Nukleinsäureneigenschaften, Funktionen, Struktur

Der Nukleinsäuren Es handelt sich um große Biomoleküle, die durch Einheiten oder Monomere gebildet werden, die als Nukleotide bezeichnet werden. Sie sind für die Lagerung und Übertragung genetischer Informationen verantwortlich. Sie nehmen auch an den einzelnen Schritten der Proteinsynthese teil.

Strukturell wird jedes Nukleotid durch eine Phosphatgruppe, eine Fünf -Kohlenstoff -Zucker und eine heterocyclische Stickstoffbase (A, T, C, G und U) gebildet. Ein physiologischer pH -Wert, Nukleinsäuren werden negativ geladen, sie sind löslich in Wasser, sie 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: Bei beiden finden wir eine Reihe von Nukleotiden, die durch Phosphodiéster -Bindungen vereint sind. In der DNA finden wir jedoch Timina (T) und in der RNA Uracil (u).

Die DNA ist länger und ist in einer doppelten Propellerkonformation und die RNA wird durch einen einzelnen Strang gebildet. Diese Moleküle sind in allen lebenden Organismen vorhanden, von Viren bis zu großen Säugetieren.

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Historische Perspektive

Entdeckung von Nukleinsäuren

Die Entdeckung von Nukleinsäuren stammt aus 1869, als Friedrich Miescher Chromatin identifizierte. In seinen Experimenten machte Miescher die Extraktion eines gallertartigen Konsistenzmaterials aus dem Kern und entdeckte, dass diese Substanz reich an Phosphor war.

Anfangs wurde das mysteriöse Material als "Nuclein" bezeichnet. Nachfolgende Experimente mit Nuclein kamen zu dem Schluss, dass dies nicht nur reich an Phosphor, sondern auch in 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 berücksichtigt, dass es eine Beziehung zwischen diesem Polymer und dem erblichen Material der Lebewesen gab.

Entdeckung der DNA -Funktion

Mitte bis 40er Jahre war es für Biologen von dem Moment an wenig überzeugend, dass das Molekül, das für die Übertragung und Speicherung der Informationen eines Organismus zuständig war ähnlich.

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

Diese Vision veränderte sich im Jahr 1928, als der Forscher Fred Griffith vermutete, dass der Nuclein am Erbe beteiligt war. Schließlich gelang es Oswald Avery 1944, mit robusten Beweisen zu schließen, dass die DNA genetische Informationen enthielt.

So wurde die DNA von einem langweiligen und monotonen Molekül, das von nur vier Strukturblöcken bestand, zu einem Molekül, das die Speicherung einer immensen Anzahl von Informationen ermöglicht und sie aufbewahren und genau, genau und effektiv übertragen kann.

Entdeckung der DNA -Struktur

Das Jahr 1953 war ein Revolutionär für biologische Wissenschaften, da die Forscher James Watson und Francis Crick die richtige Struktur der DNA erläuterten.

Basierend auf der Analyse von X -Strahlenreflexionsmustern deuten die Ergebnisse von Watson und Crick darauf hin, dass das Molekül eine Doppelhelix ist, bei der Phosphatgruppen ein externes Skelett bilden und die Basen projiziert werden.

Die Analogie einer Leiter wird im Allgemeinen verwendet, wobei die Handläufe den Phosphaten und Schritten zu den Basen entsprechen.

Entdeckung der DNA -Sequenzierung

In den letzten zwei Jahrzehnten sind außergewöhnliche Fortschritte in der Biologie aufgetreten, angeführt durch DNA -Sequenzierung. Dank der technologischen Fortschritte haben wir heute in der notwendigen Technologie mit einer ziemlich hohen Genauigkeit die Abfolge von DNA - mit "Sequenz", wir meinen die Reihenfolge der Basen.

Anfang. Derzeit ist es kein Problem, die Abfolge ganzer Genome zu kennen.

