Die Bezeichnung Nukleinsäuren ist historisch bedingt:
Der schweizer Biochemiker Johann, Friedrich Miescher isolierte 1869 aus den Kernen von Leukocyten (im Eiter) eine organische Substanz, die sowohl Stickstoff als auch Phosphor enthielt; er bezeichnete diese, da sie aus dem Zellkern stammte, als Nuclein. Um 1890 prägte man für diese Substanzklasse wegen ihrer sauren Eigenschaften den Namen Nukleinsäure.

Nukleinsäuren kommen in allen Zellen aller Lebewesen vor.
Ein lebender Organismus muss um zu wachsen, Gewebe zu erneuern, Lebensfunktionen (Enzyme, Hormone ) aufrecht zu erhalten und um sich zu vermehren , ständig verschiedenste Proteine synthetisieren. Die N. steuern die Synthese all dieser Proteine. Alle dazu nötigen Informationen sind in den N. gespeichert und werden vom Organismus bei Bedarf abgerufen.
Alle diese Informationen werden auch an die Nachkommen weitergegeben, d.h. die N. sind die Datenträger für die Vererbung.

Der molekulare Bau der N. und der damit zusammenhängende Mechanismus der Vererbung wurde in den fünfziger Jahren von den Amerikanern Watson und Crick aufgeklärt. 1953 konnten diese beiden dann endlich auch die exakte Struktur der N aufzeigen.

Es gibt zwei verschiedene Typen von Nukleinsäuren:
  • Desoxyribonukleinsäure = DNS
  • Ribonukleinsäure = RNS
Nukleinsäuren bestehen aus drei Bausteinen:   

  1. Zucker: Monosaccharide (C5-Zucker = Pentosen): Desoxyribose, Ribose
  2. Phosphorsäure: H3PO4
  3. 5 Basen: Purinbasen Pyrimidinbasen
Wie sind diese Bestandteile nun miteinander verknüpft ?
Nukleosid    =    Base   +    Zucker
In einem Nukleosid ist ein Zuckermolekül (C1 des Zuckers mit einem Basen – N – Atom) mit einer Base unter H2O – Abspaltung verbunden.
Nukleotid   =   Nukleosid   +   Phosphorsäure 
In einem Nukleotid ist die OH – Gruppe am 5` – C – Atom des Zuckers mit Phosphorsäure unter H2O – Austritt verstert.
 
Derartige Nukleotide sind die kleinsten Baustein der
Nukleinsäuren. (Erwähnt sei, dass Nukleotide aber auch
als ADP, ATP, NAD vorhanden sind).
Das Zucker – Phosphat – Gerüst der   DNA
 
Die Phosphorsäure ist mit zwei Zuckern verestert ( Alkohol + Säure = Ester ), d.h. die endständige Alkoholgruppe (OH) des Zuckers verbindet sich unter H2O – Abspaltung mit der Phosphorsäure.
Die Phosphorsäure verbindet das C3 der einen Desoxyribose mit dem C5 der anderen. Indem auf jede Phosphorsäure ein Zucker folgt und auf diesen wiederum eine Phosphorsäure, entsteht ein langes,lineares Molekül.
Nur an einem Ende, am sogenannten 5´ – Ende (sprich: 5 Strich – Ende), befindet sich eine Phosphorsäure. Das andere Ende, entsprechend 3´- Ende genannt, ist eine Desoxyribose, welche als einzige nicht verestert ist. Unsere Zucker – Phosphat – Kette hat also eine Richtung. Man liest vom 5´- Ende zum 3´- Ende.


Die Primärstruktur des DNA
An jede Desoxyribose (am C1 – Atom) ist eine der vier Basen (Adenin, Guasnin, Cytosin,Thymin) gebunden. Die Abfolge der Basen kann beliebig variieren und stellt die eigentliche Erbinformation dar.
Die Sequenz der Basen einer Nukleinsäure nennt man die Primärstruktur.
Sie liest sich vereinbarungsgemäß von 5´ nach 3´. Als Beispiel sei ein DNA – Einzelstrang mit der Basenfolge 5´ Thymin – Cytosin – Guanin-3´ gezeigt.

