NUKLEINSÄUREN: EIGENSCHAFTEN, FUNKTIONEN, STRUKTUR - BIOLOGIE - 2025

Die Nukleinsäuren sind große Biomoleküle, die durch Einheiten oder Monomere gebildet werden, die als Nukleotide bezeichnet werden. Sie sind verantwortlich für die Speicherung und Übertragung genetischer Informationen. Sie nehmen auch an jedem der Schritte der Proteinsynthese teil.

Strukturell besteht jedes Nukleotid aus einer Phosphatgruppe, einem Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen und einer heterocyclischen Stickstoffbase (A, T, C, G und U). Bei physiologischem pH sind Nukleinsäuren negativ geladen, wasserlöslich, bilden viskose Lösungen und sind ziemlich stabil.

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Es gibt zwei Haupttypen von Nukleinsäuren: DNA und RNA. Die Zusammensetzung beider Nukleinsäuren ist ähnlich: In beiden finden wir eine Reihe von Nukleotiden, die durch Phosphodiesterbindungen verbunden sind. In der DNA finden wir jedoch Thymin (T) und in der RNA Uracil (U).

Die DNA ist länger und hat eine Doppelhelix-Konformation. Die RNA besteht aus einem Einzelstrang. Diese Moleküle sind in allen lebenden Organismen vorhanden, von Viren bis zu großen Säugetieren.

Historische Perspektive

Entdeckung von Nukleinsäuren

Die Entdeckung der Nukleinsäuren geht auf das Jahr 1869 zurück, als Friedrich Miescher Chromatin identifizierte. In seinen Experimenten extrahierte Miescher ein gallertartiges Material aus dem Kern und entdeckte, dass diese Substanz reich an Phosphor war.

Ursprünglich wurde das Material mysteriöser Natur als "Nuclein" bezeichnet. Spätere Experimente mit Nuklein ergaben, dass es nicht nur reich an Phosphor, sondern auch an Kohlenhydraten und organischen Basen ist.

Phoebus Levene fand heraus, dass Nuclein ein lineares Polymer war. Obwohl die grundlegenden chemischen Eigenschaften von Nukleinsäuren bekannt waren, wurde nicht angenommen, dass eine Beziehung zwischen diesem Polymer und dem Erbmaterial von Lebewesen besteht.

Entdeckung der Funktion der DNA

Mitte der 1940er Jahre war es für Biologen der damaligen Zeit nicht überzeugend, dass sich das Molekül, das für die Übertragung und Speicherung der Informationen eines Organismus verantwortlich ist, in einem Molekül mit einer so einfachen Konformation wie DNA befand - bestehend aus vier sehr ähnlichen Monomeren (Nukleotiden). jeder.

Proteine, Polymere aus 20 Arten von Aminosäuren, schienen zu dieser Zeit die plausibelsten Kandidaten für das Vererbungsmolekül zu sein.

Diese Ansicht änderte sich 1928, als der Forscher Fred Griffith vermutete, dass Nuklein an der Vererbung beteiligt war. Schließlich gelang es Oswald Avery 1944, mit soliden Beweisen zu schließen, dass DNA genetische Informationen enthielt.

So wurde DNA von einem langweiligen und monotonen Molekül, das nur aus vier Bausteinen besteht, zu einem Molekül, das die Speicherung einer immensen Anzahl von Informationen ermöglicht und diese präzise, ​​genau und effizient bewahren und übertragen kann.

Entdeckung der Struktur der DNA

Das Jahr 1953 war für die Biowissenschaften revolutionär, als die Forscher James Watson und Francis Crick die korrekte Struktur der DNA aufklärten.

Basierend auf den Analysen der Röntgenreflexionsmuster legten die Ergebnisse von Watson und Crick nahe, dass das Molekül eine Doppelhelix ist, bei der die Phosphatgruppen ein äußeres Rückgrat bilden und die Basen in das Innere hineinragen.

Im Allgemeinen wird die Analogie einer Leiter verwendet, bei der die Handläufe den Phosphatgruppen und die Sprossen den Basen entsprechen.

Entdeckung der DNA-Sequenzierung

In den letzten zwei Jahrzehnten wurden außergewöhnliche Fortschritte in der Biologie erzielt, angeführt von der DNA-Sequenzierung. Dank des technologischen Fortschritts verfügen wir heute über die notwendige Technologie, um die DNA-Sequenz mit ziemlich hoher Präzision zu kennen - mit "Sequenz" meinen wir die Reihenfolge der Basen.

Die Aufklärung der Sequenz war zunächst ein teures Ereignis und dauerte lange. Derzeit ist es kein Problem, die Sequenz ganzer Genome zu kennen.

