Nukleinbasen: Definition & Paarungen | StudySmarter
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Nukleinbasen

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Biologie

In diesem Artikel geht es um einen der drei wichtigsten Bestandteile der DNA: die Nukleinbasen. 

Die charakteristische Abfolge der Nukleinbasen entscheidet über die Gene selbst. 


Diese Zusammenfassung zu den Nukleinbasen ist Teil der Molekulargenetik und gehört somit zum Fach Biologie. Im Folgenden lernst du alle Nukleinbasen einmal kennen. Du erfährst, wie Nukleinbasen aufgebaut sind und was ihre Besonderheiten sind. Im Anschluss erklären wir dir, wie diese Nukleinbasen zusammenwirken. Schau dir ins diesem Kontext auch gern einmal den Artikel zur Codesonne an. 


Tipp: Zum Abschluss findest du die wichtigsten Fakten zusammengefasst, sodass du nie wieder Probleme mit den Nukleinbasen bekommst. 



Die fünf essentiellen Nukleinbasen


Sicherlich wunderst du dich, warum von fünf Nukleinbasen die Rede ist. Tatsächlich kommen in der DNA nur vier Basen in ihrer Grundstruktur vor. Allerdings wird Thymin in der RNA durch Uracil ersetzt. Daher erhalten wir fünf Basen. 


Die Einteilung der fünf Basen (via www.pharmawiki.ch)

 

Weitere Basen wie Xanthin und Hypoxanthin entstehen zum Beispiel während des Purinabbaus oder ähnliches Prozessen. In der Theorie gibt es dank synthetischer Biologie inzwischen noch weitere Basen, die wir hier allerdings nicht weiter besprechen. Sie spielen momentan noch keine allzu große Rolle, gewinnen aber in Zukunft sicherlich immer mehr und mehr an Bedeutung. 


Nukleinbase Adenin 


Die erste Base, die wir dir vorstellen, ist Adenin. Wie du in der Abbildung oben sehen konntest, zählt Adenin zu den Purinbasen, d.h. es besteht aus einem 6er-Ring und einem 5-er Ring. Adenin paart in der DNA mit Thymin bzw. in der RNA mit Uracil. Die Verbindung besitzt zwei Wasserstoffbrückenbindungen. 


Die Basenpaarung Adenosin-Thymidin (via wikipedia.de)

 

Sobald die Base an einen Zucker bindet, wird daraus ein Nukleosid, das sich in diesem Fall Adenosin nennt. Erst durch die Bindung an einen Phosphatrest wird ein Nukleotid daraus. Besonders Adenin spielt in diesem Kontext eine wichtige Rolle. 

Die vier Formen des Adenosin-Nukleotids kennst du bereits: 


  • Adenosin-Monophosphat (AMP)
  • cyclisches Adenosinmonophosphat (cAMP)
  • Adenosindiphosphat (ADP)
  • Adenosintriphosphat (ATP)




Die letzten beiden Formen sind mit dem Energiekreislauf in der Zelle gekoppelt. ATP besitzt aufgrund des Triphosphats eine starke Energie, die durch Abspalten einer Phosphatgruppe freigesetzt wird. Diese Energie wird dann an anderen Stellen verwendet, um weitere Reaktionen in Gang zu setzen, die sonst nicht freiwillig ablaufen. ATP ist folglich der Energielieferant in all deinen Zellen. 


cAMP hingegen steht in Verbindung mit den Rezeptoren und wirkt oftmals als second-messenger. Die Funktionen sind dabei sehr vielfältig, am bekanntesten ist jedoch sicherlich, dass nach Aktivierung von Ionenkanälen cAMP aktiviert wird, um weitere Proteinkinasen zu aktivieren. Ein beliebtes Beispiel ist PKA (Proteinkinase A), die für Stoffwechselregulationen zuständig ist, aber auch mit der Aktivität der Synapsen in Verbindung steht. 


Ohne Adenin wären solche Prozesse folglich nicht möglich. Die Nukleinbasen erfüllen entsprechend nicht nur ihre Aufgabe in der DNA. 