Die Verlängerung einer DNA erfolgt nur am 3`-Ende durch Anhängen eines neuen Nukleotids.

 
Die Sekundärstruktur der DNA
In Zellen existiert ein DNA- Einzelstrang jeweils nur kurzfristig und nur über kurze Abschnitte, z.B. während der Zellteilung oder während der Transkription. Normalerweise paart sich ein DNA- Einzelstrang nämlich immer mit einem zweiten Einzelstrang. Diese Paarung ergibt sich dadurch, dass immer eine Base des einen Einzelstranges mit einer bestimmten Base des anderen Stranges Wasserstoffbrücken ausbildet. Die beiden Basen , welche sich ergänzend gegenüberstehen, nennt man komplementär.
 
Sieh Dir die Basenpaare etwasgenauer an: einer Purin-Base steht immer einer Pyrimidin-Base gegenüber und umgekehrt. Das besdeutet, dass in der DNA immer gleichviele Purine wie Pyrimidine eingebaut sind . Diese als Chargaff-Regel bekannte Tatsache besagt auch, dass die Summe der Andenine der Summe der Thymine und die Summe der Guanine gleich der Summe der Cytosine ist. (Kurz gesagt, die Anzahl der Adenine ist gleich der Anzahl der Thymine, und die Anzahl der Cytosine ist gleich der Anzahl der Thymine).
 
                                  A + G   =   C + T
 
          A : T   =   1 : 1                        C : G   =   1 : 1
 
Die Sekundärstruktur einer Nukleinsäure wird innen durch die Abfolge komplementärer Basen, welche überWasserstoffbrückenbindungen miteinender verknüpft sind, und aussen über zwei parallel verlaufende Molekülfäden, die anwechselnd aus Zucker und Phosphat aufgebaut sind, bestimmt.
 

Die Tertiärstruktur der DNA
Die DNA bleibt jedoch nicht als Doppelstrang einfach in der Ebene liegen, vielmehr verdrillt sie sich schraubenartig zu einer Doppelhelix, wobei die hydrophoben Basen immer innen liegen, die hydrophilen Zuckerringe und die Phosphodiesterbrücken hingegen das Rückgrat bilden und aussen liegen.
Die Stränge sind nach rechts gewunden, und jeder Strang hat nach zehn Nukleotiden eine volle Umdrehung von 3600 . Der Durchmessereiner Doppelschraube ist 2nm.

Das Watson – Crick – Modell der DNA
(eine schraubig gewundene Doppelhelix)

Durch die Basenpaarung ergibt sich, dass aus der Basenfolge des einen Stranges zwingend die Basenfolge des anderen (komplementären) Stranges bestimmt werden kann.
Versuche aus folgender DNA-Sequenz den komplemetären Strang zu finden.
                
                            5´-AATCAGCGATCGCTG-3´


Die RNA = Ribonukleinsäuren

Die RNA sind eine heterogene Gruppe von N:, deren Aufgaben es sind, Informationen der DNA (im Zellkern) in Proteine ausserhalb des Zellkerns umzusetzen.

 
m-RNA
messenger RNA (=Boten RNA): bildet im Zellkern
einen komplementären Einzelstrang zur DNA und wandert hinaus zu den Ribosomen.

r-RNA
ribosomale RNA: verläßt den Zellkern und wandert durch die Kernporen ins Cytoplasma; dort vereinigt sie sich mit den cytoplasmatischen Proteinen und bildet die Ribosomen.

t-RNA
transfer RNA: nur im Cytoplasma; kleeblattförmig; nimmt, nur dem Anticodon entsprechend , eine bestimmte Aminosäure auf.
 