Eigenschaften

Ladung und Löslichkeit

Wie der Name schon sagt, sind Nukleinsäuren sauer und es handelt sich um Moleküle mit hoher Wasserlöslichkeit. das heißt, sie sind hydrophil. Bei physiologischem pH-Wert ist das Molekül aufgrund der Anwesenheit von Phosphatgruppen negativ geladen.

Infolgedessen sind die Proteine, mit denen DNA assoziiert ist, reich an Aminosäureresten mit positiven Ladungen. Die korrekte Assoziation von DNA ist entscheidend für die Verpackung in Zellen.

Viskosität

Die Viskosität der Nukleinsäure hängt davon ab, ob es sich um eine Doppel- oder eine Einzelbande handelt. Doppelband-DNA bildet Lösungen mit hoher Viskosität, da ihre Struktur starr ist und einer Verformung widersteht. Darüber hinaus sind sie im Verhältnis zu ihrem Durchmesser extrem lange Moleküle.

Im Gegensatz dazu gibt es auch Einzelband-Nukleinsäurelösungen, die sich durch niedrige Viskosität auszeichnen.

Stabilität

Ein weiteres Merkmal von Nukleinsäuren ist ihre Stabilität. Natürlich muss ein Molekül mit einer so unverzichtbaren Aufgabe wie der Speicherung der Vererbung sehr stabil sein.

DNA ist vergleichsweise stabiler als RNA, da ihr eine Hydroxylgruppe fehlt.

Es ist möglich, dass diese chemische Eigenschaft eine wichtige Rolle bei der Entwicklung von Nukleinsäuren und bei der Wahl der DNA als Erbmaterial spielte.

Gemäß den von einigen Autoren vorgeschlagenen hypothetischen Übergängen wurde RNA im Evolutionsprozess durch DNA ersetzt. Heute gibt es jedoch einige Viren, die RNA als genetisches Material verwenden.

Absorption von ultraviolettem Licht

Die Absorption von Nukleinsäuren hängt auch davon ab, ob es sich um Doppelband- oder Einzelband handelt. Der Absorptionspeak der Ringe in ihrer Struktur beträgt 260 Nanometer (nm).

Wenn sich der Doppelband-DNA-Strang zu trennen beginnt, nimmt die Absorption bei der genannten Wellenlänge zu, da die Ringe, aus denen die Nukleotide bestehen, freigelegt werden.

Dieser Parameter ist für Molekularbiologen im Labor wichtig, da sie durch Messung der Aufnahme die Menge an DNA abschätzen können, die in ihren Proben vorhanden ist. Im Allgemeinen trägt die Kenntnis der Eigenschaften von DNA zu ihrer Reinigung und Behandlung in Laboratorien bei.

Klassifizierung (Typen)

Die beiden Hauptnukleinsäuren sind DNA und RNA. Beide sind Bestandteile aller Lebewesen. DNA steht für Desoxyribonukleinsäure und RNA für Ribonukleinsäure. Beide Moleküle spielen eine grundlegende Rolle bei der Vererbung und Proteinsynthese.

DNA ist das Molekül, das alle für die Entwicklung eines Organismus erforderlichen Informationen speichert und in funktionelle Einheiten eingeteilt ist, die als Gene bezeichnet werden. RNA ist für die Aufnahme dieser Informationen verantwortlich und übersetzt zusammen mit Proteinkomplexen die Informationen von einer Kette von Nukleotiden in eine Kette von Aminosäuren.

RNA-Stränge können einige hundert oder einige tausend Nukleotide lang sein, während DNA-Stränge Millionen von Nukleotiden überschreiten und unter dem Licht eines optischen Mikroskops sichtbar gemacht werden können, wenn sie mit Farbstoffen angefärbt werden.

Die grundlegenden strukturellen Unterschiede zwischen beiden Molekülen werden im nächsten Abschnitt detailliert beschrieben.

RNA

In Zellen gibt es verschiedene Arten von RNA, die zusammen die Proteinsynthese steuern. Die drei Haupttypen von RNA sind Messenger, Ribosomal und Transfer.

Messenger-RNA

Messenger-RNA ist dafür verantwortlich, die in der DNA vorhandene Nachricht zu kopieren und zur Proteinsynthese zu transportieren, die in Strukturen stattfindet, die als Ribosomen bezeichnet werden.

Ribosomale oder ribosomale RNA

Ribosomale RNA wird als Teil dieser essentiellen Maschinerie gefunden: dem Ribosom. 60% des Ribosoms bestehen aus Ribosomen-RNA und der Rest wird von fast 80 verschiedenen Proteinen besetzt.

