Eine schnelle Methode, um DNA und RNA in einer Abbildung zu unterscheiden, ist der Blick auf das Nukleotid – die Monomereinheit, die aus einem Zucker, einer Base und einem Phosphat besteht. Der Zucker ist eine Pentose (ein Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen), die als Ring dargestellt wird. Die Kohlenstoffatome werden mit Strichen (Primes) gekennzeichnet, also von 1' bis 5'. Am 1'-Kohlenstoffatom befindet sich die stickstoffhaltige Base; dabei handelt es sich um das heterozyklische Ringsystem, das die Information für die Basenpaarung trägt. Das 5'-Kohlenstoffatom trägt eine Phosphatgruppe; Phosphatgruppen verknüpfen die Zucker miteinander und bilden so das Phosphodiester-Rückgrat – jene sich wiederholende Zucker-Phosphat-Kette, die den Nukleinsäuren ihre gerichtete Polarität verleiht.
Betrachten Sie nun das 2'-Kohlenstoffatom des Zuckers. Bei der RNA handelt es sich um Ribose, die eine 2’-Hydroxylgruppe (geschrieben als 2’-OH) aufweist. Bei der DNA ist der Zucker Desoxyribose, die an dieser Position ein 2’-Wasserstoffatom (geschrieben als 2’-H) besitzt. Dieser Austausch eines einzigen Atoms verändert die Chemie des gesamten Polymers, da eine OH-Gruppe als Nukleophil wirken und zusätzliche Wasserstoffbrückenbindungen eingehen kann, während dies bei einem H-Atom nicht möglich ist. Auch die Polarität des Rückgrats ist für die Struktur und für Enzyme von Bedeutung. Ein freies 5’-Phosphat und eine freie 3’-Hydroxylgruppe definieren die Enden; Polymerasen verlängern Nukleinsäuren, indem sie Nukleotide an die 3’-OH-Gruppe anfügen.
Nutzen Sie die beschrifteten Abbildungen, um die 2'-Position zu lokalisieren und den Verlauf des Rückgrats von 5’ nach 3’ bei beiden Polymeren nachzuvollziehen.
Wenn sich zwei Stränge paaren, bilden sie eine Doppelhelix; die Helixgeometrie unterscheidet sich jedoch zwischen typischen DNA- und RNA-Duplexen. Die meisten zellulären doppelsträngigen DNA-Moleküle liegen in der B-DNA-Form vor – einer rechtsgängigen Helix, deren Basenpaare so angeordnet sind, dass eine breite große Furche (major groove) und eine schmalere kleine Furche (minor groove) entstehen. Eine Furche ist eine Oberflächenrinne, in der Proteine chemische Muster an den Basenkanten erkennen können, ohne das Rückgrat zu durchbrechen. Bei der B-DNA präsentiert die große Furche ein vielfältiges Muster aus Wasserstoffbrücken-Donoren, -Akzeptoren und Methylgruppen, anhand derer DNA-bindende Proteine eine sequenzspezifische Erkennung vornehmen können.
Doppelsträngige RNA nimmt meist die A-RNA-Form an; diese ist ebenfalls rechtsgängig, weist jedoch eine tiefere, schwerer zugängliche große Furche sowie eine breitere, flachere kleine Furche auf. Die 2’-OH-Gruppe der Ribose erzwingt eine bestimmte Zuckerfaltung (Pucker) und Rückgratgeometrie, welche die A-Form-Packung begünstigt. Hier sind Struktur und Funktion direkt miteinander verknüpft. Die B-Form-Geometrie unterstützt die Erkennung durch Proteine über weite Strecken entlang der Chromosomen, während die A-Form-Geometrie zu kompakten RNA-Helices passt; deren Funktion beruht oft auf lokaler Faltung sowie auf Wechselwirkungen mit RNA-bindenden Proteinen, die neben der Sequenz auch die Form und die Eigenschaften des Rückgrats erkennen.
Vergleichen Sie in der interaktiven Ansicht die Helixparameter und die Zugänglichkeit der Furchen, und achten Sie dabei besonders darauf, welche Furche für eine Proteindomäne physikalisch erreichbar erscheint.
Häufiges Missverständnis: RNA könne keine stabilen Doppelstränge (Duplexe) bilden, da sie einzelsträngig sei. „Einzelsträngig“ beschreibt einen häufigen biologischen Zustand, keine chemische Einschränkung. RNA kann lange Doppelstrangbereiche ausbilden; diese liegen jedoch typischerweise in der A-Form vor, und das Polymer bleibt aufgrund der 2’-OH-Gruppe chemisch reaktiver.
Die für RNA charakteristische 2’-OH-Gruppe erklärt auch, warum RNA anfälliger für einen Bruch des Rückgrats ist. Unter basischen Bedingungen oder in den aktiven Zentren von Ribozymen und Enzymen kann der Sauerstoff der 2’-Gruppe das benachbarte Phosphat angreifen und so die Hydrolyse – eine Bindungsspaltung durch Reaktion mit Wasser – fördern. DNA besitzt dieses eingebaute Nukleophil nicht; daher ist ihr Phosphodiester-Rückgrat unter vergleichbaren Bedingungen chemisch stabiler. Diese Stabilität begünstigt die langfristige Informationsspeicherung in Chromosomen.
Auch die Basenzusammensetzung unterscheidet sich. RNA verwendet Uracil, während DNA Thymin (5-Methyluracil) nutzt. Dies ist für die Integrität der Information von Bedeutung, da bei der spontanen Desaminierung von Cytosin Uracil entsteht. In der DNA ist Uracil unüblich, sodass Reparaturenzyme es vor dem Hintergrund von Thymin erkennen können. In der RNA ist Uracil hingegen normal, weshalb dieses spezifische Schadenssignal fehlt.
Beide Polymere gewinnen Stabilität durch Watson-Crick-Basenpaarung und Basenstapelung (Base Stacking) – günstige Pi-Wechselwirkungen zwischen benachbarten Basen, die den Kontakt zum Wasser verringern. Das Schmelzverhalten ergibt sich aus diesen Wechselwirkungen. Ein höherer GC-Gehalt erhöht die Schmelztemperatur, da GC-Paare mehr Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden und stärkere Stapelwechselwirkungen aufweisen. Längere Doppelstränge schmelzen bei höheren Temperaturen, da mehr Stapel- und Paarungswechselwirkungen aufgebrochen werden müssen.
Entscheiden Sie anhand der Szenarien, ob DNA oder RNA am besten geeignet ist, und begründen Sie Ihre Wahl jeweils mit einem spezifischen Strukturmerkmal, wie etwa der 2’-OH-Gruppe, der typischen Doppelstrangform oder der Erkennbarkeit durch Reparaturmechanismen.