Nucleinsäuren

Nucleinsäuren, auch Nukleinsäuren, sehr komplexe Moleküle in lebenden Zellen und Viren.

Nucleinsäuren sind nach dem Zellkern (Nucleus) benannt, in dem sie zuerst nachgewiesen wurden. Es gibt sie aber auch im Zytoplasma, dem Zellinhalt außerhalb des Kerns. Nucleinsäuren haben folgende Funktionen: Zum einen codieren sie die Erbinformation und geben sie über die Keimzellen an die folgende Generation weiter (Desoxyribonucleinsäure; nach dem deutschen Wort abgekürzt DNS, nach dem englischen DNA). Zum anderen dienen sie als Mittler zwischen Zellkern und den Organellen im Zytoplasma, an denen die Proteinbiosynthese stattfindet (messenger-Ribonucleinsäure oder Boten-RNA, abgekürzt mRNA). Molekularbiologen konnten den genetischen Code entziffern, in dem die Information für den Bau von Proteinen verschlüsselt ist. Nucleinsäuren haben sich wahrscheinlich vor drei Milliarden Jahren als sehr ursprüngliche Moleküle der ersten Lebensformen entwickelt. Die Bildung des genetischen Codes fällt vermutlich ebenfalls zeitlich eng mit der Entstehung des Lebens zusammen (siehe Evolution). Die bislang ältesten bekannten DNA-Fragmente wurden im sibirischen Permafrostboden gefunden. Es handelte sich um bis zu 400 000 Jahre alte Überreste verschiedener Pflanzenarten.

Nach den unterschiedlichen Zuckermolekülen, die Nucleinsäuren enthalten, werden diese in zwei Arten unterteilt: Desoxyribonucleinsäure und Ribonucleinsäure (RNS oder RNA). DNA-Moleküle bestehen aus zwei parallel gewundenen Strängen; sie haben die Form einer Doppelhelix. Ein DNA-Strang ist die Abfolge einzelner Nucleotide, das sind Molekülbausteine aus Phosphorsäure, einem Zucker (Desoxyribose) und einer der vier Basen Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin. In der Reihenfolge der Basen ist der genetische Code verschlüsselt. Die RNA-Moleküle unterscheiden sich in einigen Punkten von der DNA: Sie enthalten als Zuckermolekül Ribose und anstelle von Thymin die Base Uracil.

Alle lebenden Zellen enthalten DNA. In den relativ einfach gebauten Bakterien besteht der größte Teil der DNA aus einem einzelnen doppelsträngigen Molekül, das meist in Ringform vorliegt; es enthält alle Informationen für den eigenen Stoffwechsel und die Reproduktion (Vermehrung). Bei allen höheren Organismen besitzen die Zellen einen Zellkern, in dem die DNA in spezielle Strukturen, die Chromosomen, eingebettet ist. Durch die Verbindung mit Proteinen ist die DNA in den Chromosomen stark verdichtet. Ein Sonderfall sind die Viren: Sie sind keine Zellen, sondern Proteinhüllen, in denen die Erbinformationen entweder auf einem DNA- oder einem RNA-Molekül gespeichert vorliegen. Viren haben keinen eigenen Stoffwechsel, und zur Reproduktion müssen sie in eine fremde Wirtszelle eindringen.

Die unterschiedlichen Genomgrößen verschiedener Organismen, ausgedrückt in Nucleotiden, geben einen anschaulichen Vergleich der genetischen Organisationsstufen: Das Genom eines Bakteriums verfügt über fünf Millionen Nucleotide, das einer Essigfliege über 180 Millionen und das des Menschen über drei Milliarden. Die grundlegenden Forschungsarbeiten, die zur Entdeckung der DNA-Struktur führten, wurden von den britischen Biophysikern Francis Crick, Maurice Wilkins und Rosalind Franklin sowie von dem amerikanischen Biochemiker James Watson durchgeführt. Mit Hilfe der Röntgenstrukturanalyse, einer Technik, mit der Aussagen über die räumliche Anordnung von Atomen in einem Makromolekül gemacht werden können, untersuchte Wilkins im Jahr 1951 Nucleinsäuren. Die Ergebnisse seiner Arbeiten ließen den Schluss zu, dass die DNA aus Atomgruppen mit periodisch sich wiederholenden Abständen bestehen muss. Aufgrund dieser Daten entwarfen Watson und Crick das nach ihnen benannte Modell des DNA-Moleküls. Dem amerikanischen Biochemiker Arthur Kornberg gelang es 1955, im Reagenzglas DNA aus ihren Einzelbausteinen zu synthetisieren. Diese war jedoch nicht biologisch aktiv. Erst 1967 konnten er und sein Team DNA in einem zellfreien System wie in einer lebenden Zelle vermehren. Den genetischen Code entschlüsselten die Forscher Severo Ochoa, Marshall Warren Nirenberg, Johann Matthaei, Philip Leder und Har Gobind Khorana in den sechziger Jahren. Die von dem internationalen Human Genome Project und dem US-amerikanischen Unternehmen Celera Genomics durchgeführte Sequenzierung (die Bestimmung der Basenfolgen) des menschlichen Erbguts wurde 2003 abgeschlossen.

Verschiedene Arten von RNA (mRNA, tRNA und rRNA; auch mRNS, tRNS und rRNS) sind wichtige Elemente bei der Synthese von Proteinen. Die mRNA transportiert als Kopie eines DNA-Abschnitts (meist eines Gens) die genetische Information vom Zellkern zur Proteinsynthese ins Zytoplasma. Dort wird die mRNA an die Ribosomen angelagert und in eine Aminosäuresequenz übersetzt. Die tRNA-Moleküle (transfer-RNA) bringen die zum Proteinaufbau nötigen Aminosäuren herbei. Die rRNA (ribosomale RNA) wiederum ist ein wichtiger Baustein der Ribosomen.

Die US-amerikanischen Forscher Andrew Fire und Craig Mello entdeckten, wie sich die Wirkung von Genen gezielt ausschalten lässt, um die Bedeutung der betreffenden Gene für den Organismus erkennen zu können. Die Forscher injizierten doppelsträngige mRNA, die den Code für das betreffende Gen trug. Da doppelsträngige mRNA normalerweise nur bei Viren vorkommt, wird sie im Organismus von einem Enzym zerstört. Zugleich zerstört das Enzym aber auch die natürlicherweise gebildete mRNA, die denselben Code trägt, so dass die genetische Information nicht in ein Protein umgesetzt wird. Fire und Mello wurden 2006 für ihre Entdeckung dieses als RNA-Interferenz bezeichneten Phänomens mit dem Nobelpreis für Physiologie oder Medizin ausgezeichnet.

Siehe auch Vererbung