RNA übertragen

Transfer-RNA ist eine Art molekularer Adapter, der Aminosäuren (die Bausteine ​​von Proteinen) zum Ribosom transportiert, um sie einzubauen.

Kleine RNA

Zusätzlich zu diesen drei Grundtypen wurden kürzlich eine Reihe weiterer RNAs entdeckt, die eine wesentliche Rolle bei der Proteinsynthese und der Genexpression spielen.

Kleine Kern-RNAs, abgekürzt als snRNA, sind als katalytische Einheiten am Spleißen (Prozess des Entfernens von Introns) von Messenger-RNA beteiligt.

Kleine nukleolare RNAs oder snoRNAs sind an der Verarbeitung von prä-ribosomalen RNA-Transkripten beteiligt, die Teil der Ribosomen-Untereinheit sind. Dies geschieht im Nucleolus.

Kurze störende RNAs und microRNAs sind kleine RNA-Sequenzen, deren Hauptaufgabe die Modulation der Genexpression ist. MicroRNAs werden aus DNA codiert, ihre Translation in Proteine ​​wird jedoch nicht fortgesetzt. Sie sind einzelsträngig und können eine Nachrichten-RNA ergänzen und deren Translation in Proteine ​​hemmen.

Struktur und chemische Zusammensetzung

Nukleinsäuren sind lange Polymerketten, die aus monomeren Einheiten bestehen, die als Nukleotide bezeichnet werden. Jeder besteht aus:

Eine Phosphatgruppe

Es gibt vier Arten von Nukleotiden, die eine gemeinsame Struktur haben: eine Phosphatgruppe, die über eine Phosphodiesterbindung an eine Pentose gebunden ist. Das Vorhandensein von Phosphaten verleiht dem Molekül einen sauren Charakter. Die Phosphatgruppe wird beim pH-Wert der Zelle dissoziiert, so dass sie negativ geladen ist.

Diese negative Ladung ermöglicht die Assoziation von Nukleinsäuren mit Molekülen, deren Ladung positiv ist.

Kleine Mengen an Nukleosiden können in Zellen und auch in extrazellulären Flüssigkeiten gefunden werden. Dies sind Moleküle, die aus allen Bestandteilen eines Nukleotids bestehen, denen jedoch Phosphatgruppen fehlen.

Nach dieser Nomenklatur ist ein Nukleotid ein Nukleosid mit einer, zwei oder drei Phosphatgruppen, die an der Hydroxylgruppe am 5'-Kohlenstoff verestert sind. Nukleoside mit drei Phosphaten sind an der Synthese von Nukleinsäuren beteiligt, erfüllen aber auch andere Funktionen in der Zelle.

Eine Pentose

Eine Pentose ist ein monomeres Kohlenhydrat, das aus fünf Kohlenstoffatomen besteht. In der DNA ist Pentose eine Desoxyribose, die durch den Verlust einer Hydroxylgruppe an Kohlenstoff 2 'gekennzeichnet ist. In der RNA ist Pentose eine Ribose.

Eine stickstoffhaltige Base

Die Pentose ist wiederum an eine organische Base gebunden. Die Identität des Nukleotids wird durch die Identität der Base bereitgestellt. Es gibt fünf Typen, die durch ihre Initialen abgekürzt werden: Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C), Thymin (T) und Uracil (U).

In der Literatur ist es üblich, dass diese fünf Buchstaben verwendet werden, um sich auf das gesamte Nukleotid zu beziehen. Genau genommen sind diese jedoch nur ein Teil des Nukleotids.

Die ersten drei, A, G und C, sind sowohl DNA als auch RNA gemeinsam. Während T nur für DNA gilt und Uracil auf das RNA-Molekül beschränkt ist.

Strukturell sind Basen heterocyclische chemische Verbindungen, deren Ringe aus Kohlenstoff- und Stickstoffmolekülen bestehen. A und G werden durch ein Paar verschmolzener Ringe gebildet und gehören zur Gruppe der Purine. Die restlichen Basen gehören zu den Pyrimidinen und ihre Struktur besteht aus einem einzigen Ring.

Es ist üblich, dass wir in beiden Arten von Nukleinsäuren eine Reihe modifizierter Basen finden, wie beispielsweise eine zusätzliche Methylgruppe.

Wenn dieses Ereignis eintritt, sagen wir, dass die Base methyliert ist. In Prokaryoten werden gewöhnlich methylierte Adenine gefunden, und sowohl in Prokaryoten als auch in Eukaryoten können Cytosine eine zusätzliche Methylgruppe aufweisen.

