Eigenschaften von Nukleinsäuren

Wichtige Nukleinsäuren in der Natur umfassen Desoxyribonukleinsäure oder DNA und Ribonukleinsäure oder RNA. Sie werden Säuren genannt, weil sie Protonen- (d. h. Wasserstoffatom-) Donatoren sind und daher eine negative Ladung tragen.

DNA und RNA sind chemisch gesehen Polymere, das heißt sie bestehen aus sich wiederholenden Einheiten, oft sehr viele davon. Diese Einheiten heißen Nukleotide. Alle Nukleotide enthalten wiederum drei verschiedene chemische Anteile: einen Pentosezucker, eine Phosphatgruppe und eine stickstoffhaltige Base.

DNA unterscheidet sich von RNA in drei wesentlichen Punkten. Einer ist, dass der Zucker, der das strukturelle "Rückgrat" des Nukleinsäuremoleküls bildet, Desoxyribose ist, während es in der RNA Ribose ist. Wenn Sie mit der chemischen Nomenklatur vertraut sind, werden Sie erkennen, dass dies ein kleiner Unterschied im Gesamtstrukturschema ist; Ribose hat vier Hydroxylgruppen (-OH), während Desoxyribose drei hat.

Der zweite Unterschied besteht darin, dass Thymin eine der vier stickstoffhaltigen Basen in der DNA ist, während die entsprechende Base in der RNA Uracil ist. Die stickstoffhaltigen Basen von Nukleinsäuren bestimmen die endgültigen Eigenschaften dieser characteristics Moleküle, da die Phosphat- und Zuckeranteile innerhalb oder zwischen den Molekülen der dieselbe Art.

Schließlich ist DNA doppelsträngig, das heißt, sie besteht aus zwei langen Nukleotidketten, die chemisch durch zwei stickstoffhaltige Basen verbunden sind. Die DNA ist zu einer "Doppelhelix" gewunden, wie eine flexible Leiter, die an beiden Enden in entgegengesetzte Richtungen verdreht ist.

Desoxyribose besteht aus einem Fünf-Atom-Ring, vier Kohlenstoffen und einem Sauerstoff, der wie ein Fünfeck oder vielleicht eine Home-Plate im Baseball geformt ist. Da Kohlenstoff vier Bindungen und Sauerstoff zwei bildet, bleiben acht Bindungsstellen an den vier Kohlenstoffatomen frei, zwei pro Kohlenstoff, eine über und eine unter dem Ring. Drei dieser Stellen werden von Hydroxylgruppen (-OH) besetzt und fünf werden von Wasserstoffatomen beansprucht.

Dieses Zuckermolekül kann an eine von vier stickstoffhaltigen Basen binden: Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin. Adenin (A) und Guanin (G) sind Purine, während Cytosin (C) und Thymin (T) Pyrimidine sind. Purine sind größere Moleküle als Pyrimidine; weil die beiden Stränge eines vollständigen DNA-Moleküls in der Mitte durch ihre stickstoffhaltigen Basen verbunden sind, diese Bindungen muss sich zwischen einem Purin und einem Pyrimidin bilden, um die Gesamtgröße der beiden Basen im Molekül ungefähr zu halten Konstante. (Es hilft, beim Lesen auf jedes Nukleinsäurediagramm zu verweisen, wie es in den Referenzen beschrieben ist.) Zufällig bindet A ausschließlich an T in DNA, während C ausschließlich an G bindet.

An eine stickstoffhaltige Base gebundene Desoxyribose heißt a Nukleosid. Wenn eine Phosphatgruppe an Desoxyribose am Kohlenstoff zwei Stellen entfernt von der Anheftung der Base hinzugefügt wird, wird ein vollständiges Nukleotid gebildet. Die Besonderheiten der jeweiligen elektrochemischen Ladungen an den verschiedenen Atomen in Nukleotiden sind verantwortlich dafür, dass doppelsträngige DNA auf natürliche Weise eine helikale Form bildet, und die beiden DNA-Stränge im Molekül werden genannt komplementäre Stränge.

Der Pentosezucker in RNA ist eher Ribose als Desoxyribose. Ribose ist identisch mit Desoxyribose, außer dass die Ringstruktur an vier Hydroxylgruppen (-OH) und vier Wasserstoffatome anstelle von drei bzw. fünf gebunden ist. Der Riboseteil eines Nukleotids ist an eine Phosphatgruppe und eine stickstoffhaltige Base gebunden, wie bei der DNA, mit abwechselnden Phosphaten und Zucker, die das RNA-"Rückgrat" bilden. Zu den Basen gehören, wie oben erwähnt, A, C und G, aber das zweite Pyrimidin in der RNA ist eher Uracil (U). als T.

