Aufbau und Eigenschaften von Viren und Nukleinsäuren einfach erklärt

Hast du dich jemals gefragt, warum dir ein Arzt bei einer bakteriellen Infektion Antibiotika verschreibt, diese aber bei einer Erkältung völlig nutzlos sind?

Der Grund dafür ist eines der faszinierendsten Geheimnisse der Biologie: Das Erkältungsvirus lebt gar nicht! Antibiotika zerstören den Stoffwechsel von Lebewesen – aber wo kein Leben ist, kann auch nichts zerstört werden. In diesem Artikel sehen wir uns den Aufbau und Eigenschaften von Viren und Nukleinsäuren genau an. Wir werden herausfinden, was Viren stattdessen sind und wie der universelle Bauplan des Lebens (die DNA) aufgebaut ist, den sowohl wir als auch die Viren in uns tragen.

Vorwissen

• Zellen: Die kleinsten lebenden Einheiten. Man unterscheidet Prokaryoten (Bakterien ohne Zellkern) und Eukaryoten (Zellen mit Zellkern, wie bei Pflanzen und Menschen). Beispiel: Eine menschliche Hautzelle ist eine eukaryotische Zelle mit einem Zellkern.
• Stoffwechsel (Metabolismus): Die Fähigkeit eines Lebewesens, Energie zu erzeugen, Nährstoffe zu verarbeiten und eigene Bausteine herzustellen. Beispiel: Eine Pflanze betreibt Fotosynthese, um Zucker herzustellen und zu wachsen.

Aufgabentyp 1: Eigenschaften und Aufbau von Viren sowie Nukleinsäuren

Um den Aufbau und Eigenschaften von Viren und Nukleinsäuren zu verstehen, müssen wir uns zunächst die Viren selbst ansehen. Nach den strengen Regeln der Biologie sind Viren keine Lebewesen. Sie bestehen nicht aus Zellen und haben keinen eigenen Stoffwechsel. Sie können sich nicht selbst ernähren, nicht wachsen und sich nicht aus eigener Kraft vermehren.

Man kann sich ein Virus wie einen winzigen USB-Stick vorstellen: Ein USB-Stick enthält zwar wichtige Informationen, aber er kann absolut nichts tun, solange er nicht in einen Computer (die Wirtszelle) eingesteckt wird.

Ein Virus ist extrem simpel aufgebaut und besteht im Grunde nur aus zwei Dingen:

1. Der Bauplan (Nukleinsäure): Das ist die Erbinformation im Inneren. Dieser Bauplan kann entweder aus DNA oder aus RNA bestehen. Zudem kann dieser Strang einzelsträngig oder doppelsträngig sein.
2. Die Verpackung (Hülle): Eine schützende Schicht aus Proteinen (und manchmal Lipiden), die den Bauplan umschließt.

Obwohl der Grundaufbau immer gleich ist, ist die Vielfalt der Viren riesig. Sie sind winzig (meist nur $15$ bis $150 \text{ nm}$ groß), sehen aber völlig unterschiedlich aus. Ein Bakteriophage (ein Virus, das Bakterien befällt) sieht aus wie eine kleine Mondlandefähre mit Beinen. Das Ebola-Virus sieht aus wie ein langer Faden, und das Rotavirus gleicht einer stacheligen Kugel.

Sowohl wir Menschen als auch Viren nutzen Nukleinsäuren, um Informationen zu speichern. Der Grundbaustein jeder Nukleinsäure ist das Nukleotid. Ein Nukleotid ist wie ein Lego-Stein, der immer aus drei festen Teilen besteht: einer Phosphatgruppe, einem Zucker und einer stickstoffhaltigen Base.

Die DNA (Desoxyribonucleinsäure)

Die DNA sieht aus wie eine in sich verdrehte Strickleiter (die sogenannte Doppelhelix).

• Das Rückgrat (Die Seiten der Leiter): Besteht abwechselnd aus Phosphat und dem Zucker Desoxyribose.
• Die Sprossen (Die Basenpaare): Zwei Basen verbinden sich in der Mitte über sogenannte Wasserstoffbrückenbindungen. Dabei gibt es eine strenge Regel: Adenin (A) paart sich immer mit Thymin (T). Und Cytosin (C) paart sich immer mit Guanin (G).
• Gegenläufigkeit (Antiparallel): Die beiden Seiten der Leiter verlaufen in entgegengesetzte Richtungen, genau wie die zwei Fahrspuren einer Straße. Man benennt die Richtungen nach den Kohlenstoffatomen des Zuckers: Ein Strang verläuft vom $5'$-Ende zum $3'$-Ende, der gegenüberliegende Strang vom $3'$-Ende zum $5'$-Ende.

Die RNA (Ribonucleinsäure)

Die RNA ist der DNA sehr ähnlich, hat aber drei entscheidende Unterschiede:

1. Sie ist meistens einzelsträngig (wie eine halbe Leiter).
2. Der Zucker im Rückgrat heißt Ribose (nicht Desoxyribose).
3. Anstelle von Thymin (T) verwendet die RNA die Base Uracil (U).

Wichtige Prozesse der Molekularbiologie:

Um den Bauplan zu nutzen, führt eine Zelle drei Hauptprozesse durch:

• Replikation: Das exakte Kopieren der gesamten DNA (z. B. bevor sich eine Zelle teilt).
• Transkription: Das Umschreiben eines kleinen DNA-Abschnitts in eine transportfähige Boten-RNA (mRNA).
• Translation: Das Übersetzen der mRNA-Sequenz in eine Kette aus Aminosäuren, um ein Protein zu bauen.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

Wenn du in einer Aufgabe herausfinden sollst, ob ein Molekül DNA oder RNA ist, prüfe diese drei Merkmale:

1. Prüfe die Stränge: Ist das Molekül doppelsträngig (zwei verbundene Ketten)? Dann ist es fast immer DNA. Ist es einzelsträngig? Dann ist es meistens RNA.
2. Suche nach den Basen: Lies die Buchstaben der Sequenz. Findest du den Buchstaben T (Thymin), handelt es sich um DNA. Findest du stattdessen den Buchstaben U (Uracil), handelt es sich definitiv um RNA.
3. Prüfe den Zucker: Wird der Zucker im Rückgrat als Desoxyribose beschrieben, ist es DNA. Heißt der Zucker Ribose, ist es RNA.

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Viren sind keine Lebewesen: Sie haben keinen eigenen Stoffwechsel und bestehen nur aus einer Nukleinsäure (Bauplan) in einer Protein-/Lipidhülle (Verpackung).
• Nukleotid: Der Baustein der Nukleinsäuren, bestehend aus Phosphat, Zucker und Base.
• DNA: Doppelsträngig (Doppelhelix), Zucker ist Desoxyribose, Basen sind A-T und C-G. Die Stränge verlaufen antiparallel ($5'$ zu $3'$ und $3'$ zu $5'$).
• RNA: Meist einzelsträngig, Zucker ist Ribose, und Uracil (U) ersetzt Thymin (T).