Allgemeinheit
Nukleinsäuren sind die großen biologischen Moleküle DNA und RNA, deren Vorhandensein und ordnungsgemäße Funktion in lebenden Zellen für deren Überleben von grundlegender Bedeutung sind.
Eine generische Nukleinsäure leitet sich aus der Vereinigung einer hohen Anzahl von Nukleotiden in linearen Ketten ab.
Abbildung: DNA-Molekül.
Nukleotide sind kleine Moleküle, an denen drei Elemente beteiligt sind: eine Phosphatgruppe, eine stickstoffhaltige Base und ein Zucker mit 5 Kohlenstoffatomen.
Nukleinsäuren sind lebenswichtig für das Überleben eines Organismus, da sie bei der Synthese von Proteinen zusammenwirken, die für die korrekte Realisierung zellulärer Mechanismen von entscheidender Bedeutung sind.
DNA und RNA unterscheiden sich in mancher Hinsicht.
Zum Beispiel hat DNA zwei Ketten von antiparallelen Nukleotiden und wie Zucker mit 5 Kohlenstoffatomen Desoxyribose. RNA hingegen weist normalerweise eine einzelne Kette von Nukleotiden auf und besitzt wie Zucker mit 5 Kohlenstoffatomen Ribose.
Was sind Nukleinsäuren?
Nukleinsäuren sind die biologischen Makromoleküle DNA und RNA, deren Anwesenheit in den Zellen von Lebewesen für das Überleben und die korrekte Entwicklung dieser Zellen von grundlegender Bedeutung ist.
Gemäß einer anderen Definition sind Nukleinsäuren die Biopolymere, die aus der Vereinigung einer hohen Anzahl von Nukleotiden in langen linearen Ketten resultieren.
Ein Biopolymer oder natürliches Polymer ist eine große biologische Verbindung aus identischen molekularen Einheiten, die als Monomere bezeichnet werden .
NUCLEIC ACIDS: WER IST IN BESITZ?
Nukleinsäuren befinden sich nicht nur in den Zellen eukaryotischer und prokaryotischer Organismen, sondern auch in azellulären Lebensformen wie Viren und in zellulären Organellen wie Mitochondrien und Chloroplasten .
Allgemeine Struktur
Basierend auf den obigen Definitionen sind Nukleotide die molekularen Einheiten, aus denen die Nukleinsäuren DNA und RNA bestehen.
Sie werden daher das Hauptthema dieses Kapitels darstellen, das sich mit der Struktur von Nukleinsäuren befasst.
STRUKTUR EINES GENERISCHEN NUKLEOTIDES
Ein generisches Nukleotid ist eine organische Verbindung, die aus der Vereinigung von drei Elementen resultiert:
- Eine Phosphatgruppe, die ein Derivat der Phosphorsäure ist;
- Eine Pentose, das ist ein Zucker mit 5 Kohlenstoffatomen ;
- Eine stickstoffhaltige Base, die ein aromatisches heterocyclisches Molekül ist.
Die Pentose ist das zentrale Element der Nukleotide, da die Phosphatgruppe und die stickstoffhaltige Base an sie binden.
Abbildung: Elemente, die ein generisches Nukleotid einer Nukleinsäure bilden. Wie zu sehen ist, sind die Phosphatgruppe und die Stickstoffbase an Zucker gebunden.
Die chemische Bindung, die die Pentose- und Phosphatgruppe zusammenhält, ist eine Phosphodiesterbindung, während die chemische Bindung, die die Pentose und die Stickstoffbase verbindet, eine N-glycosidische Bindung ist .
WIE VERBINDET DER PENTOSO DIE VERSCHIEDENEN BONDS MIT ANDEREN ELEMENTEN?
Prämisse: Chemiker haben darüber nachgedacht, die Kohlen, aus denen die organischen Moleküle bestehen, so zu nummerieren, dass ihre Untersuchung und Beschreibung vereinfacht wird. Hier werden also die 5 Kohlen einer Pentose: Kohlenstoff 1, Kohlenstoff 2, Kohlenstoff 3, Kohlenstoff 4 und Kohlenstoff 5.
