Nukleinsäuren sind lange Ketten von Nucleotiden, die durch Phosphodiesterbindungen miteinander verbunden sind. Es gibt zwei Arten von Nukleinsäuren: Desoxyribonukleinsäure, oder DNA, und Ribonukleinsäure, oder RNA. Sowohl bei DNA als auch bei RNA bestehen die Nukleotide aus einem Zucker, einer Nukleinbase und einem Phosphatmolekül.
Das Erbgut einer Zelle besteht aus Nukleinsäuren. Diese ermöglichen es lebenden Organismen, ihre genetische Information an die nachfolgende Generation weiterzugeben. Es gibt zwei Arten von Nukleinsäuren: Desoxyribonukleinsäure (DNA) und Ribonukleinsäure (RNA). DNA und RNA unterscheiden sich in ihrer chemischen Zusammensetzung nur geringfügig, erfüllen aber völlig unterschiedliche biologische Funktionen.
Chemisch gesehen sind Nukleinsäuren Polynukleotide, d.h. Ketten aus Nukleotiden. Ein Nukleotid besteht aus drei Bausteinen: einem Pentosezucker, einer Nukleinbase und einer Phosphatgruppe. Der Zucker und die Base bilden zusammen ein Nukleosid. Daher wird ein Nukleotid manchmal auch als Nukleosidmonophosphat bezeichnet. Jeder der drei Bestandteile eines Nukleotids spielt eine Schlüsselrolle im gesamten Aufbau der Nukleinsäuren.
Wie der Name schon sagt, hat ein Pentosezucker fünf Kohlenstoffatome, die mit 1o, 2o, 3o, 4o und 5o benannt sind. Der Pentosezucker in der RNA ist Ribose, d.h. der 2o Kohlenstoff trägt eine Hydroxylgruppe. Der Zucker in der DNA ist Desoxyribose, d.h. der 2o Kohlenstoff ist an ein Wasserstoffatom gebunden. Der Zucker ist an die Nukleinbase an der 1o Kohlenstoff und das Phosphatmolekül an der 5o Kohlenstoff gebunden.
Das Phosphatmolekül, welches an den 5o Kohlenstoff eines Nukleotides gebunden ist, kann eine kovalente Bindung mit der 3o Hydroxylgruppe eines anderen Nucleotids bilden und so die beiden Nukleotide miteinander verbinden. Diese kovalente Bindung wird als Phosphodiesterbindung bezeichnet. Die Phosphodiester-Bindung zwischen den Nucleotiden erzeugt ein alternierendes Zucker-und Phosphat-Gerüst in einer Polynukleotidkette. Die Verknüpfung des 5o Endes eines Nukleotids mit dem 3o Ende eines anderen Nukleotids verleiht der Polynukleotidkette eine Richtung. Sie spielt bei der DNA-Replikation und RNA-Synthese eine Schlüsselrolle. An einem Ende der Polynukleotidkette, dem sogenannten 3o-Ende, hat der Zucker eine freie 3o-Hydroxylgruppe. Am anderen Ende, dem 5o Ende, hat der Zucker eine freie 5o Phosphatgruppe.
Nukleinbasen sind Moleküle mit einem oder zwei Ringen aus Kohlenstoff- und Stickstoffatomen. Diese Moleküle werden Basen genannt; weil sie chemisch basisch sind und an Wasserstoffionen binden können. Es gibt zwei Klassen von Nukleinbasen: Pyrimidine und Purine. Während die Pyrimidine eine sechsgliedrige Ringstruktur haben, bestehen die Purine aus einem sechsgliedrigen Ring, der mit einem fünfgliedrigen Ring verschmolzen ist. Zu den Pyrimidinen gehören Cytosin (C), Thymin (T) und Uracil (U). Zu den Purinen gehören Adenin (A) und Guanin (G).
Cytosin, Adenin und Guanin sind sowohl in der DNA als auch in der RNA vorhanden. Thymin kommt dagegen nur in der DNA vor, während Uracil nur in der RNA vorkommt. Die Purine und Pyrimidine können miteinander Wasserstoffbrücken in einem bestimmten Muster bilden. Entscheidend hierfür ist das Vorhandensein von komplementären chemischen Gruppen, welche man mit den komplementären Teilen eines Puzzles vergleichen kann. Unter normalen zellulären Bedingungen bildet Adenin Wasserstoffbindungen mit Thymin (in der DNA) oder Uracil (in der RNA), während Guanin Wasserstoffbindungen mit Cytosin bildet. Diese komplementäre Basenpaarung ist entscheidend für die Struktur und Funktion der DNA.
Die DNA nimmt innerhalb der Zelle eine Doppelhelix Struktur an. Eine Doppelhelix besteht aus zwei Polynukleotidketten, die sich spiralförmig umeinanderwinden. Man nennt sie daher auch „Stränge“. Die beiden Stränge ordnen sich in entgegengesetzter Richtung zueinander an. Sie sind also antiparallel zueinander. Das bedeutet, dass das 5o Ende des einen Stranges nahe dem 3o Ende des anderen liegt. Die beiden Stränge werden durch komplementäre Basenpaare (z.B. Cytosin mit Guanin) zusammengehalten.
In einer DNA-Doppelhelix befindet sich das Zucker-Phosphat-Grundgerüst außen, während die wasserstoffgebundenen Basen innen liegen. RNA kommt meist als einsträngiges Molekül vor. Der RNA-Einzelstrang kann durch eine stranginterne komplementäre Basenpaarung lokalisierte Sekundärstrukturen bilden. Verschiedene Arten von RNA-Sekundärstrukturen haben unterschiedliche Funktionen innerhalb der Zelle.
