Eigenschaften von Nukleinsäuren

Inhalt

• Allgemeine Eigenschaften der DNA
• Allgemeine Eigenschaften von RNA
• Die stickstoffhaltigen Basen
• Transkription und Übersetzung
• Von DNA-Strängen zu Chromosomen
• Nukleinsäuren und die Entstehung des Lebens
• Medizinische Therapien

Wichtige Nukleinsäuren in der Natur umfassen Desoxyribonukleinsäure oder DNA und Ribonukleinsäure oder RNA. Sie werden Säuren genannt, weil sie Protonendonoren (d. H. Wasserstoffatomdonoren) sind und daher eine negative Ladung tragen.

DNA und RNA sind chemisch gesehen Polymere, dh sie bestehen aus sich wiederholenden Einheiten, von denen oft eine sehr große Anzahl vorhanden ist. Diese Einheiten heißen Nukleotide. Alle Nukleotide enthalten wiederum drei unterschiedliche chemische Anteile: einen Pentosezucker, eine Phosphatgruppe und eine stickstoffhaltige Base.

DNA unterscheidet sich von RNA in drei wesentlichen Punkten. Einer ist, dass es sich bei dem Zucker, der das strukturelle "Rückgrat" des Nukleinsäuremoleküls bildet, um Desoxyribose handelt, während es sich bei RNA um Ribose handelt. Wenn Sie mit der chemischen Nomenklatur überhaupt 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 ist, dass während eine der vier in der DNA gefundenen stickstoffhaltigen Basen Thymin ist, die entsprechende Base in der RNA Uracil ist. Die stickstoffhaltigen Basen von Nukleinsäuren bestimmen die endgültigen Eigenschaften dieser Moleküle, da die Phosphat- und Zuckeranteile innerhalb oder zwischen Molekülen des gleichen Typs nicht variieren.

Schließlich ist DNA doppelsträngig, was bedeutet, dass sie aus zwei langen Ketten von Nukleotiden besteht, die chemisch durch zwei stickstoffhaltige Basen gebunden sind. Die DNA ist in eine "Doppelhelix" -Form gewickelt, wie eine flexible Leiter, die an beiden Enden in entgegengesetzte Richtungen gedreht ist.

Allgemeine Eigenschaften der DNA

Desoxyribose besteht aus einem Fünf-Atom-Ring, vier Kohlenstoffen und einem Sauerstoff, geformt wie ein Fünfeck oder vielleicht eine Heimplatte im Baseball. Da Kohlenstoff vier Bindungen und Sauerstoff zwei bildet, bleiben acht Bindungsstellen an den vier Kohlenstoffatomen frei, zwei pro Kohlenstoff, eine oberhalb und eine unterhalb des Rings. Drei dieser Stellen sind mit Hydroxylgruppen (-OH) besetzt, fünf mit Wasserstoffatomen.

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; Da die beiden Stränge eines vollständigen DNA-Moleküls durch ihre stickstoffhaltigen Basen in der Mitte gebunden sind, müssen sich diese Bindungen zwischen einem Purin und einem Pyrimidin ausbilden, um die Gesamtgröße der beiden Basen über das Molekül hinweg in etwa konstant zu halten. (Es ist hilfreich, beim Lesen auf ein beliebiges Diagramm von Nukleinsäuren zu verweisen, wie in den Referenzen.) Dabei bindet A ausschließlich an T in der DNA, während C ausschließlich an G. bindet.

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

Allgemeine Eigenschaften von RNA

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

Während sich DNA nur mit der Informationsspeicherung befasst (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 Zweck der Transkription in zwei Einzelstränge aufspaltet. Die resultierende mRNA gelangt schließlich zu den Teilen der Zellen, in denen die Proteinherstellung stattfindet, und enthält die Anweisungen für diesen Prozess, die von der DNA geliefert werden. Eine zweite Art von RNA, Transfer-RNA (tRNA), ist an der Herstellung von Proteinen beteiligt. Dies tritt auf Zellorganellen auf, die Ribosomen genannt werden, und Ribosomen selbst bestehen hauptsächlich aus einem dritten Typ von RNA, der passenderweise ribosomale RNA (rRNA) genannt wird.