Eigenschaften

Last und Löslichkeit

Wie der Name schon sagt, ist die Natur von Nukleinsäuren sauer und sind Moleküle mit hoher Wasserlöslichkeit; Das heißt, sie sind hydrophil. Bei physiologischem pH wird das Molekül durch das Vorhandensein von Phosphatgruppen negativ aufgeladen.

Infolgedessen sind die Proteine, mit denen die DNA assoziiert ist. Die korrekte DNA -Assoziation ist für die Verpackung in Zellen von entscheidender Bedeutung.

Schmiere

Die Viskosität der Nukleinsäure hängt davon ab, ob es sich um doppelte oder einfache Bande handelt. Doppelband -DNA bildet hohe Viskositätslösungen. Darüber hinaus sind sie extrem lange Moleküle in Bezug auf ihren Durchmesser.

Im Gegensatz dazu gibt es auch Nukleinsäurelösungen im einfachen Band, die durch eine verringerte Viskosität gekennzeichnet sind.

Stabilität

Ein weiteres Merkmal von Nukleinsäuren ist ihre Stabilität. Natürlich muss ein Molekül mit einer so unverzichtbaren Arbeit als Erbschaftsspeicherung sehr stabil sein.

Vergleichsweise ist DNA stabiler als RNA, da es eine Hydroxylgruppe fehlt.

Es ist möglich, dass dieses chemische Merkmal eine wichtige Rolle bei der Entwicklung von Nukleinsäuren und bei der Auswahl der DNA als Erbmaterial spielte.

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Nach den hypothetischen Übergängen einiger Autoren wurde die RNA in der evolutionären Zukunft durch DNA ersetzt. Heute gibt es jedoch einige Viren, die RNA als genetisches Material verwenden.

Ultraviolette Lichtabsorption

Die Absorption von Nukleinsäuren hängt auch im Doppelband oder im einfachen Band ab. Der Ringe -Absorptionspeak in seiner Struktur beträgt 260 Nanometer (NM).

Wenn sich der Doppelband -DNA -Strang abmüht, nimmt die Absorption der genannten Wellenlänge zu, da die Ringe, aus denen die Nukleotide bestehen.

Dieser Parameter ist für molekulare Biologen im Labor wichtig, da sie durch Messung der Absorption die Menge an DNA, die in ihren Proben existiert. Im Allgemeinen trägt die Kenntnis der DNA -Eigenschaften zur Reinigung und Behandlung in Labors bei.

Klassifizierung (Typen)

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

DNA ist das Molekül, das alle notwendigen Informationen für die Entwicklung eines Organismus speichert und in funktionelle Einheiten eingeteilt wird, die als Gene bezeichnet werden. Die RNA ist für die Einnahme dieser Informationen verantwortlich und übersetzt zusammen mit Proteinkomplexen die Information einer Nukleotidkette in eine Aminosäurekette.

RNA -Ketten können lange oder einige tausend Nukleotide aufweisen, während DNA -Ketten die Millionen Nukleotide überschreiten und unter dem Licht eines optischen Mikroskops sichtbar machen können, wenn sie mit Farbstoffen gefärbt sind.

Die grundlegenden strukturellen Unterschiede zwischen den beiden Molekülen werden sie im folgenden Abschnitt beschreiben.

RNA

In den Zellen gibt es verschiedene Arten von RNA, die zusammen zusammenarbeiten, um die Proteinsynthese zu orchestrieren. Die drei Haupttypen von RNAs sind der Bote, der ribosomale und der Transfer.

Messenger -RNA

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

Ribosomale oder ribosomale RNA

Ribosomale RNA ist Teil dieser essentiellen Maschinerie: Ribosom. Del Ribosoma, 60% werden durch Ribosoma -RNA gebildet und der Rest wird von fast 80 verschiedenen Proteinen besetzt.

RNA übertragen

Transfer -RNA ist eine Art molekularer Adapter, der Aminosäuren (die Strukturblöcke von Proteinen) zu Ribosom transportiert, um integriert zu werden.

