Nukleotide

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Ein Nukleotid, auch Nucleotid, ist ein Grundbaustein von Nukleinsäuren, also Desoxyribonukleinsäure (DNA) und Ribonukleinsäure (RNA). Es ist ein Molekül mit einem Phosphat-, einem Zucker- und einem Basenbestandteil. Viele Arten von Nukleotiden haben lebensnotwendige regulatorische Funktionen in Zellen, beispielsweise das ATP, das cAMP und das GTP.

Die Riesenmoleküle DNA und RNA sind aus insgesamt fünf verschiedenen Sorten von Nukleotiden zusammengesetzt, die in beliebiger Reihenfolge mit Hilfe von Atombindungen zum jeweiligen Makromolekül verknüpft werden können. Die dabei ablaufende Reaktion ist eine Kondensationsreaktion. Drei miteinander verbundene Nukleotide bilden die kleinste Informationseinheit, die in der DNA und RNA zur Kodierung der genetischen Information zur Verfügung steht. Man nennt diese Informationseinheit ein Codon.

Aufbau von Nukleotiden und Nukleosiden. Bei einem Nukleotid ist die 5'-OH-Gruppe der Pentose mit einer oder mehreren Phosphatgruppen verestert. Ein Nukleosidtriphosphat, beispielsweise Adenosintriphosphat (ATP), weist drei Phosphatgruppen auf, die untereinander Säureanhydridbindungen ausbilden. Über das C1'-Atom ist eine Base mit der Pentose verknüpft. Falls der Rest R eine Hydroxygruppe ist, liegt eine Ribose vor, bei einem Wasserstoffrest spricht man von einer Desoxyribose.

Ein Nukleotid ist aus drei Bestandteilen aufgebaut:

  • einem Phosphorsäurerest (P) (Phosphat),
  • einem Monosaccharid (Zucker) mit 5 C-Atomen, auch Pentose (Z) genannt, welche als Fünfring (Furanosering) vorliegt,
  • einer der fünf Nukleobasen, nämlich Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C), Thymin (T) oder Uracil (U).

Hierbei wird der Zucker mit der Base über eine N-glykosidische Bindung verknüpft, sowie das Phosphat mit dem Zucker über eine Esterbindung verbunden; wird mehr als ein Phosphat angehängt, so sind diese untereinander über Phosphorsäureanhydridbindungen verknüpft. Manchmal ist der Zucker auch über eine C-glykosidische Bindung verknüpft, dies ist der Fall für beispielsweise Pseudouridin (Ψ).

In der DNA werden nur vier dieser Basen (A, G, C, T) verwendet, in der RNA ist die Nukleobase Thymin gegen Uracil ausgetauscht. Die Nukleotide unterscheiden sich also durch die Base, die jeweils eingebaut ist, und durch den Zucker (die Pentose), der bei der DNA die Desoxyribose und bei der RNA die Ribose ist.

Von den Nukleotiden sind die Nukleoside zu unterscheiden, die nur aus der Nukleobase und der daran gebundenen Pentose bestehen, an die jedoch kein Phosphatrest gebunden ist.

Übersicht

Die Nukleobasen und das, was aus ihnen entsteht, im Einzelnen:

Nukleosid → Nukleobase + Pentosen
Nukleotid → Nukleobase + Pentose + Phosphatrest
Nukleotiddiphosphat → Nukleosidtriphosphat
  • für Ribose als Zucker und Phosphatresten:
Nukleobase Nukleosid Nukleotid
Adenin A Adenosin Adenosinmonophosphat AMP
Adenosindiphosphat ADP
Adenosintriphosphat ATP
Guanin G Guanosin Guanosinmonophosphat GMP
Guanosindiphosphat GDP
Guanosintriphosphat GTP
Cytosin C Cytidin Cytidinmonophosphat CMP
Cytidindiphosphat CDP
Cytidintriphosphat CTP
Uracil U Uridin Uridinmonophosphat UMP
Uridindiphosphat UDP
Uridintriphosphat UTP
Nukleobase Nukleosid Nukleotid
Adenin A Desoxyadenosin Desoxyadenosinmonophosphat dAMP
Desoxyadenosindiphosphat dADP
Desoxyadenosintriphosphat dATP
Guanin G Desoxyguanosin Desoxyguanosinmonophosphat dGMP
Desoxyguanosindiphosphat dGDP
Desoxyguanosintriphosphat dGTP
Cytosin C Desoxycytidin Desoxycytidinmonophosphat dCMP
Desoxycytidindiphosphat dCDP
Desoxycytidintriphosphat dCTP
Thymin T Desoxythymidin Desoxythymidinmonophosphat dTMP
Desoxythymidindiphosphat dTDP
Desoxythymidintriphosphat dTTP