Das Kriterium für die Zuweisung von Zahlen ist recht komplex, daher halten wir es für angebracht, die Erklärung wegzulassen.
Von den 5 Kohlen, die die Pentose von Nucleotiden bilden, sind diejenigen, die an den Bindungen mit der stickstoffhaltigen Base und der Phosphatgruppe beteiligt sind, Kohlenstoff 1 bzw. Kohlenstoff 5 .
- Pentose-Kohlenstoff 1 → N-glycosidische Bindung → stickstoffhaltige Base
- Pentose-Kohlenstoff 5 → Phosphodiester-Bindung → Phosphatgruppe
WELCHE ART VON CHEMISCH BINDENDEN NUKLEOTIDEN VON NUKLEINSÄUREN?
Abbildung: Struktur einer Pentose, Nummerierung ihrer Kohlenstoffbestandteile und Bindungen mit stickstoffhaltiger Base und Phosphatgruppe.
Beim Aufbau von Nukleinsäuren organisieren sich Nukleotide zu langen linearen Ketten, besser bekannt als Filamente .
Jedes Nukleotid, das diese langen Stränge bildet, bindet über eine Phosphodiesterbindung zwischen dem Kohlenstoff 3 seiner Pentose und der Phosphatgruppe des unmittelbar folgenden Nukleotids an das nächste Nukleotid.
DAS ENDE
Nucleotidfilamente (oder Polynucleotidfilamente ), aus denen Nucleinsäuren bestehen, haben zwei Enden, das sogenannte 5'-Ende ("Tipp fünf zuerst") und das Ende 3 ' ("Tipp drei zuerst"). Konventionell haben Biologen und Genetiker festgestellt, dass das 5' - Ende den Kopf eines Filaments darstellt, das eine Nukleinsäure bildet, während das 3'-Ende seinen Schwanz darstellt .
Aus chemischer Sicht stimmt das 5'-Ende der Nukleinsäuren mit der Phosphatgruppe des ersten Nukleotids der Kette überein, während das 3'-Ende der Nukleinsäuren mit der Hydroxylgruppe (OH) übereinstimmt, die am Kohlenstoff 3 des letzten Nukleotids angeordnet ist .
Auf der Grundlage dieser Organisation werden in den Büchern der Genetik und Molekularbiologie die Nukleotidstränge einer Nukleinsäure wie folgt beschrieben: P-5 '→ 3'-OH.
* Hinweis: Der Buchstabe P gibt das Phosphoratom der Phosphatgruppe an.
Durch Anwenden der Konzepte von 5'-Enden und 3'-Enden auf ein einzelnes Nukleotid ist das 5'-Ende des letzteren die an Kohlenstoff 5 gebundene Phosphatgruppe, während sein 3'-Ende die mit Kohlenstoff 3 kombinierte Hydroxylgruppe ist.
In beiden Fällen wird der Leser gebeten, auf die numerische Wiederholung zu achten: 5'-End-Phosphat-Gruppe an Kohlenstoff 5 und 3'-End-Hydroxyl-Gruppe an Kohlenstoff 3.
Allgemeine Funktion
Nukleinsäuren enthalten, transportieren, entziffern und exprimieren die genetische Information in Proteinen .
Proteine bestehen aus Aminosäuren und sind biologische Makromoleküle, die eine grundlegende Rolle bei der Regulierung der zellulären Mechanismen eines lebenden Organismus spielen.
Die genetische Information hängt von der Sequenz der Nukleotide ab, die die Stränge der Nukleinsäuren bilden.
Andeutungen der Geschichte
Das Verdienst der Entdeckung von Nukleinsäuren, die 1869 stattfand, gehört dem Schweizer Arzt und Biologen Friedrich Miescher .
