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Nukleinsäuren sind polymere Makromoleküle, die aus Nukleotiden bestehen und als DNA oder RNA die genetische Information speichern sowie übertragen.
Nukleinsäuren wie die DNA (Desoxyribonukleinsäure) und RNA (Ribonukleinsäure) sind aus sich wiederholenden Bausteinen aufgebaut, den sogenannten Nukleotiden. Ein einzelnes Nukleotid besteht immer aus drei Komponenten: einer stickstoffhaltigen organischen Base, einem Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen (einer Pentose) und mindestens einer Phosphatgruppe.
Der Zucker dient als zentrales Verbindungsstück. In der DNA ist dies die Desoxyribose, während in der RNA die Ribose verwendet wird. Der entscheidende Unterschied liegt am zweiten Kohlenstoffatom (2'-C), wo der Desoxyribose ein Sauerstoffatom fehlt. Diese kleine chemische Abweichung macht die DNA wesentlich stabiler gegenüber chemischen Angriffen als die RNA.
Die stickstoffhaltigen Basen werden in zwei Gruppen unterteilt: Die großflächigen Purine (Adenin und Guanin), die aus einem Doppelringsystem bestehen, und die kleineren Pyrimidine (Cytosin, Thymin und Uracil), die nur einen einfachen Ring besitzen. Man kann sich das wie Puzzleteile vorstellen: Ein großes Purin muss immer mit einem kleinen Pyrimidin paaren, damit die Breite der DNA-Leiter konstant bleibt.
Die einzelnen Nukleotide werden über eine Phosphodiesterbindung zu einer langen Kette verknüpft. Dabei verbindet die Phosphatgruppe das 5'-Ende eines Zuckers mit dem 3'-Ende des nächsten Zuckers. Dadurch entsteht eine klare Richtung im Strang, die wir als 5'->3' Richtung bezeichnen. Das Rückgrat aus Zucker und Phosphat liegt außen, während die Basen wie die Sprossen einer Leiter nach innen ragen.
Die DNA liegt meist als Doppelhelix vor, bei der zwei Einzelstränge umeinander gewunden sind. Diese Stränge verlaufen antiparallel, das heißt, sie liegen zwar nebeneinander, zeigen aber in entgegengesetzte Richtungen (einer von 5' nach 3', der andere von 3' nach 5').
Die Stabilität der Doppelhelix wird primär durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den gegenüberliegenden Basen gewährleistet. Gemäß den Chargaff-Regeln paart Adenin (A) immer mit Thymin (T) über zwei Wasserstoffbrücken, während Guanin (G) stets mit Cytosin (C) über drei Wasserstoffbrücken interagiert. Da G-C-Paarungen mehr Bindungen aufweisen, sind sie thermisch stabiler als A-T-Paarungen.
Zusätzlich zu den Wasserstoffbrücken tragen die sogenannten Stapelwechselwirkungen (Stacking-Kräfte) zwischen den flachen Basenringen innerhalb eines Stranges massiv zur Stabilität der Helix bei. In der RNA wird Thymin durch Uracil ersetzt, und RNA tritt meist als einzelner Strang auf, der jedoch komplexe Sekundärstrukturen durch interne Basenpaarung bilden kann.
