Bayern Abitur Biologie

Nukleotide als Bausteine

Nukleinsäuren sind Polymere aus Nukleotiden. Jedes Nukleotid besteht aus drei Teilen: einem Phosphatrest, einem Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen (Pentose) und einer stickstoffhaltigen Base. In der DNA ist der Zucker Desoxyribose, in der RNA Ribose. Bei Ribose trägt das Kohlenstoffatom 2' eine Hydroxygruppe, bei Desoxyribose nur ein Wasserstoffatom, und dieser Unterschied macht die RNA chemisch reaktionsfreudiger und weniger beständig.

Die Basen gehören zwei Gruppen an. Adenin (A) und Guanin (G) sind Purine mit zwei Ringen, Cytosin (C), Thymin (T) und Uracil (U) sind Pyrimidine mit einem Ring. In der DNA kommen A, T, G und C vor, in der RNA steht Uracil anstelle von Thymin.

Die Nukleotide eines Strangs sind durch Phosphodiesterbindungen verknüpft: Der Phosphatrest am Kohlenstoffatom 5' eines Nukleotids bindet an die Hydroxygruppe am Kohlenstoffatom 3' des vorangehenden. Der Zucker-Phosphat-Strang bildet so das Rückgrat, die Basen ragen seitlich heraus. Ein Strang hat deshalb eine Richtung: ein 5'-Ende mit freiem Phosphatrest und ein 3'-Ende mit freier Hydroxygruppe. Die Sequenz wird von 5' nach 3' gelesen.

Das Doppelhelix-Modell der DNA

Das Modell von Watson und Crick beschreibt die DNA als Doppelstrang, der zu einer rechtsgängigen Helix gewunden ist. Die beiden Stränge verlaufen antiparallel: Dem 5'-Ende des einen Strangs liegt das 3'-Ende des anderen gegenüber. Die Basen liegen im Inneren und stehen einander paarweise gegenüber.

Es paaren sich immer eine Purin- und eine Pyrimidinbase, und zwar nach dem Prinzip der komplementären Basenpaarung:

Weil sich stets ein Purin mit einem Pyrimidin paart, bleibt der Abstand der Stränge gleich. Die Wasserstoffbrücken sind einzeln schwach, halten aber zusammen mit den Stapelwechselwirkungen der übereinanderliegenden Basen den Doppelstrang stabil, und sie lassen sich bei der Replikation und Transkription durch Enzyme ohne großen Energieaufwand lösen. Ein Abschnitt mit viel G-C-Anteil ist schwerer zu trennen als ein A-T-reicher, weil er mehr Wasserstoffbrücken je Basenpaar enthält; das spielt bei der Schmelztemperatur der DNA eine Rolle.

Aus der komplementären Paarung folgt, dass in doppelsträngiger DNA die Menge an Adenin der an Thymin entspricht und die Menge an Guanin der an Cytosin. Der Anteil von A+T zu G+C dagegen unterscheidet sich von Art zu Art.

Die Sequenz eines Strangs legt die des anderen fest. Darauf beruht die genaue Weitergabe der Information bei der Replikation.

Vergleich mit dem RNA-Modell

RNA ist meist ein Einzelstrang. Sie kann sich durch komplementäre Paarung innerhalb des Strangs zu Schleifen und kompakten Strukturen falten, wie es die tRNA tut.

Drei Klassen von RNA sind an der Proteinbiosynthese beteiligt. Die mRNA (messenger-RNA) ist die Abschrift eines Gens und trägt die Information zum Ribosom. Die tRNA (transfer-RNA) bringt Aminosäuren zum Ribosom und liest dort die mRNA. Die rRNA (ribosomale RNA) bildet zusammen mit Proteinen die Ribosomen.

Der genetische Code

Die Information der DNA liegt in der Abfolge der Basen. Proteine bestehen aus 20 verschiedenen proteinogenen Aminosäuren. Vier Basen ergeben mit einer Base je Aminosäure nur vier Möglichkeiten, mit zwei Basen 16, erst mit drei Basen 64 Kombinationen, und das reicht für 20 Aminosäuren. Der genetische Code ordnet deshalb jeder Abfolge aus drei Basen der mRNA, einem Codon (Triplett), eine Aminosäure oder ein Signal zu.

Der Code hat mehrere Eigenschaften:

• Er ist degeneriert (redundant): Die 64 Codons verschlüsseln nur 20 Aminosäuren, sodass die meisten Aminosäuren von mehreren Codons bestimmt werden. Leucin, Serin und Arginin haben je sechs Codons, Methionin und Tryptophan nur eines. Codons für dieselbe Aminosäure unterscheiden sich meist in der dritten Base.
• Er ist eindeutig: Jedes Codon steht für genau eine Aminosäure oder ein Signal.
• Er ist kommafrei und nicht überlappend: Zwischen den Codons liegen keine Lücken, und jede Base gehört zu genau einem Codon. Gelesen wird ab einem festen Startpunkt in Dreierschritten, dem Leseraster.
• Er ist nahezu universell: Bei fast allen Lebewesen gehört zum selben Codon dieselbe Aminosäure. Das macht es möglich, ein menschliches Gen in Bakterien ablesen zu lassen, und gilt als Hinweis auf einen gemeinsamen Ursprung des Lebens.

Drei der 64 Codons sind Stoppcodons (UAA, UAG, UGA) und codieren keine Aminosäure; an ihnen endet die Translation. Das Codon AUG ist das Startcodon und codiert zugleich Methionin.

Ausgewählte Codons der mRNA:

Von der DNA zur Aminosäuresequenz

Die mRNA ist komplementär zum codogenen Strang (Matrizenstrang) der DNA und hat dieselbe Sequenz wie der Gegenstrang, der nicht codogene Strang, nur mit Uracil statt Thymin. Die Ableitung erfolgt in drei Schritten, hier an einem Beispiel.

Der Matrizenstrang lautet 3'-TAC GGT CAA ACT-5'.

1. Komplementäre mRNA bilden, Richtung 5' nach 3': 5'-AUG CCA GUU UGA-3'.
2. Die Codons mit der Codetabelle lesen: AUG (Methionin), CCA (Prolin), GUU (Valin), UGA (Stopp).
3. Ergebnis: Met-Pro-Val, danach endet die Translation.

Von der Aminosäuresequenz zur DNA

In die Gegenrichtung ist die Ableitung nicht eindeutig, weil der Code degeneriert ist. Für die Sequenz Met-Pro-Val sind mehrere mRNA-Sequenzen möglich: AUG gibt es nur einmal, Prolin hat vier Codons (CCN), Valin ebenfalls vier (GUN), sodass insgesamt $1 \cdot 4 \cdot 4 = 16$ mögliche mRNA-Sequenzen entstehen. Aus jeder lässt sich der komplementäre Matrizenstrang ableiten. Bei Aminosäuren mit nur einem Codon (Methionin, Tryptophan) ist der Schritt eindeutig.

Wer die Richtung einer Sequenz angibt, nennt immer das 5'- und das 3'-Ende, denn dieselbe Basenfolge gelesen von der anderen Seite ist eine andere Sequenz.