Miescher machte seine Erkenntnisse, als er den Zellkern von Leukozyten untersuchte, um die innere Zusammensetzung besser zu verstehen.
Mieschers Experimente stellten einen Wendepunkt auf dem Gebiet der Molekularbiologie und Genetik dar, als sie eine Reihe von Studien starteten, die zur Identifizierung der DNA-Struktur (Watson und Crick, 1953) und der RNA sowie zur Kenntnis der RNS führten Mechanismen der genetischen Vererbung und die Identifizierung präziser Prozesse der Proteinsynthese.
URSPRUNG DES NAMENS
Nukleinsäuren haben diesen Namen, weil Miescher sie im Leukozytenkern (Nukleus - Nukleus) identifizierte und entdeckte, dass sie die Phosphatgruppe enthielten, ein Derivat der Phosphorsäure (Derivat der Phosphorsäure - Säuren).
DNA
Unter den bekannten Nukleinsäuren ist DNA die bekannteste, da sie den Speicher genetischer Informationen (oder Gene ) darstellt, die der Steuerung der Entwicklung und des Wachstums von Zellen in einem lebenden Organismus dienen.
Die Abkürzung DNA bedeutet Desoxyribonukleinsäure oder Desoxyribonukleinsäure .
DOPPELTER PROPELLER
Um die Struktur der Nukleinsäure-DNA zu erklären, schlugen die Biologen James Watson und Francis Crick 1953 das Modell der sogenannten " Doppelhelix " vor, das sich später als richtig erwies.
Basierend auf dem "Doppelhelix" -Modell ist DNA ein großes Molekül, das aus der Vereinigung zweier langer Stränge antiparalleler Nukleotide entsteht, die ineinander gewickelt sind.
Der Ausdruck "antiparallel" zeigt an, dass die beiden Filamente eine entgegengesetzte Orientierung haben, dh: der Kopf und der Schwanz eines Filaments wechselwirken jeweils mit dem Schwanz und dem Ende des anderen Filaments.
Gemäß einem weiteren wichtigen Punkt des "Doppelhelix" -Modells besitzen die Nukleotide der Nukleinsäure-DNA eine solche Anordnung, dass die stickstoffhaltigen Basen in Richtung der Mittelachse jeder Spirale orientiert sind, während die Pentosen und Phosphatgruppen das Gerüst bilden außerhalb der letzteren.
WAS IST DIE DNA PENTOSO?
Die Pentose, aus der die Nukleotide der DNA-Nukleinsäure bestehen, ist Desoxyribose .
Dieser Zucker mit 5 Kohlenstoffatomen verdankt seinen Namen dem Mangel an Sauerstoffatomen an Kohlenstoff 2. Desoxyribose bedeutet außerdem "sauerstofffrei".
Abbildung: Desoxyribose.
Aufgrund des Vorhandenseins von Desoxyribose werden die Nukleotide der DNA-Nukleinsäure Desoxyribonukleotide genannt .
ARTEN VON NUKLEOTIDEN UND STICKSTOFFBASEN
Die Nukleinsäure-DNA weist 4 verschiedene Arten von Desoxyribonukleotiden auf .
Zur Unterscheidung der 4 verschiedenen Arten von Desoxyribonukleotiden dient ausschließlich die stickstoffhaltige Base, die an die Pentose-Phosphat-Gruppenbildung gebunden ist (die im Gegensatz zur stickstoffhaltigen Base niemals variiert).
Aus offensichtlichen Gründen gibt es daher 4 stickstoffhaltige DNA-Basen, und zwar Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T).
Adenin und Guanin gehören zur Klasse der Purine, der heterocyclischen aromatischen Doppelringverbindungen.
Cytosin und Thymin fallen andererseits in die Kategorie der Pyrimidine, aromatische heterocyclische Einzelringverbindungen.