RNA klein

Zusätzlich zu diesen drei Grundtypen gibt es in letzter Zeit eine zusätzliche Reihe von RNAs und spielen eine wesentliche Rolle bei der Proteinsynthese und in der Expression der Gene.

Kleine nukleare RNAs, abgekürzte als snRNA als katalytische Einheiten in der Spleißen (Prozess bestehend aus der Eliminierung von Introns) der Messenger -RNA.

Kleine oder snorna nukleolare RNAs sind an der Verarbeitung ribosomaler Pre-Arn-Transkripte beteiligt, die Teil der Ribosomenuntereinheit sind. Dies geschieht im Nucleolus.

Kurze RNAs von Interferenz und Mikroarn sind kleine RNA -Sequenzen, deren Hauptaufgabe die Modulation der Genexpression ist. Microarn stammt aus DNA, setzt aber ihre Protein -Translation nicht fort. Sie sind Monocatenarios und können zu einer Meldungs ​​-RNA ergänzt werden, wodurch ihre Proteintranslation hemmt.

Chemische Struktur und Zusammensetzung

Nukleinsäuren sind lange Ketten von Polymeren aus monomeren Einheiten, die als Nukleotide bezeichnet werden. Jeder besteht aus:

Eine Phosphatgruppe

Es gibt vier Arten von Nukleotiden und diese haben eine gemeinsame Struktur: eine Phosphatgruppe, die mit einer Pentose durch eine Phosphodi -Folienbindung verbunden ist. Das Vorhandensein von Phosphaten gibt dem Molekül einen sauren Charakter. Die Phosphatgruppe wird an den pH -Wert der Zelle dissoziiert, so dass sie negativ belastet ist.

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

Innerhalb von Zellen und auch in extrazellulären Flüssigkeiten können wir kleine Mengen von Nukleosiden finden. Dies sind Moleküle, die von allen Komponenten eines Nukleotids gebildet werden, aber es fehlt Phosphatgruppen.

Laut Nomenklatur ist ein Nukleotid ein Nukleosid mit einer, zwei oder drei Phosphatgruppen, die in dem Hydroxyl in Kohlenstoff 5 'verärgert ist. Nucleoside mit drei Phosphaten sind an der Synthese von Nukleinsäuren beteiligt, obwohl sie auch andere Funktionen in der Zelle erfüllen.

Eine Pentose

Eine Pentose ist ein monomeres Kohlenhydrat, das fünf Kohlenstoffatome gebildet hat. In der DNA ist die Pentose eine Desoxyribose, die durch den Verlust einer Hydroxylgruppe in Kohlenstoff 2 gekennzeichnet ist. In der RNA ist die Pentose eine Ribose.

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Eine Stickstoffbasis

Die Pantosa ist wiederum mit einer organischen Basis verbunden. Die Identität des Nukleotids wird durch die Identität der Basis bereitgestellt. Es gibt fünf Arten, die durch die erste Abkürzung abgekürzt wurden: Adenin (a), Guanin (G), Cytosin (C), Timina (T) und Uracil (U).

Es ist üblich, dass wir in der Literatur feststellen, dass sie diese fünf Buchstaben verwenden, 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 das T für DNA einzigartig ist und Uracil auf das RNA -Molekül beschränkt ist.

Strukturell sind die Basen heterocyclische chemische Verbindungen, deren Ringe aus Kohlenstoff- und Stickstoffmolekülen bestehen. A und G werden von ein paar verschmolzenen Ringen gebildet und gehören zur Purinas -Gruppe. Die verbleibenden Basen gehören zu den Pyrimidinen und ihre Struktur wird durch einen einzelnen Ring gebildet.

Es ist häufig, dass wir in beiden Arten von Nukleinsäuren eine Reihe von modifizierten Basen finden, wie z. B. eine zusätzliche Methylgruppe.