Nukleinbase Cytosin


Cytosin ist die erste Pyrimidinbase, die wir dir vorstellen. Sie besteht nur aus einem 6er-Ring und paart mit Guanin, das wir dir gleich im Anschluss präsentieren. Beide bilden zusammen in der DNA oder RNA drei Wasserstoffbrückenbindungen aus. Diese Basenpaarung ist somit stabiler als die Adenin-Thymin bzw. -Uracil-Bindung. 

Als Nukleosid und Nukleotid erhält es den Namen Cytidin. Diese Base erfährt besonders im Bereich der Prozessierung einige Veränderungen. Beim Menschen ist sie die einzige Base, die in diesem Rahmen methyliert wird, wodurch eine Genregulation stattfindet. 


Weiterhin wirkt die phosphorylierte Version Cytidintriphosphat als Cofaktor für manche Enzyme. Die Rolle des Cytosin ist aber vielmehr auf die DNA selbst beschränkt. 


Nukleinbase Guanin 


Wie nun bereits erwähnt, ist Guanin die passende Base zum Cytosin. Die Benennung erfolgt innerhalb eines Nukleosids als Guanosin. 


Die Basenpaarung Guanosin-Cytidin (via wikipedia.de)

 

Guanin hat jedoch ähnlich wie Adenin als Purinbase noch eine weitere Funktion der Energielieferung. Es wird bei vielen Prozessen wie dem Aufbau der Mikrotubuli benötigt und dient auch als Substrat für G-Proteine. 


Die wichtigste Funktion neben der DNA ist jedoch die Form Ran-GTP. Mithilfe dieses Faktors erfolgt der Stofftransport zwischen Cytoplasma und Zellkern. Als Träger dienen Exportin bzw. Importin. 

Durch Ran-GTP wird Exportin mitsamt dem Molekül nach draußen transportiert bzw. Importin gelangt ohne Molekül wieder zurück in das Cytoplasma. Dort erfolgt die Hydrolyse zu Ran-GDP, was wiederum an ein beladenes Importin oder ein nicht beladenes Exportin bindet und in den Zellkern zurück diffundiert. Somit werden an den Kernporen sehr leicht Stoffe nach außen oder nach innen transportiert. 


Nukleinbase Thymin 


Die letzte Base der DNA ist nun Thymin, die als Partner für Adenin fungiert. In Verbindung mit einer Ribose wird es zu Thymidin. Diese Base ist ebenfalls Teil der Pyrimidinbasen und besteht nur aus dem charakteristischen 6er-Ring. 


Thymin hat an sich keine weitere Funktion. Allerdings gibt es eine interessante Verbindung zu Hautkrebs, die momentan noch untersucht wird. Aufgrund von UV-Strahlung wird ein Thymindimer induziert. Dabei verbinden sich zwei nebeneinanderliegende Thymin-Basen im DNA-Strang zu einem Cyclobutan-Derivat. Besonders anfällig für solche Mutationen sind Hautzellen, die dem Sonnenlicht ausgesetzt sind. Daher wird untersucht, in wie weit die Verbindung zur Entstehung von Hautkrebs besteht. 


Nukleinbase Uracil


Wie wir bereits erwähnt hatten, kommt Thymin in der RNA nicht vor. Stattdessen wird diese Base ausnahmslos durch Uracil ersetzt. Diese Base ist ebenfalls eine Pyrimidin-Base, wie du siehst. Der Unterschied besteht vor allem an einem Kohlenstoffatom. Thymin besitzt an dieser Stelle noch eine Methylgruppe, während im Uracil nur eine H-Atom diese freie Stelle belegt. 

Die Basenpaarung ändert sich jedoch nicht. Auch Uracil bildet mit Adenin zwei Wasserstoffbrückenbindungen aus. Als Nukleotid erhält es den Namen Uridin. 


Eine wichtige zusätzliche Funktion des Uridintriphosphats ist die Aktivierung verschiedener Zucker durch das Wirken als Koenzym. 