Mit dem "Doppelhelix" -Modell erklärten Watson und Crick auch die Organisation der stickstoffhaltigen Basen innerhalb der DNA:
- Jede stickstoffhaltige Base eines Filaments verbindet sich mittels Wasserstoffbrückenbindungen mit einer stickstoffhaltigen Base, die auf dem antiparallelen Filament vorhanden ist, wodurch effektiv ein Paar, eine Paarung, von Basen gebildet wird.
- Die Paarung zwischen den stickstoffhaltigen Basen der beiden Stränge ist hochspezifisch. Tatsächlich bindet Adenin nur Thymin, während Cytosin nur an Guanin bindet.
Diese wichtige Entdeckung veranlasste Molekularbiologen und Genetiker, die Begriffe " Komplementarität zwischen stickstoffhaltigen Basen " und " komplementäre Paarung zwischen stickstoffhaltigen Basen " zu prägen, um die eindeutige Bindung von Adenin mit Thymin und von Cytosin mit Guanin anzuzeigen. .
WO STEHT IN DEN LEBENDIGEN ZELLEN?
In eukaryotischen Organismen (Tieren, Pflanzen, Pilzen und Protisten) befindet sich die Nukleinsäure-DNA im Kern aller Zellen mit dieser Zellstruktur.
In prokaryotischen Organismen (Bakterien und Archaebakterien) befindet sich stattdessen die Nukleinsäure-DNA im Zytoplasma, da den prokaryotischen Zellen der Kern fehlt.
RNA
Unter den beiden natürlich vorkommenden Nukleinsäuren stellt RNA das biologische Makromolekül dar, das DNA-Nukleotide in die Aminosäuren übersetzt, aus denen Proteine bestehen ( Proteinsyntheseverfahren ).
Tatsächlich ist die RNA-Nukleinsäure vergleichbar mit einem genetischen Informationswörterbuch, das über die Nukleinsäure-DNA berichtet wird.
Das Akronym RNA bedeutet Ribonukleinsäure .
UNTERSCHIEDE, DIE IHN VON DER DNA UNTERSCHEIDEN
Die RNA-Nukleinsäure weist im Vergleich zur DNA mehrere Unterschiede auf:
- RNA ist ein kleineres biologisches Molekül als DNA und besteht normalerweise aus einem einzelnen Nukleotidstrang .
- Die Pentose, die die Nukleotide der Ribonukleinsäure bildet, ist Ribose . Im Gegensatz zu Desoxyribose hat Ribose ein Sauerstoffatom an Kohlenstoff 2.
Aufgrund des Vorhandenseins von Ribosezucker haben Biologen und Chemiker der RNA den Namen Ribonukleinsäure zugewiesen.
- Nukleinsäure-RNA-Nukleotide werden auch als Ribonukleotide bezeichnet .
- RNA-Nukleinsäure teilt nur 3 von 4 Stickstoffbasen mit DNA. Anstelle von Thymin liegt tatsächlich die stickstoffhaltige Base von Uracil vor .
- RNA kann sich in verschiedenen Kompartimenten der Zelle befinden, vom Zellkern bis zum Zytoplasma.
Arten von RNA
Abbildung: Ribose.
In lebenden Zellen gibt es Nukleinsäure-RNA in vier Hauptformen: Transport-RNA (oder Transfer-RNA oder tRNA ), Messenger-RNA (oder RNA-Messenger oder mRNA ), ribosomale RNA (oder ribosomale RNA) RNA oder rRNA ) und kleine nukleare RNA (oder kleine nukleare RNA oder snRNA ).
Obwohl sie unterschiedliche spezifische Rollen abdecken, arbeiten die vier vorgenannten Formen der RNA für ein gemeinsames Ziel zusammen: die Proteinsynthese, ausgehend von den in der DNA vorhandenen Nukleotidsequenzen.
Künstliche Modelle
In den letzten Jahrzehnten haben Molekularbiologen im Labor mehrere Nukleinsäuren synthetisiert, die mit dem Adjektiv "künstlich" gekennzeichnet sind.
Unter den künstlichen Nukleinsäuren sind zu erwähnen: TNA, PNA, LNA und GNA.