Wie erfolgt die Polymerisation?

Wie bereits erwähnt, sind Nukleinsäuren lange Ketten aus Monomeren - Nukleotiden. Um die Ketten zu bilden, sind diese auf besondere Weise miteinander verbunden.

Wenn Nukleotide polymerisieren, bildet die Hydroxylgruppe (-OH), die am 3'-Kohlenstoff des Zuckers eines der Nukleotide gefunden wird, eine Esterbindung mit der Phosphatgruppe eines anderen Nukleotidmoleküls. Während der Bildung dieser Bindung erfolgt die Entfernung eines Wassermoleküls.

Diese Art der Reaktion wird als "Kondensationsreaktion" bezeichnet und ist derjenigen sehr ähnlich, die auftritt, wenn sich Peptidbindungen in Proteinen zwischen zwei Aminosäureresten bilden. Die Bindungen zwischen jedem Nukleotidpaar werden Phosphodiesterbindungen genannt.

Wie bei Polypeptiden haben Nukleinsäureketten an ihren Enden zwei chemische Orientierungen: Eine ist das 5'-Ende, das eine freie Hydroxylgruppe oder eine Phosphatgruppe am 5'-Kohlenstoff des terminalen Zuckers enthält, während am 3-Ende ´ wir finden eine freie Hydroxylgruppe von Kohlenstoff 3´.

Stellen wir uns vor, jeder DNA-Block ist ein Lego-Set mit einem eingeführten Ende und einem freien Loch, in das ein anderer Block eingefügt werden kann. Das 5'-Ende mit dem Phosphat ist das einzufügende Ende und das 3'-Ende ist analog zum freien Loch.

Andere Nukleotide

In der Zelle finden wir eine andere Art von Nukleotiden mit einer anderen Struktur als die oben erwähnte. Obwohl diese nicht Teil der Nukleinsäuren sein werden, spielen sie eine sehr wichtige biologische Rolle.

Zu den relevantesten zählen unter anderem Riboflavinmononukleotide, bekannt als FMN, Coenzym A, Adenindinukleotid und Nikotinamin.

RNA-Struktur

Die lineare Struktur des Nukleinsäurepolymers entspricht der Primärstruktur dieser Moleküle. Polynukleotide haben auch die Fähigkeit, dreidimensionale Arrays zu bilden, die durch nichtkovalente Kräfte stabilisiert sind - ähnlich der Faltung in Proteinen.

Obwohl die primäre Zusammensetzung von DNA und RNA ziemlich ähnlich ist (mit Ausnahme der oben genannten Unterschiede), ist der Aufbau ihrer Struktur deutlich unterschiedlich. RNAs werden üblicherweise als einzelne Nukleotidkette gefunden, obwohl sie unterschiedliche Anordnungen annehmen können.

Transfer-RNAs sind beispielsweise kleine Moleküle, die aus weniger als 100 Nukleotiden bestehen. Seine typische Sekundärstruktur hat die Form eines Klees mit drei Armen. Das heißt, das RNA-Molekül findet komplementäre Basen im Inneren und kann sich auf sich selbst falten.

Ribosomale RNAs sind größere Moleküle, die komplexe dreidimensionale Konformationen annehmen und eine Sekundär- und Tertiärstruktur aufweisen.

DNA-Struktur

Doppelhelix

Im Gegensatz zu linearer RNA besteht die DNA-Anordnung aus zwei miteinander verflochtenen Strängen. Dieser strukturelle Unterschied ist entscheidend für die Erfüllung seiner spezifischen Funktionen. RNA ist aufgrund einer sterischen Hinderung durch die zusätzliche OH-Gruppe, die ihr Zucker aufweist, nicht in der Lage, diese Art von Helices zu bilden.

Basiskomplementarität

Es besteht Komplementarität zwischen den Basen. Das heißt, Purine müssen sich aufgrund ihrer Größe, Form und chemischen Zusammensetzung über Wasserstoffbrücken mit einem Pyrimidin paaren. Aus diesem Grund stellen wir in der natürlichen DNA fest, dass A fast immer mit T und G mit C gepaart ist und Wasserstoffbrücken mit ihren Partnern bildet.

Die Basenpaare zwischen G und C sind durch drei Wasserstoffbrücken verbunden, während die Paare A und T schwächer sind und nur zwei Wasserstoffbrücken sie zusammenhalten.

DNA-Stränge können getrennt werden (dies tritt sowohl in der Zelle als auch in Laborverfahren auf) und die erforderliche Wärme hängt von der Menge an GC im Molekül ab: Je größer es ist, desto mehr Energie wird benötigt, um es zu trennen.