 
Die identische Reduplikation der DNA
Vor jeder Zellteilung müssen die Chromosomen verdoppelt werden, damit die Tochterzellen ebenfalls einen identen kompletten Chromosomensatz erhalten, d.h. die DNA – Moleküle müssen identisch verdoppelt werden.

Watson und Crick schlugen schon 1953 bei der Beschreibung der DNA folgende Möglichkeit vor:
Die DNA-Doppelhelix ( = Mutterstrang) entspiralisiert sich, wodurch das Molekül nun einer Leiter ähnelt. Da die Wasserstoffbrücken zwischen den komplementären Basen nur geringe Bindungsenergie besitzen, können die Einzelstränge leicht reißverschlußartig voneinender getrennt werden, wobei zwei Einzelstränge entstehen. An jedes frei gewordene Nukleotid des Einzelstranges lagert sich nun komplementär ein passendes Nukleotid an, und die beiden Basen verknüpfen sich erneut über Wasserstoffbrückenbindungen.

Ergebnis:
Durch diese Reduplikation sind zwei idente Tochterstränge entstanden, wobei jeder Tochterstrang aus einem Mutterstrang (Matrize = Vorlage) und einen neu synthetisierten Einzelstrang besteht = semikonservative, identisce Reduplikation.
 
Theoreisch wären auch andere Verdopplungsmechanismen denkbar.
 
So könnte sich der Doppelstrang zunächst entspiralisieren,bliebe aber als Doppelstrang erhalten. In dieser Form könnte er dann als Matrize für den Tochterstrang dienen, der sich in diesem Fall aus völlig neuen Nukleotiden zusammensetzt = konservativer Reduplikationsmechsnismus
Schließlich gäbe es noch die Möglichkeit, dass der Doppelstrang beim Entspiralisieren nach je einer Schraubenwindung mithilfe von Enzymen druchtrennt würde und die Einzelstränge des abgetrennten Stückes jeweils die komplementären Nukleotide bände, bevor es wieder zus
ammenwachsen würde = disperser Reduplikationsmechanismus.

Das Meselson – Stahl Experiment
Matthew Meselson und Franklin Stahl zeigten 1957 , dass die DNA-Reduplikation tatsächlich semikonservativ verläuft.
Sie züchteten Escherichia- coli-Bakterien über mehrere Generationen auf einem künstlichen Nährboden, welcher als Stickstoffquelle das „schwere“ Stickstoffisotop 15N an Stelle des „leichten“ Isotopes 14N enthielt.
Die DNA, welche 15N .Isotop in ihren Bausteinen enthielt, war um etwa 1% schwerer als 14N DNA. Nach einiger Zeit enthielt die DNA dieser Bakterien nur noch schweren Stickstoff, was zu einer Erhöhung des spezifischenGewichtes im Vergleich zur normalen 14N DNA führte.
Zentrifugiert man ein Gemisch aus diesen beiden DNA-Sorten in einer Caesiumchloridlösung, wandert die schwere 15N-DNA weiter nach unten und man kann deutlich zwei getrennte Banden erkennen.

Meselson und Stahl übertrugen die Bakterien mit schwerer DNA in ein Nährmedium mit 14N – Salzen, präparierten dann die DNA der ersten Tochtergeneration heraus und zentrifugierten diese unter den gleichen Bedingungen wie vorher. Es trat nur eine einzige Bande auf, nämlich jene, welche zwischen den Banden von 15N-DNA und 14N-DNA lag. Daraus folgerte man, dass alle DNA-Doppelstränge gleich schwer sein müssen und jeder aus einem „alten“ Strang“ (15N) und einen „neuen“ Strang (14N) bestehen muss. Das sprach also gegen eine konservative Reduplikation.

Nach einer weiteren Generationenfolge zentrifugierten sie auch die DNA der F2-Generation. Das Resultat waren zwei Banden, eine mit der leichten 14N-DNA und eine mit der gemischten 14N15N- DNA. Damit war die semikonservative Reduplikation der DNA bewiesen.

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