Die Verknüpfung der Nukleotide zu Nukleinsäuren

DNA-Doppelhelix aus verbundenen Nukleotiden mit komplementären Basenpaaren

In Nukleinsäuren wie der RNA sind die Nukleotide über die Phosphorsäure (P) und das Monosaccharid (Pentose, Z) verkoppelt.

Auf diese Weise bilden sie einen Einzelstrang der doppelsträngigen DNA. Zur Bildung des Doppelstranges wird dieser nun quasi gespiegelt, wobei einer Base des einen DNA-Einzelstrangs jeweils eine komplementäre Base des anderen Einzelstrangs gegenüberliegt. Als komplementär werden die Basenpaare C und G sowie A und T bezeichnet: Gegenüber einem Nukleotid, das eine Cytosinbase beinhaltet, liegt immer ein Nukleotid mit einer Guaninbase (und umgekehrt), das gleiche gilt für das Adenin-Thymin-Basenpaar.

Die sich in der DNA-Doppelhelix gegenüberliegenden Basen der Nukleotide werden dabei durch Wasserstoffbrückenbindungen miteinander verknüpft, wobei zwischen den Basen G und C je drei, zwischen A und T je zwei Wasserstoffbrückenbindungen ausgebildet werden. Man spricht dabei vom Basenpaarungsmechanismus.

RNA-Moleküle sind ähnlich aus Nukleotiden aufgebaut, nur mit dem Unterschied, dass anstelle der Base Thymin bei ihnen Uracil auftritt und keine Doppelhelices, sondern nur Einzelstränge ausgebildet werden. Da sich RNA- und DNA-Moleküle nur durch das „Gerüst“ unterscheiden, können sich auch bei diesen Wasserstoffbrücken zwischen komplementären Basen ausbilden. In bestimmten, komplementären Abschnitten können sich auch innerhalb desselben Einzelstranges Wasserstoffbrücken ausbilden, was eine Faltung des Moleküls bewirkt. Dies ist z. B. in tRNA-Molekülen der Fall.

Ambiguity Code

Um Vieldeutigkeiten (engl.: ambiguity) in DNA-Sequenzen notieren zu können, wurde vom Nomenklaturkomitee der International Union of Biochemistry and Molecular Biology der Ambiguity Code vorgeschlagen:

Ambiguity Code
Abkürzung Bedeutung
A Adenin
C Cytosin
G Guanin
T Thymin
U Uracil
Y Pyrimidin (C oder T)
R Purin (A oder G)
W weak (A oder T; bezogen auf die „schwachen“ 2 Wasserstoffbrücken, die diese Basen ausbilden)
S strong (C oder G; bezogen auf die „starken“ 3 Wasserstoffbrücken, die diese Basen ausbilden)
K Ketogruppe (G oder T)
M Aminogruppe (A oder C)
B nicht A (also C, G oder T)*
D nicht C (A, G oder T)*
H nicht G (A, C oder T)*
V nicht T (A, C oder G)*
N oder X A, C, G oder T
P Phosphorsäure
Z Pentose, ein Monosaccharid
* Es wird jeweils der nächste freie Buchstabe im Alphabet verwendet.

Strukturformeln der natürlich vorkommenden Nukleotide

Ribose als Zucker

Desoxyribose als Zucker

Siehe auch

Literatur

  • D. Voet, J. Voet, C. Pratt: Lehrbuch der Biochemie. 2. Auflage, Wiley-VCH, Weinheim 2010, ISBN 3-527-32667-9 S. 45ff, 600ff
  • Alberts et alii: Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie. 4. Auflage. Wiley, 2012, ISBN 978-3-527-32824-6. S. 57-62, 80ff

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