Strangorientierung

Ein weiteres Merkmal der DNA ist ihre entgegengesetzte Ausrichtung: Während ein Strang in der 5'-3'-Richtung verläuft, verläuft sein Partner in der 3'-5'-Richtung.

Natürliche Konformationen und im Labor

Die Struktur oder Konformation, die wir normalerweise in der Natur finden, wird als DNA B bezeichnet. Dies ist dadurch gekennzeichnet, dass für jede Umdrehung 10,4 Nukleotide vorhanden sind, die durch einen Abstand von 3,4 voneinander getrennt sind. DNA B dreht sich nach rechts.

Dieses Wicklungsmuster führt zum Auftreten von zwei Furchen, eine größere und eine kleinere.

In im Labor gebildeten Nukleinsäuren (synthetisch) finden sich andere Konformationen, die auch unter ganz bestimmten Bedingungen auftreten. Dies sind DNA A und DNA Z.

Variante A macht auch die Kurve nach rechts, obwohl sie kürzer und etwas breiter als die natürliche ist. Das Molekül nimmt diese Form an, wenn die Luftfeuchtigkeit abnimmt. Es dreht sich alle 11 Basenpaare.

Die letzte Variante ist das Z, das sich dadurch auszeichnet, dass es schmal ist und sich nach links dreht. Es wird von einer Gruppe von Hexanukleotiden gebildet, die zu einem Duplex antiparalleler Ketten zusammengefasst sind.

Eigenschaften

DNA: Vererbungsmolekül

DNA ist ein Molekül, das Informationen speichern kann. Das Leben, wie wir es auf unserem Planeten kennen, hängt von der Fähigkeit ab, solche Informationen zu speichern und zu übersetzen.

Für die Zelle ist DNA eine Art Bibliothek, in der alle notwendigen Anweisungen für die Herstellung, Entwicklung und Erhaltung eines lebenden Organismus gefunden werden.

Im DNA-Molekül finden wir eine Organisation diskreter funktioneller Einheiten, die Gene genannt werden. Einige von ihnen werden zu Proteinen transportiert, während andere regulatorische Funktionen erfüllen.

Die Struktur der DNA, die wir im vorherigen Abschnitt beschreiben, ist der Schlüssel zur Erfüllung ihrer Funktionen. Die Helix muss sich leicht trennen und verbinden lassen - eine Schlüsseleigenschaft für Replikations- und Transkriptionsereignisse.

DNA befindet sich in Prokaryoten an einer bestimmten Stelle in ihrem Zytoplasma, während sie sich in Eukaryoten im Zellkern befindet.

RNA: ein multifunktionales Molekül

Rolle bei der Proteinsynthese

RNA ist eine Nukleinsäure, die wir in verschiedenen Stadien der Proteinsynthese und bei der Regulation der Genexpression finden.

Die Proteinsynthese beginnt mit der Transkription der verschlüsselten Nachricht in der DNA in ein Messenger-RNA-Molekül. Als nächstes muss der Messenger die Teile entfernen, die nicht übersetzt werden, bekannt unter dem Namen Introns.

Für die Übersetzung der RNA-Nachricht in Aminosäurereste sind zwei zusätzliche Komponenten erforderlich: die ribosomale RNA, die Teil der Ribosomen ist, und die Transfer-RNA, die die Aminosäuren trägt und für die Insertion der richtigen Aminosäure in die Peptidkette verantwortlich ist. In der Ausbildung.

Mit anderen Worten, jeder Haupttyp von RNA spielt in diesem Prozess eine entscheidende Rolle. Dieser Übergang von der DNA zur Messenger-RNA und schließlich zu Proteinen wird von Biologen als "zentrales Dogma der Biologie" bezeichnet.

Da die Wissenschaft jedoch nicht auf Dogmen basieren kann, gibt es verschiedene Fälle, in denen diese Prämisse nicht erfüllt ist, wie beispielsweise Retroviren.

Rolle bei der Regulierung

Die oben erwähnten kleinen RNAs sind indirekt an der Synthese beteiligt, koordinieren die Synthese von Messenger-RNA und sind an der Regulation der Expression beteiligt.

Zum Beispiel gibt es in der Zelle verschiedene Messenger-RNAs, die durch kleine RNAs reguliert werden, deren Sequenz dazu komplementär ist. Wenn sich die kleine RNA an die Nachricht bindet, kann sie den Botenstoff spalten und so seine Translation verhindern. Es gibt mehrere Prozesse, die auf diese Weise reguliert werden.

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