Allgemeinheit
Nukleinsäuren sind die großen biologischen Moleküle DNA und RNA, deren Vorhandensein und ordnungsgemäße Funktion in lebenden Zellen für das Überleben der letzteren unerlässlich sind.
Eine generische Nukleinsäure leitet sich aus der Vereinigung einer großen Zahl von Nukleotiden in linearen Ketten ab.
Abbildung: DNA-Molekül.
Nukleotide sind kleine Moleküle, an deren Konstitution drei Elemente beteiligt sind: eine Phosphatgruppe, eine stickstoffhaltige Base und ein Zucker mit 5 Kohlenstoffatomen.
Nukleinsäuren sind überlebenswichtig für einen Organismus, da sie bei der Synthese von Proteinen mitwirken, Molekülen, die für die korrekte Umsetzung zellulärer Mechanismen unerlässlich sind.
DNA und RNA unterscheiden sich in einigen Punkten voneinander.
Zum Beispiel hat DNA zwei antiparallele Nukleotidketten und hat Desoxyribose als 5-Kohlenstoff-Zucker. RNA hingegen hat meist eine einzelne Nukleotidkette und besitzt Ribose als Zucker mit 5 Kohlenstoffatomen.
Was sind Nukleinsäuren?
Nukleinsäuren sind die biologischen Makromoleküle DNA und RNA, deren Anwesenheit in den Zellen von Lebewesen für das Überleben und die richtige Entwicklung der letzteren unerlässlich ist.
Nach einer anderen Definition sind Nukleinsäuren Biopolymere, die aus der Vereinigung einer Vielzahl von Nukleotiden in langen linearen Ketten resultieren.
Ein Biopolymer oder natürliches Polymer ist eine große biologische Verbindung, die aus molekularen Einheiten besteht, die alle gleich sind, die als Monomere bezeichnet werden.
NUKLEINSÄUREN: WER IST IM BESITZ?
Nukleinsäuren befinden sich nicht nur in den Zellen eukaryontischer und prokaryontischer 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.
Daher werden sie das Hauptthema dieses Kapitels darstellen, das sich der Struktur von Nukleinsäuren widmet.
STRUKTUR EINES GENERISCHEN NUKLEOTIDS
Ein generisches Nukleotid ist eine Verbindung organischer Natur, das Ergebnis der Vereinigung von drei Elementen:
- Eine Phosphatgruppe, die ein Derivat von Phosphorsäure ist;
- Eine Pentose, dh ein Zucker mit 5 Kohlenstoffatomen;
- Eine stickstoffhaltige Base, die ein aromatisches heterozyklisches Molekül ist.
Die Pentose stellt das zentrale Element der Nukleotide dar, da an sie die Phosphatgruppe und die stickstoffhaltige Base binden.
Abbildung: Elemente, die ein generisches Nukleotid einer Nukleinsäure bilden. Wie zu sehen ist, binden die Phosphatgruppe und die Stickstoffbase an den Zucker.
Die chemische Bindung, die die Pentose- und die Phosphatgruppe zusammenhält, ist eine Phosphodiesterbindung, während die chemische Bindung, die die Pentose und die stickstoffhaltige Base bindet, eine N-glykosidische Bindung ist.
WIE BETEILIGT SICH DIE PENTOSE AN DEN VERSCHIEDENEN VERBINDUNGEN MIT DEN ANDEREN ELEMENTEN?
Prämisse: Chemiker haben daran gedacht, die Kohlenstoffe, aus denen organische Moleküle bestehen, so zu nummerieren, dass ihre Untersuchung und Beschreibung vereinfacht wird. Hier also, dass die 5 Kohlenstoffe einer Pentose zu Kohlenstoff 1, Kohlenstoff 2, Kohlenstoff 3, Kohlenstoff 4 und Kohlenstoff 5 werden.
Das Kriterium der Nummernzuordnung ist recht komplex, daher halten wir es für angebracht, die Erläuterung wegzulassen.
Von den 5 Kohlenstoffatomen, die die Pentose der Nukleotide 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 → Stickstoffbase
- Pentosekohlenstoff 5 → Phosphodiesterbindung → Phosphatgruppe
WELCHE ART DER CHEMISCHEN BINDUNG BINDET DIE NUKLEOTIDE VON NUKLEINSÄUREN?
Abbildung: Struktur einer Pentose, Nummerierung ihrer Kohlenstoffbestandteile und Bindungen mit Stickstoffbase und Phosphatgruppe.
Beim Aufbau von Nukleinsäuren organisieren sich Nukleotide in lange lineare Ketten, besser bekannt als Filamente.
