Nukleinsäuren: Struktur, Funktion, Typen und Beispiele

Nukleinsäuren repräsentieren eine der vier Hauptkategorien von Biomoleküle, das sind die Substanzen, aus denen Zellen bestehen. Die anderen sind Proteine, Kohlenhydrate und Lipide (oder Fette).

Nukleinsäuren, zu denen DNA (Desoxyribonukleinsäure) und RNA (Ribonukleinsäure), unterscheiden sich von den anderen drei Biomolekülen dadurch, dass sie nicht verstoffwechselt werden können, um den Mutterorganismus mit Energie zu versorgen.

(Deshalb sehen Sie auf den Nährwertangaben keine "Nukleinsäure".)

Die Funktion von DNA und RNA besteht darin, genetische Informationen zu speichern. Eine vollständige Kopie Ihrer eigenen DNA befindet sich im Zellkern fast jeder Zelle Ihres Körpers, wodurch diese Ansammlung von DNA – genannt Chromosomen in diesem Zusammenhang – ähnlich wie die Festplatte eines Laptops.

In diesem Schema ist eine RNA-Länge der Art Boten-RNA enthält die codierten Anweisungen für nur ein Proteinprodukt (d. h. es enthält ein einzelnes Gen) und ist daher eher ein "Daumenlaufwerk", das eine einzelne wichtige Datei enthält.

DNA und RNA sind sehr eng verwandt. Die einfache Substitution eines Wasserstoffatoms (–H) in der DNA durch eine Hydroxylgruppe (–OH) an der entsprechendes Kohlenstoffatom in der RNA erklärt den gesamten chemischen und strukturellen Unterschied zwischen den beiden Nukleinsäuren.

Wie Sie jedoch sehen werden, hat der scheinbar winzige Unterschied auf atomarer Ebene, wie so oft in der Chemie, offensichtliche und tiefgreifende praktische Konsequenzen.

Nukleinsäuren bestehen aus Nukleotiden, bei denen es sich um Substanzen handelt, die selbst aus drei verschiedenen chemischen Gruppen bestehen: a Pentosezucker, eins zu drei Phosphatgruppen und ein Stickstoffbase.

Der Pentosezucker in RNA ist Ribose, während der in DNA Desoxyribose ist. Auch in Nukleinsäuren haben Nukleotide nur eine Phosphatgruppe. Ein Beispiel für ein bekanntes Nukleotid mit mehreren Phosphatgruppen ist ATP, oder Adenosintriphosphat. ADP (Adenosindiphosphat) ist an vielen der gleichen Prozesse beteiligt wie ATP.

Einzelne DNA-Moleküle können außergewöhnlich lang und kann sich über die Länge eines ganzen Chromosoms erstrecken. RNA-Moleküle sind in ihrer Größe viel begrenzter als DNA-Moleküle, gelten aber dennoch als Makromoleküle.

Ribose (der Zucker der RNA) hat einen fünfatomigen Ring, der vier der fünf Kohlenstoffatome des Zuckers enthält. Drei der anderen sind mit Hydroxylgruppen (–OH) besetzt, eine mit einem Wasserstoffatom und eine mit einer Hydroxymethylgruppe (–CH2OH).

Der einzige Unterschied in Desoxyribose (der Zucker der DNA) ist, dass eine der drei Hydroxylgruppen (die an der 2-Kohlenstoff-Position) weg ist und durch ein Wasserstoffatom ersetzt wird.

Auch wenn sowohl DNA als auch RNA Nukleotide mit einer von vier möglichen Stickstoffbasen enthalten, variieren diese geringfügig zwischen den beiden Nukleinsäuren. Die DNA enthält Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) und Thymin. während RNA A, C und G hat, aber Uracil (U) anstelle von Thymin.

Die meisten funktionellen Unterschiede zwischen DNA und RNA beziehen sich auf ihre deutlich unterschiedlichen Rollen in Zellen. DNA ist der Ort, an dem der genetische Code für das Leben gespeichert ist – nicht nur für die Fortpflanzung, sondern auch für die alltäglichen Aktivitäten.

RNA oder zumindest mRNA ist dafür verantwortlich, die gleichen Informationen zu sammeln und zu den Ribosomen zu bringen außerhalb des Kerns, wo Proteine ​​​​gebaut werden, die die Durchführung der oben genannten metabolischen Aktivitäten.

Die Basensequenz einer Nukleinsäure ist der Ort, an dem ihre spezifischen Botschaften transportiert werden, und die stickstoffhaltigen Basen können also letztlich für Unterschiede bei Tieren derselben Art verantwortlich sein – das ist, verschiedene Manifestationen des gleichen Merkmals (z. B. Augenfarbe, Körperbehaarung).

Zwei der Basen in Nukleinsäuren (A und G) sind Purine, während zwei (C und T in DNA; C und U in RNA) sind Pyrimidine. Purinmoleküle enthalten zwei verschmolzene Ringe, während Pyrimidine nur einen haben und im Allgemeinen kleiner sind. Wie Sie bald erfahren werden, ist das DNA-Molekül Doppelstrang wegen der Bindung zwischen den Nukleotide in benachbarten Strängen.

