einem Doppelstrang verbinden, der leicht spiralförmig ist (also eine Doppelhelix). Diese beiden Stränge verlaufen Antiparallel.
Bei der RNA bilden sich zwischen A und U jeweils zwei sowie zwischen G und C jeweils drei Wasserstoffbrücken. RNA liegt in der Regel als Einzelstrang vor. Bei (langen) RNA-Molekülen können Bereiche, die komplementäre Basen enthalten, sich zu lokalen Doppelstränge falten.
Die Produktion von Nukleinsäuren ist einer der wichtigsten und fundamentalsten Vorgängen in allen Organismen.
DNA
Die DNA ist das einzige bekannte Molekül, das die alle Informationen zu ihrer eigenen (Re-)Produktion und Herstellung besitzt. Diese Information enthält u. a. den Bauplan von Enzymen, die ein DNA-Molekül duplizieren können (Replikation). Die genetische Information ist i. d. R. in der Reihenfolge der Nukleotide gespeichert. Abschnitte auf dem DNA-Molekül, die Informationen zur Herstellung von RNA-Molekülen enthalten, werden Gene genannt.
In der Zelle werden zuerst mittels dieser Enzyme die beiden Stränge der DNA voneinander getrennt. Anschließend legt das Enzym DNA-Polymerase an jedem der nun offenen Einzelstränge entsprechende komplementäre Nukleotide an. Dabei wird jeweils ein neuer komplementärer Strang gebildet. Wenn dieser Prozess die gesamte Länge eines DNA-Moleküls durchlaufen hat, existieren zwei separate DNA-Moleküle (Tochter-Stränge). Diese enthalten die gleiche Reihenfolge der Nukleotide, wie der Mutterstrang.
Vor der Zellteilung (Mitose), wird die gesamte DNA einer Zelle verdoppelt. Nach der Mitose enthalten die Tochterzellen jeweils die gleiche genetische Information der Mutterzelle. Somit werden die genetischen Informationen durch DNA-Moleküle von Generation zu Generation übertragen.
Wie genau die DNA-Replikation abläuft ist Gegenstand der Genetik und wie sich das DNA-Molekül über Generationen hin verändert wird in der Evolutionslehre behandelt.
RNA
Die RNA wird in der Regel durch Kopieren von Abschnitten eines DNA-Strangs produziert.
Das Enzym RNA-Polymerase ist in der Lage eine komplementäre Abschrift eines einzelnen DNA-Strangs zu produzieren. Hierbei werden RNA-Nukleotide verwendet, die also Ribose und die organische Base Uracil (U) anstelle von Thymin (T) enthalten. Dieser Vorgang wird DNA-Transkription genannt und ist Gegenstand der Genetik.
m-RNA, t-RNA und r-RNA sind die wichtigsten RNA-Moleküle.
- m-RNA (messenger-RNA, Boten-RNA) überträgt die genetische Informationen von einem DNA-Molekül in ein Ribosom, wo diese Information zur Herstellung von Proteinen verwendet wird.
- t-RNA (transfer-RNA) besitzt die wichtige Eigenschaft einzelne Aminosäuren zu transportieren. Wenn eine Aminosäurekette (Polypeptid) gebildet wird, bringen t-RNA-Moleküle entsprechende Aminosäuren innerhalb des Ribosoms nebeneinander, wodurch sich die Aminosäuren miteinander verbinden und ein Polypeptid bilden.
- r-RNA (ribosomal-RNA) kommt, wie der Name schon vermuten lässt, im Aufbau von Ribosomen vor. Ribosomen sind die Orte der Proteinbiosynthese in der Zelle. In Ribosomen treffen m-RNA, t-RNA und r-RNA aufeinander.
Einige RNA-Moleküle können katalytisch wirken, d. h. sie können, wie Enzyme bestimmte chemische Reaktionen beschleunigen, ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Deshalb gehen Biologen mittlerweile davon aus, dass vor Entstehung der DNA die Übertragung der genetischen Information von RNA übernommen wurde. Die ersten lebenden Zellen auf der Erde haben somit RNA als Träger der Erbinformation verwendet.