Jedes Nukleotid, das diese langen Stränge bildet, bindet an das nächste Nukleotid mittels einer Phosphodiesterbindung zwischen dem Kohlenstoff 3 seiner Pentose und der Phosphatgruppe des unmittelbar folgenden Nukleotids.
DIE EXTREMITIEN
Nukleotidstränge (oder Polynukleotidstränge), die Nukleinsäuren bilden, haben zwei Enden, bekannt als 5"-Ende (lesen Sie "fünf prim") und 3"-Ende (lesen Sie "three prime"). Per Konvention haben Biologen und Genetiker festgestellt, dass "Ende 5" den Kopf eines Strangs darstellt, der eine Nukleinsäure bildet, während "Ende 3" seinen Schwanz darstellt.
Aus chemischer Sicht fällt das "5-Ende" der Nukleinsäuren mit der Phosphatgruppe des ersten Nukleotids der Kette zusammen, während das "3-Ende" der Nukleinsäuren mit der Hydroxylgruppe (OH) am Kohlenstoff 3 zusammenfällt des letzten Nukleotids.
Auf der Grundlage dieser Organisation werden in den Büchern über Genetik und Molekularbiologie die Nukleotidstränge einer Nukleinsäure wie folgt beschrieben: P-5 "→ 3" -OH.
* Hinweis: Der Buchstabe P bezeichnet das Phosphoratom der Phosphatgruppe.
Wendet man die Konzepte von 5"-Ende und 3"-Ende auf ein einzelnes Nukleotid an, ist das "5-Ende" des letzteren die an Kohlenstoff 5 gebundene Phosphatgruppe, während sein 3"-Ende die mit Kohlenstoff 3 verbundene Hydroxylgruppe ist.
In beiden Fällen lädt s" den Leser ein, auf die numerische Wiederholung zu achten: Ende 5" - Phosphatgruppe an Kohlenstoff 5 und Ende 3" - Hydroxylgruppe an Kohlenstoff 3.
Allgemeine Funktion
Nukleinsäuren enthalten, transportieren, entschlüsseln und exprimieren genetische Informationen 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, aus denen die Nukleinsäurestränge bestehen.
Hinweise zur Geschichte
Die 1869 erfolgte Entdeckung der Nukleinsäuren geht auf den Schweizer Arzt und Biologen Friedrich Miescher zurück.
Miescher machte seine Erkenntnisse während er den Zellkern von Leukozyten untersuchte, um deren innere Zusammensetzung besser zu verstehen.
Mieschers Experimente stellten einen Wendepunkt auf dem Gebiet der Molekularbiologie und Genetik dar, da sie eine Reihe von Studien initiierten, die zur Identifizierung der Struktur von DNA (Watson und Crick, 1953) und von RNA, zur Kenntnis der Mechanismen von genetische Vererbung und die Identifizierung der genauen Prozesse der Proteinsynthese.
URSPRUNG DES NAMENS
Nukleinsäuren haben diesen Namen, weil Miescher sie im Kern von Leukozyten (Kern - Nukleinsäure) identifiziert und entdeckt hat, dass sie die Phosphatgruppe, ein Derivat der Phosphorsäure (Derivat von Phosphorsäure - Säuren), enthalten.
DNA
Unter den bekannten Nukleinsäuren ist die DNA die bekannteste, da sie das Lager der genetischen Informationen (oder Gene) darstellt, die dazu dienen, die Entwicklung und das Wachstum der Zellen eines lebenden Organismus zu steuern.
Die Abkürzung DNA bedeutet Desoxyribonukleinsäure oder Desoxyribonukleinsäure.
DOPPELHELIX
Um den Aufbau der „Nukleinsäure-DNA“ zu erklären, schlugen die Biologen James Watson und Francis Crick 1953 das – sich später als richtig herausstellende Modell der sogenannten „Doppelhelix“ vor.
Nach dem "Doppelhelix"-Modell ist DNA ein großes Molekül, das aus der Vereinigung zweier langer Stränge antiparalleler Nukleotide resultiert und ineinander gewunden ist.
Der Begriff "antiparallel" weist darauf hin, dass die beiden Filamente entgegengesetzte Orientierung haben, das heißt: Kopf und Schwanz eines Filaments interagieren jeweils mit dem Schwanz und dem Kopf des anderen Filaments.
Nach einem weiteren wichtigen Punkt des "Doppelhelix"-Modells besitzen die Nukleotide der DNA-Nukleinsäure eine solche Anordnung, dass die stickstoffhaltigen Basen zur Mittelachse jeder Spirale ausgerichtet sind, während die Pentosen und Phosphatgruppen das Gerüst bilden letzteres.
WAS IST DIE PENTOSE DER DNA?