Während sich DNA nur mit der Informationsspeicherung beschäftigt (ein Gen ist einfach ein DNA-Strang, der für ein einzelnes Protein kodiert), übernehmen verschiedene Arten von RNA unterschiedliche Funktionen. Messenger-RNA oder mRNA wird aus DNA hergestellt, wenn sich die normalerweise doppelsträngige DNA zum Zwecke der Transkription in zwei Einzelstränge aufspaltet. Die resultierende mRNA gelangt schließlich zu den Teilen der Zellen, in denen die Proteinherstellung stattfindet, und trägt die Anweisungen für diesen Prozess, die von der DNA geliefert werden. Eine zweite Art von RNA, die Transfer-RNA (tRNA), ist an der Herstellung von Proteinen beteiligt. Dies geschieht an Zellorganellen, die als Ribosomen bezeichnet werden, und Ribosomen selbst bestehen hauptsächlich aus einer dritten Art von RNA, die passenderweise ribosomale RNA (rRNA) genannt wird.

Die fünf stickstoffhaltigen Basen – Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) und Thymin (T) in der DNA und die ersten drei plus Uracil (U) in RNA – sind die Teile von Nukleinsäuren, die letztendlich für die Vielfalt der Genprodukte in Lebewesen verantwortlich sind Dinge. Die Zucker- und Phosphatanteile sind insofern essentiell, als sie Struktur und Gerüst bieten, aber die Basen sind der Ort, an dem die Codes generiert werden. Wenn Sie sich Ihren Laptop als Nukleinsäure oder zumindest als Nukleotidkette vorstellen, muss die Hardware (z Bildschirm, Mikroprozessor) ist analog zu den Zuckern und Phosphaten, wohingegen alle Software und Apps, die Sie ausführen, stickstoffhaltig sind Basen, denn die einzigartige Auswahl an Programmen, die Sie auf Ihr System geladen haben, macht Ihren Computer effektiv zu einem Unikat "Organismus."

Wie zuvor beschrieben, werden stickstoffhaltige Basen entweder als Purine (A und G) oder Pyrimidine (C, T und U) klassifiziert. A paart sich in einem DNA-Strang immer mit T, und C paart sich immer mit G. Wenn ein DNA-Strang als Matrize für die RNA-Synthese (Transkription) verwendet wird, ist es wichtig, dass an jedem Punkt des wachsenden RNA-Moleküls Das RNA-Nukleotid, das aus dem "Eltern"-DNA-Nukleotid erzeugt wird, enthält die Base, die die "Eltern"-Base immer bindet zu. Dies wird in einem weiteren Abschnitt untersucht.

Purine bestehen aus einem sechsgliedrigen Stickstoff- und Kohlenstoffring und einem fünfgliedrigen Stickstoff- und Kohlenstoffring, wie ein Sechseck und ein Fünfeck, die sich eine Seite teilen. Die Purinsynthese beinhaltet die chemische Optimierung eines Ribosezuckers, gefolgt von der Zugabe von Amino (-NH₂) Gruppen. Pyrimidine haben auch einen sechsgliedrigen Stickstoff- und Kohlenstoffring, wie Purine, jedoch fehlt der fünfgliedrige Stickstoff- und Kohlenstoffring von Purinen. Purine haben daher eine höhere Molekülmasse als Pyrimidine.

Die Synthese pyrimidinhaltiger Nukleotide und die Synthese purinhaltiger Nukleotide erfolgen in einem entscheidenden Schritt in umgekehrter Reihenfolge. Bei Pyrimidinen wird zuerst der Basenteil aufgebaut und der Rest des Moleküls später zu einem Nukleotid modifiziert. Bei Purinen wird der Teil, der letztendlich zu Adenin oder Guanin wird, gegen Ende der Nukleotidbildung modifiziert.

Transkription ist die Erzeugung eines mRNA-Strangs aus einer DNA-Matrize, die die gleichen Anweisungen (d. Der Prozess findet im Zellkern statt, in dem sich die DNA befindet. Wenn sich ein doppelsträngiges DNA-Molekül in Einzelstränge auftrennt und die Transkription fortschreitet, wird die mRNA, die aus einem Strang des "entpackten" DNA-Paares ist identisch mit der DNA des anderen Strangs der entpackten DNA, außer dass die mRNA U anstelle von enthält T. (Auch hier ist es hilfreich, sich auf ein Diagramm zu beziehen; siehe Literaturhinweise.) Die mRNA verlässt nach ihrer Fertigstellung den Kern durch Poren in der Kernmembran. Nachdem die mRNA den Zellkern verlassen hat, heftet sie sich an ein Ribosom.