Die stickstoffhaltigen Basen

Die fünf stickstoffhaltigen Basen - Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) und Thymin (T) in der DNA und die ersten drei plus Uracil (U) in der RNA - sind die Teile der Nukleinsäuren, die letztendlich für die Synthese verantwortlich sind Vielfalt von Genprodukten über Lebewesen hinweg. Die Zucker- und Phosphatanteile sind wesentlich, da sie Struktur und Gerüst liefern, aber die Grundlagen sind, wo die Codes erzeugt werden. Wenn Sie Ihren Laptop-Computer als Nukleinsäure oder zumindest als eine Reihe von Nukelotiden betrachten, entspricht die Hardware (z. B. Festplatten, Bildschirm, Mikroprozessor) dem Zucker und dem Phosphat, wohingegen die von Ihnen ausgeführte Software und Apps gleich sind Stickstoffbasen, denn die einzigartige Auswahl an Programmen, die Sie in Ihr System geladen haben, macht Ihren Computer zu einem einzigartigen "Organismus".

Wie zuvor beschrieben, werden stickstoffhaltige Basen entweder als Purine (A und G) oder Pyrimidine (C, T und U) klassifiziert. A paart sich immer in einem DNA-Strang mit T und C paart sich immer mit G. Wichtig ist, dass bei Verwendung eines DNA-Strangs als Matrize für die RNA-Synthese (Transkription) an jedem Punkt entlang des wachsenden RNA-Moleküls das RNA-Nukleotid entsteht vom "Eltern" -DNA-Nukleotid schließt die Base ein, die diejenige ist, an die die "Eltern" -Base immer bindet. Dies wird in einem weiteren Abschnitt untersucht.

Purine bestehen aus einem sechsgliedrigen Stickstoff-Kohlenstoff-Ring und einem fünfgliedrigen Stickstoff-Kohlenstoff-Ring, die sich wie ein Sechseck und ein Fünfeck eine Seite teilen. Die Purinsynthese umfasst die chemische Feinabstimmung eines Ribosezuckers, gefolgt von der Zugabe von Amino (-NH₂) Gruppen. Pyrimidine haben ebenso wie Purine einen sechsgliedrigen Stickstoff- und Kohlenstoffring, aber keinen fünfgliedrigen Stickstoff- und Kohlenstoffring von Purinen. Purine haben daher eine höhere Molekülmasse als Pyrimidine.

Die Synthese von Pyrimidine enthaltenden Nukleotiden und die Synthese von Purine enthaltenden Nukleotiden erfolgt in einem entscheidenden Schritt in umgekehrter Reihenfolge. Bei Pyrimidinen wird zuerst der Basenteil zusammengesetzt und der Rest des Moleküls wird später zu einem Nukleotid modifiziert. In Purinen wird der Teil, der letztendlich zu Adenin oder Guanin wird, gegen Ende der Nukleotidbildung modifiziert.

Transkription und Übersetzung

Transkription ist die Erzeugung eines Strangs von mRNA aus einer DNA-Matrize, die dieselben Anweisungen (d. H. Genetischen Code) zur Herstellung eines bestimmten Proteins enthält wie die Matrize. Der Prozess findet im Zellkern statt, wo sich die DNA befindet.Wenn sich ein doppelsträngiges DNA-Molekül in Einzelstränge trennt und die Transkription fortschreitet, ist die mRNA, die aus einem Strang des "entpackten" DNA-Paares erzeugt wird, identisch mit der DNA des anderen Strangs der entpackten DNA, mit der Ausnahme, dass mRNA statt U enthält T. (Wiederum ist es nützlich, auf ein Diagramm Bezug zu nehmen; siehe die Referenzen.) Die mRNA verlässt, sobald sie vollständig ist, den Kern durch Poren in der Kernmembran. Nachdem die mRNA den Kern verlassen hat, bindet sie sich an ein Ribosom.

Enzyme binden sich dann an den ribosomalen Komplex und unterstützen den Translationsprozess. Die Translation ist die Umwandlung der mRNA-Instruktion in Proteine. Dies tritt auf, 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 den Aufbau von Aminosäuren unterstützt).