Die Pentose, aus der die Nukleotide der DNA-Nukleinsäure bestehen, ist Desoxyribose.
Dieser 5-Kohlenstoff-Zucker verdankt seinen Namen dem Sauerstoffmangel an Kohlenstoff 2. Desoxyribose bedeutet schließlich „sauerstofffrei“.
Abbildung: Desoxyribose.
Aufgrund des Vorhandenseins von Desoxyribose werden die Nukleotide der DNA-Nukleinsäure Desoxyribonukleotide genannt.
ARTEN VON NUKLEOTIDEN UND STICKSTOFFBASIS
DNA-Nukleinsäure hat 4 verschiedene Arten von Desoxyribonukleotiden.
Zur Unterscheidung der 4 verschiedenen Arten von Desoxyribonukleotiden ist nur die Stickstoffbase, verbunden mit der Pentose-Phosphat-Gruppenbildung (die im Gegensatz zur Stickstoffbase nie variiert).
Aus offensichtlichen Gründen sind die stickstoffhaltigen Basen der DNA daher 4, insbesondere: Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T).
Adenin und Guanin gehören zur Klasse der Purine, aromatischer heterocyclischer Doppelringverbindungen.
Cytosin und Thymin hingegen fallen in die Kategorie der Pyrimidine, einringige aromatische heterocyclische Verbindungen.
Mit dem „Doppelhelix“-Modell erklärten Watson und Crick auch, wie die stickstoffhaltigen Basen in der DNA organisiert sind:
- Jede stickstoffhaltige Base eines Filaments verbindet mittels Wasserstoffbrückenbindungen eine stickstoffhaltige 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 Filamente ist hochspezifisch: Adenin bindet nur an 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 Einzigartigkeit der Bindung von Adenin mit Thymin und Cytosin mit Guanin aufzuzeigen. .
WO LIEGT ES IN DEN LEBENDEN ZELLEN?
In eukaryontischen Organismen (Tiere, Pflanzen, Pilze und Protisten) befindet sich die DNA-Nukleinsäure im Kern aller Zellen mit dieser Zellstruktur.
Bei prokaryontischen Organismen (Bakterien und Archaeen) befindet sich die DNA-Nukleinsäure jedoch im Zytoplasma, da prokaryontischen Zellen der Kern fehlt.
RNA
Zwischen den beiden in der Natur vorkommenden Nukleinsäuren stellt die RNA das biologische Makromolekül dar, das die DNA-Nukleotide in die Aminosäuren übersetzt, aus denen die Proteine bestehen (Proteinsyntheseprozess).
Tatsächlich ist Nukleinsäure-RNA mit einem Wörterbuch genetischer Informationen vergleichbar, über das über Nukleinsäure-DNA berichtet wird.
Die Abkürzung RNA bedeutet Ribonukleinsäure.
UNTERSCHIEDE, DIE ES VON DER DNA UNTERSCHEIDEN
Nukleinsäure-RNA weist im Vergleich zu DNA mehrere Unterschiede auf:
- RNA ist ein kleineres biologisches Molekül als DNA, das normalerweise aus einem einzigen Nukleotidstrang besteht.
- Die Pentose, aus der die Nukleotide der Ribonukleinsäure bestehen, ist Ribose.Im Gegensatz zu Desoxyribose hat Ribose ein Sauerstoffatom an Kohlenstoff 2.
Aufgrund des Vorhandenseins des Ribose-Zuckers haben Biologen und Chemiker der RNA den Namen Ribonukleinsäure zugeschrieben. - RNA-Nukleotide werden auch als Ribonukleotide bezeichnet.
- Nukleinsäure-RNA teilt nur 3 von 4 stickstoffhaltigen Basen mit DNA, tatsächlich hat sie anstelle von Thymin die stickstoffhaltige Base Uracil.
- RNA kann sich in verschiedenen Kompartimenten der Zelle befinden, vom Zellkern bis zum Zytoplasma.
ARTEN VON RNA
Abbildung: Ribose.
In lebenden Zellen existiert Nukleinsäure-RNA in vier Hauptformen: Transport-RNA (oder RNA-Transfer oder tRNA), Messenger-RNA (oder RNA-Messenger oder mRNA), ribosomale RNA (oder ribosomale RNA oder rRNA) und die kleine nukleäre RNA (o kleine nukleäre RNA oder snRNA).
Obwohl sie unterschiedliche spezifische Rollen spielen, arbeiten die vier oben genannten Formen der RNA für ein gemeinsames Ziel zusammen: die Synthese von Proteinen, 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" identifiziert werden.
Unter den künstlichen Nukleinsäuren sind besonders hervorzuheben: die TNA, die PNA, die LNA und die GNA.