Das Zusammenwirken der Nukleinbasen 


Die Basenpaarungen, die bisher kennengelernt hast, entsprechen den Watson-Crick-Basenpaarungen. Diese findest du normalerweise in der DNA und RNA. Die Besonderheit dieser Paarung ist, dass sie geometrisch isomorph sind. Dafür müssen folgende Bedingungen erfüllt sein: 


  • Länge der H-Brücken: 2,82 - 2,95 Angström 
  • C1'-C1'-Abstand: 10,71 ODER 10,44 Angström 
  • C1'-N-Winkel: zwischen 54,4° und 57,4°. 


Nur unter diesen Bedingungen zählt die Basenpaarung als Watson-Crick, wodurch es zu den dir bereits vorgestellten Paarungen kommt. 


Allerdings gibt es ein paar Ausnahmen, die wir dir in diesem Rahmen ebenfalls präsentieren. Insgesamt hat man schlussendlich bisher 32 Basen-Basen-Interaktionen bestimmt, die mindestens zwei Wasserstoffbrückenbindungen besitzen. 


Eine zusätzliche Möglichkeit ist die Hoogsteen-Basenpaarung. Dabei stellt die Purinbase die Atome der Wasserstoffbindungen jeweils von einem Ring zur Verfügung. Die Abbildung zeigt dir noch einmal, wie so etwas aussehen kann. 


Die Hoogsten-Adenin-Uracil-Basenpaarung (via wikipedia.de)


 

Eine dritte Möglichkeit ist eine Wobble-Bindung. Sie stammt ebenfalls von Francis Crick und dient als Erklärung, warum nur maximal 41 verschiedene tRNAs die 61 codierten Aminosäuren transportieren können. Es hat sich herausgestellt, dass nur die ersten zwei Basen von Anticodon und Codon nach Watson-Crick binden, während die letzte teilweise auch sehr untypische Bindungen annehmen kann. Diese Stelle wird als Wobble bezeichnet.  


An anderen Stellen sind auch Homo-Basenpaarungen möglich, sodass Purinbasen untereinander binden oder auch Pyrimidinbasen. Zahlreiche Situationen zeigen weiterhin, dass es ebenfalls noch Basentripletts gibt, bei denen drei Basen entsprechend miteinander paaren. So etwas tritt vor allem an Hairpins oder zum Beispiel den Telomeren auf. 



Alles Wichtige zu den Nukleinbasen auf einen Blick 


  • Die fünf wichtigen Basen der DNA und RNA sind Adenin, Cytosin, Guanin, Thymin und Uracil. 
  • Adenin wird zu Adenosin und gilt in der Zelle vor allem als Energielieferant. 
  • Aus Cytosin entsteht Cytidin. Beim Menschen spielt es in der Genregulation eine wichtige Rolle, indem es methyliert wird. 
  • Guanin wird zu Guanosin. Genau wie Adenin dient es in Form eines Nukleotids als Energlieferant. An den Zellporen sorgt es dafür, dass die Substrate nach innen oder nach außen transportiert werden, indem es auch hier die nötige Energie gibt. 
  • Thymin paart als Thymidin mit Adenin. Aktuell wird untersucht, ob es in einer mutierten Dimerform als Ursache für Hautkrebs gilt. 
  • Uracil ersetz in der RNA Thymin. Es wird als Nukleosid Uridin genannt. 
  • Bei der Watson-Crick-Basenpaarung paaren Adenin und Thymin bzw. Uracil und Cytosin und Guanin. Die Bindungen sind geometrisch isomorph. 
  • Weitere Bindungsmöglichkeiten sind die Hogsteen-Bindungen oder die Wobble-Bindungen. 
  • Insgesamt gibt es 32 verschieden Basenpaarungen. 
  • An Hairpins oder Telomeren kommt es häufiger aus zu mindestens Tripletts. 



Mit diesem Wissen bist du nun optimal vorbereitet. Du hast du Basen alle kennengelernt und wirst sie in der DNA in Zukunft immer zuordnen können. 

Schau dir doch im nächsten Schritt gern einmal Informationen zur Genregulation oder Proteinsynthese selbst an.

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