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5.1.2. Nukleotide sind die monomeren Einheiten der Nukleinsäuren
Strukturelle Einblicke, Nukleinsäuren
bietet eine dreidimensionale Perspektive auf die Nukleotidstruktur, die Basenpaarung und andere Aspekte der DNA- und RNA-Struktur.
Eine Einheit, die aus einer an einen Zucker gebundenen Base besteht, wird als Anukleosid bezeichnet. Die vier Nukleosideinheiten in der RNA heißen Adenosin, Guanosin, Cytidin und Uridin, während die in der DNA Desoxyadenosin, Desoxyguanosin, Desoxycytidin und Thymidin heißen. In jedem Fall ist N-9 eines Purins oder N-1 eines Apyrimidins an C-1′ des Zuckers gebunden (Abbildung 5.5). Die Base liegt oberhalb der Zuckerebene, wenn die Struktur in der Standardausrichtung geschrieben wird, d. h. die Konfiguration der N-glykosidischen Bindung ist β. Ein Nukleotid ist ein Nukleosid, das über eine Esterbindung mit einer oder mehreren Phosphatgruppen verbunden ist. Die häufigste Stelle der Veresterung in natürlich vorkommenden Nukleotiden ist die Hydroxylgruppe, die an C-5′ des Zuckers gebunden ist. Eine Verbindung, die durch die Bindung einer Aphosphatgruppe an das C-5′ eines Nukleosidzuckers entsteht, wird als Nukleosid-5′-phosphat oder 5′-Nukleotid bezeichnet. ATP ist zum Beispiel Adenosin-5′-triphosphat. Ein anderes Nukleotid ist Desoxyguanosin-3′-monophosphat (3′-dGMP; Abbildung 5.6). Dieses Nukleotid unterscheidet sich von ATP dadurch, dass es Guanin statt Adenin, Desoxyribose statt Ribose (gekennzeichnet durch die Vorsilbe „d“), ein Phosphat statt drei Phosphate enthält und das Phosphat in der 3′- statt der 5′-Position mit der Hydroxylgruppe verestert ist. Nukleotide sind die Monomere, die zu RNA und DNA verknüpft werden. Die vier Nukleotideinheiten in der DNA heißen Desoxyadenylat, Desoxyguanylat, Desoxycytidylat und Desoxythymidylat und Thymidylat. Man beachte, dass Thymidylat Desoxyribose enthält; die Vorsilbe Desoxy wird konventionell nicht hinzugefügt, da thyminhaltige Nukleotide in der RNA nur selten vorkommen.
Abbildung 5.6
Nukleotide Adenosin-5′-triphosphat (5′-ATP) und Desoxyguanosin-3′-monophosphat (3′-dGMP).
Die abgekürzten Bezeichnungen pApCpG oder pACG bezeichnen ein Trinukleotid der DNA, das aus den Bausteinen Desoxyadenylatmonophosphat, Desoxycytidylatemonophosphat und Desoxyguanylatmonophosphat besteht, die durch eine Phosphodiesterbrücke verbunden sind, wobei „p“ eine Phosphatgruppe bezeichnet (Abbildung 5.7). Am 5′-Ende ist häufig ein Phosphat an die 5′-OH-Gruppe gebunden. Beachten Sie, dass eine DNA-Kette wie ein Polypeptid (siehe Abschnitt 3.2) eine Polarität aufweist. Ein Ende der Kette hat eine freie 5′-OH-Gruppe (oder eine 5′-OH-Gruppe, die an ein Phosphat gebunden ist), während das andere Ende eine 3′-OH-Gruppe hat, die nicht an ein anderes Nukleotid gebunden ist. Konventionell wird die Basensequenz in der Richtung 5′-zu-3′ geschrieben. So zeigt das Symbol ACG an, dass die nicht verknüpfte 5′-OH-Gruppe an Desoxyadenylat und die nicht verknüpfte 3′-OH-Gruppe an Desoxyguanylat gebunden ist. Aufgrund dieser Polarität entsprechen ACG und GCA unterschiedlichen Verbindungen.
Abbildung 5.7
Struktur einer DNA-Kette. Die Kette hat ein 5′-Ende, das normalerweise an ein Phosphat gebunden ist, und ein 3′-Ende, das normalerweise eine freie Hydroxylgruppe ist.
Ein auffälliges Merkmal natürlich vorkommender DNA-Moleküle ist ihre Länge. ADNA-Moleküle müssen aus vielen Nukleotiden bestehen, um die genetische Information zu tragen, die selbst für die einfachsten Organismen notwendig ist. Die DNA eines Virus wie Polyoma, das bei bestimmten Organismen Krebs verursachen kann, ist beispielsweise bis zu 5100 Nukleotide lang. Wir können die Informationskapazität von Nukleinsäuren folgendermaßen quantifizieren. Jede Position kann eine von vier Basen sein, was zwei Informationsbits entspricht (22 = 4). Eine Kette von 5100 Nukleotiden entspricht also 2 × 5100 = 10 200 Bits oder 1275 Bytes (1 Byte = 8 Bits). Das E. coli-Genom ist ein einziges DNA-Molekül, das aus zwei Ketten von 4,6 Millionen Nukleotiden besteht, was 9,2 Millionen Bits oder 1,15 Megabyte an Informationen entspricht (Abbildung 5.8).
Abbildung 5.8
Elektronenmikroskopische Aufnahme eines Teils des E. coligenoms.
DNA-Moleküle von höheren Organismen können viel größer sein. Das menschliche Genom umfasst etwa 3 Milliarden Nukleotide, die sich auf 24 verschiedene DNA-Moleküle (22 Autosomen, X- und Y-Geschlechtschromosomen) unterschiedlicher Größe verteilen. Eines der größten bekannten DNA-Moleküle findet sich beim indischen Muntjak, einem asiatischen Hirsch; sein Genom ist fast so groß wie das menschliche Genom, aber auf nur 3 Chromosomen verteilt (Abbildung 5.9). Das größte dieser Chromosomen hat Ketten von mehr als 1 Milliarde Nukleotiden. Könnte man ein solches DNA-Molekül vollständig ausdehnen, wäre es mehr als einen Meter lang.
Abbildung 5.9
Der indische Muntjak und seine Chromosomen. Zellen eines weiblichen Indischen Muntjaks (rechts) enthalten drei Paare sehr großer Chromosomen (orange gefärbt). Die abgebildete Zelle ist ein Hybrid, der zum Vergleich ein Paar menschlicher Chromosomen (grün gefärbt) enthält. [(Links) (mehr…)