Eine Purinbase kann sich nur mit einer Pyrimidinbase verbinden, weil zwei Purine zu viel Platz einnehmen würden zwischen Strängen und zwei Pyrimidinen zu wenig, da ist eine Purin-Pyrimidin-Kombination genau richtig Größe.

Aber die Dinge werden strenger kontrolliert: Bei Nukleinsäuren EINBindungen nur anT (oderU in RNA), wohingegen C bindet nur an G.

Die vollständige Beschreibung des DNA-Moleküls als a doppelsträngige Helix 1953 von James Watson und Francis Crick erhielt das Duo schließlich einen Nobelpreis, obwohl die Röntgenbeugungsarbeiten von Rosalind Franklin war in den Jahren, die zu diesem Erfolg führten, maßgeblich am Erfolg des Paares beteiligt und wird oft untertrieben Geschichtsbücher.

In der Natur, DNA existiert als Helix denn dies ist die energetisch günstigste Form für den jeweiligen Molekülsatz, den er enthält.

Die Seitenketten, Basen und andere Teile des DNA-Moleküls erfahren die richtige Mischung aus elektrochemischer Anziehung und elektrochemischer Abstoßungen, so dass das Molekül am "bequemsten" in Form von zwei Spiralen ist, die leicht gegeneinander versetzt sind, wie ineinander verwoben Treppen.

DNA-Stränge bestehen aus abwechselnden Phosphatgruppen und Zuckerresten, wobei die stickstoffhaltigen Basen an einem anderen Teil des Zuckeranteils angebracht sind. Ein DNA- oder RNA-Strang verlängert sich dank Wasserstoffbrückenbindungen, die zwischen der Phosphatgruppe eines Nukleotids und dem Zuckerrest des nächsten gebildet werden.

Insbesondere wird das Phosphat am Kohlenstoff Nr. 5 (oft 5' geschrieben) des ankommenden Nukleotids angeheftet anstelle der Hydroxylgruppe am Kohlenstoff Nummer 3 (oder 3') des wachsenden Polynukleotids (kleine Nukleinsäure) Acid). Dies ist bekannt als a Phosphodiester-Verknüpfung.

Inzwischen sind alle Nukleotide mit A-Basen mit Nukleotiden mit T-Basen in DNA und Nukleotiden mit U-Basen in RNA aufgereiht; C paart sich eindeutig mit G in beiden.

Die beiden Stränge eines DNA-Moleküls sind komplementär zueinander, denn die Basensequenz des einen kann anhand der Basensequenz des anderen dank des einfachen Basenpaarungsschemas der Nukleinsäuremoleküle beobachtet werden.

RNA ist, wie bereits erwähnt, der DNA auf chemischer Ebene außerordentlich ähnlich, wobei nur eine von vier stickstoffhaltigen Basen unterschiedlich ist und ein einziges "zusätzliches" Sauerstoffatom im Zucker der RNA. Offensichtlich reichen diese scheinbar trivialen Unterschiede aus, um ein wesentlich unterschiedliches Verhalten zwischen den Biomolekülen zu gewährleisten.

Insbesondere ist RNA eindrähtig. Das heißt, der Begriff "Komplementärstrang" wird im Zusammenhang mit dieser Nukleinsäure nicht verwendet. Verschiedene Teile desselben RNA-Strangs können jedoch miteinander interagieren, was bedeutet, dass die Form der RNA tatsächlich mehr variiert als die Form der DNA (ausnahmslos eine Doppelhelix). Dementsprechend gibt es zahlreiche verschiedene Arten von RNA.

• mRNA, oder Boten-RNA, verwendet komplementäre Basenpaarungen, um die Botschaft zu transportieren, die die DNA während der Transkription an die Ribosomen weitergibt, wo diese Botschaft in die Proteinsynthese übersetzt wird. Die Transkription wird im Folgenden ausführlich beschrieben.
• rRNA, oder ribosomale RNA, macht einen beträchtlichen Teil der Masse der Ribosomen aus, den Strukturen innerhalb der Zellen, die für die Proteinsynthese verantwortlich sind. Der Rest der Ribosomenmasse besteht aus Proteinen.
• tRNA, oder Transfer-RNA, spielt eine entscheidende Rolle bei der Translation, indem sie Aminosäuren, die für die wachsende Polypeptidkette bestimmt sind, an die Stelle schleust, an der Proteine ​​zusammengesetzt werden. In der Natur gibt es 20 Aminosäuren, jede mit ihrer eigenen tRNA.
  

Stellen Sie sich vor, Ihnen wird ein Nukleinsäurestrang mit der Basensequenz AAATCGGCATTA präsentiert. Allein anhand dieser Informationen sollten Sie schnell auf zwei Dinge schließen können.

Erstens, dass es sich um DNA und nicht um RNA handelt, wie durch die Anwesenheit von Thymin (T) gezeigt wird. Das Zweite ist, dass der komplementäre Strang dieses DNA-Moleküls die Basensequenz TTTAGCCGTAAT hat.