Von DNA-Strängen zu Chromosomen

DNA-Stränge bilden aufgrund des Zusammenflusses verwandter Faktoren eine Doppelhelix. Eine davon sind die Wasserstoffbrücken, die auf natürliche Weise über verschiedene Teile des Moleküls hinweg zusammenfallen. Während sich die Helix bildet, stehen die Bindungspaare der stickstoffhaltigen Basen senkrecht zur Achse der gesamten Doppelhelix. Jede volle Windung umfasst insgesamt etwa 10 Basen-Basen-Bindungspaare. Was als "Leiter" als "Seiten" der DNA bezeichnet werden könnte, nennt man jetzt "Ketten" der Doppelhelix. 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 haben, die ihre letztendlich stabile Form bestimmen.

Während Chromosomen als sehr lange DNA-Stränge beschrieben werden können, ist dies eine grobe Vereinfachung. Es ist wahr, dass ein gegebenes Chromosom theoretisch abgewickelt werden könnte, um ein einzelnes ungebrochenes DNA-Molekül freizulegen, aber dies zeigt nicht an, dass die DNA auf dem Weg zur Bildung eines Chromosoms kompliziert gewickelt, gespult und geclustert wird. Ein Chromosom weist Millionen von DNA-Basenpaaren auf, und wenn die gesamte DNA ausgestreckt wäre, ohne die Helix zu brechen, würde sich ihre Länge von einigen Millimetern bis über einen Zentimeter erstrecken. In Wirklichkeit ist die DNA weitaus verdichteter. Als Histone bezeichnete Proteine ​​bilden sich aus vier Paaren von Untereinheitenproteinen (insgesamt acht Untereinheiten). Dieses Oktamer dient als eine Art Spule, auf der sich die DNA-Doppelhelix wie ein Faden zweimal umwickelt. Diese Struktur, das Oktamer plus die umwickelte DNA, wird als Nukleosom bezeichnet. Wenn ein Chromosom teilweise in einen als Chromatid bezeichneten Strang abgewickelt wird, erscheinen diese Nukleosomen bei der Mikroskopie als Perlen auf einer Schnur. Über der Ebene der Nukleosomen findet jedoch eine weitere Komprimierung des genetischen Materials statt, obwohl der genaue Mechanismus schwer zu bestimmen ist.

Nukleinsäuren und die Entstehung des Lebens

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, dass DNA und RNA in irgendeiner Form vor dem Entstehen des Lebens auf der Erde lagen, aber ab 2018 hatte niemand den Weg von frühen Biopolymeren zu einfachen Lebewesen gefunden. Einige haben angenommen, dass RNA in irgendeiner Form die ursprüngliche Quelle all dieser Dinge war, einschließlich der DNA. Dies ist die "RNA-Welthypothese". Dies ist jedoch eine Art Henne-Ei-Szenario für Biologen, da ausreichend große RNA-Moleküle anscheinend nur durch Transkription entstanden sein konnten. In jedem Fall untersuchen Wissenschaftler mit zunehmendem Eifer derzeit RNA als Ziel für das erste sich selbst replizierende Molekül.

Medizinische Therapien

Chemikalien, die die Bestandteile von Nukleinsäuren imitieren, werden heute als Arzneimittel eingesetzt, wobei weitere Entwicklungen auf diesem Gebiet im Gange sind. Beispielsweise wird eine leicht modifizierte Form von Uracil, 5-Fluoruracil (5-FU), seit Jahrzehnten zur Behandlung von Dickdarmkarzinomen verwendet. Dies geschieht, indem eine echte stickstoffhaltige Base genau genug imitiert wird, so dass sie in die neu hergestellte DNA eingefügt wird. Dies führt letztendlich zu einem Zusammenbruch der Proteinsynthese.

Imitatoren von Nukleosiden (die, wie Sie sich erinnern können, einen Ribosezucker plus eine stickstoffhaltige Base darstellen) wurden in antibakteriellen und antiviralen Therapien eingesetzt. Manchmal wird der Basenanteil des Nucleosids modifiziert, und manchmal zielt das Arzneimittel auf den Zuckeranteil ab.