Enzyme heften sich dann an den ribosomalen Komplex und unterstützen den Translationsprozess. Translation ist die Umwandlung der Anweisung der mRNA in Proteine. Dies geschieht, wenn Aminosäuren, die Untereinheiten von Proteinen, aus drei Nukleotid-"Codons" auf dem mRNA-Strang erzeugt werden. Der Prozess umfasst auch rRNA (da die Translation auf Ribsomen stattfindet) und tRNA (die beim Zusammenbau von Aminosäuren hilft).

DNA-Stränge fügen sich aufgrund eines Zusammenflusses verwandter Faktoren zu einer Doppelhelix zusammen. Eine davon sind die Wasserstoffbrückenbindungen, die auf natürliche Weise über verschiedene Teile des Moleküls hinweg entstehen. Bei der Helixbildung stehen die Bindungspaare der stickstoffhaltigen Basen senkrecht zur Achse der gesamten Doppelhelix. Jede volle Windung umfasst insgesamt etwa 10 gebundene Basen-Base-Paare. Was man als "Leiter" als "Seiten" der DNA bezeichnet hätte, werden heute als "Ketten" der Doppelhelix bezeichnet. Diese bestehen fast ausschließlich aus den Ribose- und Phosphatanteilen der Nukleotide, wobei sich die Basen im Inneren befinden. Die Helix soll sowohl große als auch kleine Rillen aufweisen, die ihre letztendlich stabile Form bestimmen.

Obwohl Chromosomen als sehr lange DNA-Stränge beschrieben werden können, ist dies eine grobe Vereinfachung. Es ist wahr, dass ein bestimmtes Chromosom theoretisch abgewickelt werden könnte, um ein einzelnes ungebrochenes DNA-Molekül freizulegen, aber dies weist nicht auf das komplizierte Wickeln, Spulen und Clustern hin, das die DNA auf dem Weg zur Bildung von a. durchführt Chromosom. Ein Chromosom weist Millionen von DNA-Basenpaaren auf, und wenn die gesamte DNA gestreckt würde, ohne die Helix zu brechen, würde sich ihre Länge von wenigen Millimetern auf über einen Zentimeter erstrecken. In Wirklichkeit ist die DNA viel komprimierter. Proteine, die Histone genannt werden, bilden sich aus vier Paaren von Untereinheiten-Proteinen (insgesamt acht Untereinheiten). Dieses Oktamer dient als eine Art Spule für die DNA-Doppelhelix, die sich wie ein Faden zweimal umwickelt. Diese Struktur, das Oktamer plus die umhüllte DNA, wird als Nukleosom bezeichnet. Wenn ein Chromosom teilweise zu einem als Chromatid bezeichneten Strang abgewickelt wird, erscheinen diese Nukleosomen im Mikroskop als Perlen an einer Schnur. Oberhalb der Nukleosomenebene kommt es jedoch zu einer weiteren Kompression des genetischen Materials, der genaue Mechanismus bleibt jedoch unklar.

DNA, RNA und Proteine ​​werden berücksichtigt Biopolymere weil es sich um wiederholte Sequenzen von Informationen und Aminosäuren handelt, die mit Lebewesen in Verbindung gebracht werden ("bio" bedeutet "Leben"). Molekularbiologen erkennen heute an, dass DNA und RNA in irgendeiner Form vor der Entstehung des Lebens auf Erde, aber bis 2018 hatte niemand den Weg von den frühen Biopolymeren zum einfachen Leben herausgefunden Dinge. Einige haben die Theorie aufgestellt, dass RNA in irgendeiner Form die ursprüngliche Quelle all dieser Dinge war, einschließlich der DNA. Dies ist die "RNA-Welt-Hypothese". Für Biologen stellt dies jedoch eine Art Henne-Ei-Szenario dar. weil ausreichend große RNA-Moleküle scheinbar auf keine andere Weise entstanden sein können als Transkription. Auf jeden Fall untersuchen Wissenschaftler derzeit mit wachsendem Eifer die RNA als Ziel für das erste selbstreplizierende Molekül.

Chemikalien, die die Bestandteile von Nukleinsäuren nachahmen, werden heute als Medikamente eingesetzt und in diesem Bereich weiter entwickelt. So wird beispielsweise eine leicht modifizierte Form von Uracil, 5-Fluorouracil (5-FU), seit Jahrzehnten zur Behandlung von Dickdarmkarzinomen eingesetzt. Es tut dies, indem es eine echte stickstoffhaltige Base genau genug imitiert, damit sie in neu hergestellte DNA eingefügt wird. Dies führt letztendlich zu einem Zusammenbruch der Proteinsynthese.

Nachahmer von Nukleosiden (die, wie Sie sich vielleicht erinnern, ein Ribosezucker plus eine stickstoffhaltige Base sind) wurden in antibakteriellen und antiviralen Therapien verwendet. Manchmal ist es der basische Anteil des Nukleosids, der modifiziert wird, und manchmal zielt das Medikament auf den Zuckeranteil ab.