Nukleinsäuren sind lebenswichtige Makromoleküle, die aus wiederkehrenden Bausteinen, den Nukleotiden, bestehen. Sie kommen in allen Organismen vor – sowohl in Viren als auch in zellulären Lebewesen – und speichern die genetische Information. Die Grundstruktur bildet eine Kette aus Zuckern und Phosphatresten, an denen Nukleinbasen gebunden sind. Als eine der vier zentralen Gruppen von Biomolekülen, neben Proteinen, Lipiden und Kohlenhydraten, spielen sie eine Schlüsselrolle für die Biologie. Am bekanntesten ist die Desoxyribonukleinsäure (DNA), die fast allen Lebewesen als Erbinformation dient. Einige Viren nutzen dagegen die weniger stabile Ribonukleinsäure (RNA). Neben ihrer Funktion als Informationsspeicher können Nukleinsäuren auch biochemische Reaktionen beschleunigen (Ribozyme) oder Signale innerhalb der Zelle weitergeben.
Historische Entdeckung
Die Erforschung der Nukleinsäuren begann 1869 mit dem Schweizer Mediziner Friedrich Miescher, der in Zellkernen eine phosphorhaltige Substanz isolierte und sie „Nuclein“ nannte. In den folgenden Jahrzehnten identifizierten Albrecht Kossel und Richard Altmann die Nukleinbasen Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin als wesentliche Bestandteile. Kossel prägte zudem den Begriff „Nucleinbasen“. Später schlug Phoebus Levene die Kettenstruktur der Moleküle vor und führte den Begriff „Nukleotid“ ein.
Der entscheidende Durchbruch kam 1944, als Oswald Avery und Kollegen nachwiesen, dass Nukleinsäuren und nicht Proteine die Erbinformation speichern. Den Aufbau der DNA-Doppelhelix klärten schließlich James Watson, Francis Crick, Rosalind Franklin und Maurice Wilkins in den 1950er Jahren. 1977 entwickelten Frederick Sanger sowie Allan Maxam und Walter Gilbert Methoden zur Sequenzierung von DNA, die heute in automatisierter Form weltweit genutzt werden.
Aufbau und Eigenschaften
Chemische Struktur
Ein Nukleotid setzt sich aus drei Komponenten zusammen: einem Zucker (Ribose oder Desoxyribose), einer stickstoffhaltigen Base sowie einer oder mehreren Phosphatgruppen. Über Phosphodiesterbindungen bilden die Nukleotide lange, meist unverzweigte Ketten. Diese sind aufgrund der geladenen Phosphatgruppen negativ und wandern in einem elektrischen Feld stets zur Anode – eine Eigenschaft, die in der Molekularbiologie bei Trennverfahren wie der Gelelektrophorese genutzt wird.
Orientierung
Nukleinsäuren besitzen eine feste Polarität. Das sogenannte 5′-Ende trägt eine Phosphatgruppe, das 3′-Ende eine freie OH-Gruppe. Biologische Prozesse wie die DNA-Synthese sind auf diese Richtung angewiesen: Enzyme wie DNA-Polymerasen können neue Stränge nur in 5′→3′-Richtung aufbauen.
Sekundär- und Tertiärstruktur
Die Abfolge der Basen bildet die Primärstruktur einer Nukleinsäure. Erst durch die räumliche Faltung entsteht die Sekundärstruktur, die maßgeblich Stabilität und Funktion bestimmt. Im Doppelstrang paaren sich Purin- und Pyrimidinbasen über Wasserstoffbrücken: Adenin mit Thymin (oder Uracil in RNA) sowie Guanin mit Cytosin. Da GC-Paare drei Brücken bilden, tragen sie stärker zur Stabilität bei als AT-Paare.
Die bekannteste Raumstruktur ist die DNA-Doppelhelix, die durch Windung der beiden Stränge entsteht. Diese Helix kann rechts- oder linksgängig sein. In lebenden Zellen findet man überwiegend die B-Form, daneben auch A- und Z-Formen. Damit die DNA in die Zellkerne passt, wird sie zusätzlich zu Supercoils verdrillt und um Histonproteine gewickelt.
DNA und RNA
Desoxyribonukleinsäure (DNA)
Die Desoxyribonukleinsäure zeichnet sich durch den Zucker Desoxyribose aus. Sie enthält die Basen Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin. Aufgrund des fehlenden Sauerstoffatoms an der Desoxyribose ist DNA chemisch stabiler als RNA. Das erklärt, warum sie als langfristiger Speicher genetischer Information geeignet ist.
Die DNA liegt bei Bakterien in ringförmiger Form vor, während sie in Eukaryoten lineare Moleküle bildet. Diese besitzen Endstücke, die sogenannten Telomere, welche die Chromosomen vor dem Abbau schützen. Mit jeder Zellteilung verkürzen sich die Telomere, was die Lebensdauer einer Zelle begrenzt. In Stamm- und Krebszellen verlängert das Enzym Telomerase diese Strukturen und ermöglicht so unbegrenzte Teilungen.
Ribonukleinsäure (RNA)
Die Ribonukleinsäure unterscheidet sich durch den Zucker Ribose und die Verwendung von Uracil statt Thymin. Sie ist deutlich instabiler, da die zusätzliche OH-Gruppe an C2 spontane Spaltungen fördern kann. Dennoch ist RNA unverzichtbar für die Zelle:
– Messenger-RNA (mRNA) transportiert genetische Informationen aus dem Zellkern zu den Ribosomen.
– Transfer-RNA (tRNA) bringt passende Aminosäuren zum Ribosom.
– Ribosomale RNA (rRNA) ist am Aufbau des Ribosoms beteiligt und wirkt selbst katalytisch.
Neben diesen Hauptformen existieren zahlreiche weitere RNA-Arten mit regulatorischen oder enzymatischen Funktionen.
Varianten und künstliche Nukleinsäuren
Neben der klassischen DNA und RNA gibt es viele Abwandlungen. Natürlich vorkommende Varianten entstehen durch Modifikationen der Basen, etwa durch Methylierungen, die die Genregulation beeinflussen. Daneben hat die Forschung künstliche Nukleinsäuren entwickelt, sogenannte Xenonukleinsäuren (XNA), bei denen der Zucker durch andere Moleküle ersetzt ist. Beispiele sind Cyclohexen- oder Tricyclo-DNA.
Auch Peptid-Nukleinsäuren (PNA) und locked nucleic acids (LNA) zählen zu diesen künstlichen Formen. Sie sind oft stabiler und widerstandsfähiger gegen enzymatischen Abbau und werden daher intensiv in der Medizin- und Pharmabranche untersucht. Synthetische Varianten wie die Hachimoji-DNA erweitern sogar das Basenalphabet über die natürlichen vier hinaus und eröffnen neue Möglichkeiten in der Biotechnologie.