Sie können sich auch des mRNA-Strangs sicher sein, der aus diesem DNA-Strang resultieren würde, der eine RNA-Transkription durchmacht. Es hätte das gleiche Abfolge von Basen als die komplementärer DNA-Strang, wobei alle Fälle von Thymin (T) durch Uracil (U) ersetzt werden.

Dies liegt daran, dass DNA-Replikation und RNA-Transkription ähnlich funktionieren, da der aus dem Matrizenstrang hergestellte Strang kein Duplikat dieses Strangs, aber sein Komplement oder das Äquivalent in RNA.

Damit ein DNA-Molekül eine Kopie von sich selbst erstellen kann, müssen sich die beiden Stränge der Doppelhelix in der Nähe des Kopierens trennen. Dies liegt daran, dass jeder Strang separat kopiert (repliziert) wird und weil die Enzyme und andere Moleküle, die an DNA Replikation brauchen Raum zur Interaktion, den eine Doppelhelix nicht bietet. Auf diese Weise werden die beiden Stränge physisch getrennt, und die DNA wird als bezeichnet denaturiert.

Jeder abgetrennte DNA-Strang bildet einen neuen Strang, der zu sich selbst komplementär ist und an ihn gebunden bleibt. In gewisser Weise unterscheidet sich also nichts in jedem neuen doppelsträngigen Molekül von seinem Elternteil. Chemisch haben sie die gleiche molekulare Zusammensetzung. Aber einer der Stränge in jeder Doppelhelix ist brandneu, während der andere von der Replikation selbst übrig bleibt.

Wenn die DNA-Replikation gleichzeitig entlang getrennter komplementärer Stränge erfolgt, erfolgt die Synthese der neuen Stränge tatsächlich in entgegengesetzte Richtungen. Auf der einen Seite wächst der neue Strang beim Denaturieren einfach in Richtung der DNA, die "entpackt" wird.

Auf der anderen Seite werden jedoch kleine Fragmente neuer DNA synthetisiert Weg aus der Richtung der Strangtrennung. Diese werden Okazaki-Fragmente genannt und werden nach Erreichen einer bestimmten Länge durch Enzyme miteinander verbunden. Diese beiden neuen DNA-Stränge sind antiparallel zueinander.

RNA-Transkription ist der DNA-Replikation insofern ähnlich, als die Entpaarung von DNA-Strängen erforderlich ist, damit sie beginnen kann. mRNA wird entlang der DNA-Matrize durch die sequentielle Zugabe von RNA-Nukleotiden durch das Enzym RNA-Polymerase hergestellt.

Dieses ursprüngliche Transkript der RNA, das aus der DNA erstellt wurde, erzeugt das, was wir nennen Prä-mRNA. Dieser Prä-mRNA-Strang enthält beides Introns und Exons. Introns und Exons sind Abschnitte innerhalb der DNA/RNA, die entweder Teile des Genprodukts kodieren oder nicht.

Introns sind nicht codierende Abschnitte (auch "interfering Abschnitte") während Exons sind Codierungsabschnitte (auch "Exgepresste Abschnitte").

Bevor dieser mRNA-Strang den Kern verlässt, um in ein Protein übersetzt zu werden, entfernen Enzyme innerhalb des Kerns die Introns, alias schneiden sie aus, da sie für nichts in diesem bestimmten Gen kodieren. Enzyme verbinden dann die verbleibenden Intronsequenzen, um den endgültigen mRNA-Strang zu erhalten.

Ein mRNA-Strang enthält normalerweise genau die Basensequenz, die erforderlich ist, um ein einzigartiges Protein stromabwärts im Übersetzung Prozess, was bedeutet, dass ein mRNA-Molekül typischerweise die Informationen für eins trägt Gen. Ein Gen ist eine DNA-Sequenz, die für ein bestimmtes Proteinprodukt kodiert.

Sobald die Transkription abgeschlossen ist, wird der mRNA-Strang aus dem Kern durch Poren in der Kernhülle exportiert. (RNA-Moleküle sind zu groß, um einfach durch die Kernmembran zu diffundieren, ebenso wie Wasser und andere kleine Moleküle). Es "dockt" dann mit Ribosomen im Zytoplasma oder in bestimmten Organellen und Proteinsynthese eingeleitet wird.

Nukleinsäuren können nicht zu Treibstoff verstoffwechselt werden, aber sie können aus sehr kleinen Molekülen hergestellt oder aus ihrer vollständigen Form in sehr kleine Teile zerlegt werden. Nukleotide werden durch anabole Reaktionen synthetisiert, oft aus Nukleosiden, bei denen es sich um Nukleotide ohne jegliche Phosphatgruppen handelt (dh ein Nukleosid ist ein Ribosezucker plus eine stickstoffhaltige Base).

Auch DNA und RNA können abgebaut werden: von Nukleotiden zu Nukleosiden, dann zu Stickstoffbasen und schließlich zu Harnsäure.

Der Abbau von Nukleinsäuren ist wichtig für allgemeine Gesundheit. Zum Beispiel wird die Unfähigkeit, Purine abzubauen, mit Gicht in Verbindung gebracht, einer schmerzhaften Erkrankung, die einige der Gelenke aufgrund von Uratkristallablagerungen an diesen Stellen betrifft.