Was ist in einem Nukleotid verbunden?

Die DNA setzt sich aus einem Nukleosid und einem Nukleotid zusammen. Ein Nukleotid setzt sich aus einer organischen Base (Guanin, Adenin, Cytosin und Thymin), der Desoxyribose und drei Phosphatresten zusammen.

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Das Nukleotid oder dNTP wird aus folgenden Bestandteilen gebildet: Zucker, drei Phosphorsäurereste, eine organische Base

Grundlegend ist der Fünferzucker, im Fall der DNA die Desoxyribose.

In der Abbildung sind die Kohlenstoffatome C1 bis C5 gekennzeichnet. Am C1-Kohlenstoff ist eine der vier möglichen organischen Basen gebunden. Am C5 findet sich der Phosphatrest.

Vor Einbau des Nukleotids in die DNA liegt dieses als Triphosphat vor. Wie in der Abbildung gezeigt, sind drei Phosphatreste am C5 gebunden. Beim Einbau in die DNA werden zwei der Phosphatreste abgespalten und nur das Monophosphat in den DNA-Strang eingebaut. Am C3-Kohlenstoff ist eine Alkohol- oder OH-Gruppe gebunden. Diese wird in der DNA benötigt, um ein weiteres Nukleotid einbauen zu können. Die Verlängerung der DNA erfolgt immer am 3'-Ende, also an der Alkoholgruppe des C3.

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Die Nummerierung der Desoxyribose ist Grundlage der Strangorientierung (5'→3'-Orientierung)

Nukleotid: Grundbaustein der DNA. Wo liegen die wichtigen C-Atome C1, C3 und C5? Welche Gruppen werden an diesen C-Atomen angebunden?

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Kohlenstoffatome der Desoxyribose sind verknüpft mit:
C1: organische Base
C3: OH-Gruppe
C5: Phosphorsäurerest 

Leitermodell der DNA

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:

• für Ribose als Zucker und Phosphatresten:

• für Desoxyribose als Zucker und Phosphatresten:

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:

Strukturformeln der natürlich vorkommenden Nukleotide

Ribose als Zucker

• Cytidinmonophosphat
  (CMP)

Desoxyribose als Zucker

• Desoxyadenosin- monophosphat
  (dAMP)

• Desoxyadenosin- diphosphat
  (dADP)

• Desoxyguanosin- monophosphat
  (dGMP)

• Desoxyguanosin- diphosphat
  (dGDP)

• Desoxycytidin- monophosphat
  (dCMP)

• Desoxycytidin- diphosphat
  (dCDP)

• Desoxythymidin- monophosphat
  (dTMP)

• Desoxythymidin- diphosphat
  (dTDP)

Siehe auch

• Dinukleotid
• Oligonukleotid
• Polynukleotid

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

Wie sind Nucleotide verbunden?

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Was gehört zu einem Nukleotid?

Wie sind die Bausteine der DNA miteinander verbunden?