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

Wie ist Polymerisation??

Wie wir bereits erwähnt haben, sind Nukleinsäuren lange Ketten, die von Monomeren - Nukleotiden - gebildet werden. Um die Ketten zu bilden, sind diese auf eine bestimmte Weise verknüpft.

Wenn die Nucleotide Polymerizan, bildet die im 3'. Während der Bildung dieser Verbindung tritt die Eliminierung eines Wassermoleküls auf.

Diese Art von Reaktion wird als "Kondensationsreaktion" bezeichnet und ist sehr ähnlich zu dem, was auftret. Die Verbindungen zwischen jedem Nukleotidepaar werden aufgerufen Phosphodiéster -Verbindungen.

Wie bei Polypeptiden haben Nukleinsäurketten an ihren Enden zwei chemische Orientierungen: Eines ist das 5' -Ende, das eine freie Hydroxylgruppe oder eine Phosphatgruppe im 5' Kohlenstofffreie Hydroxylgruppe 3 '.

Stellen Sie sich vor, jeder DNA -Block ist ein Block des LEGO -Spiels, mit einem Ende, das eingefügt wird, und mit einem freien Loch, in dem die Einfügung eines anderen Blocks auftreten kann. Das 5 'Ende mit Phosphat ist das extrem zu setzende und die 3' ist analog zum freien Loch.

Andere Nukleotide

In der Zelle finden wir eine andere Art von Nukleotiden mit einer Unterscheidung einer Struktur von der oben genannten. Obwohl diese nicht Teil von Nukleinsäuren sein werden, spielen sie sehr wichtige biologische Papiere.

Unter den relevantesten haben wir den Mononukléido von Riboflavina, bekannt als FMN, das Coenzym A, das Dyukleotid von Adenina und Nicotinamina, unter anderem.

RNA -Struktur

Die lineare Struktur des Nukleinsäurepolymers entspricht der Primärstruktur dieser Moleküle. Polinukleotide haben auch die Fähigkeit, Anordnungen in drei Dimensionen zu formen.

Obwohl die primäre Zusammensetzung von DNA und RNA ziemlich ähnlich ist (mit Ausnahme der oben genannten Unterschiede), ist die Bildung ihrer Struktur deutlich unterschiedlich. Wir empfinden RNAs üblich.

Transfer RNAs beispielsweise sind kleine Moleküle, die von weniger als 100 Nukleotiden gebildet werden. Seine typische Sekundärstruktur ist in Form eines Klee mit drei Armen. Das heißt, das RNA -Molekül findet komplementäre Basen im Inneren und kann sich selbst falten.

Ribosomale RNAs sind größere Moleküle, die komplexe dreidimensionale Konformationen einnehmen und sekundäre und tertiäre Struktur aufweisen.

DNA -Struktur

Doppelpropeller

Im Gegensatz zur linearen RNA besteht die DNA -Anordnung aus zwei miteinander verflochtenen Strängen. Dieser strukturelle Unterschied ist entscheidend, um seine spezifischen Funktionen auszuführen. RNA kann diese Art von Propellern aufgrund eines von der zusätzlichen OH -Gruppe auferlegten sterischen Hindernisse nicht bilden, das ihren Zucker präsentiert.

Basis -Komplementarität

Unter den Stützpunkten gibt es Komplementarität. Das heißt, als Folge seiner Größe, Form und chemischen Zusammensetzung müssen Purine durch Wasserstoffbrückenbindungen mit Pyrimidin schlammig sein. In natürlicher DNA stellen wir daher fest, dass A fast immer mit T und G mit C kombiniert wird und mit ihren Gefährten Wasserstoffbrücken bildet.

Die Basispaare zwischen G und C sind durch drei Wasserstoffbrücken verbunden, während das Drehmoment A und T schwächer ist 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 ab, die das Molekül hat: Je höher es ist, desto mehr Energie wird es benötigt, um es zu trennen.

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Strangorientierung

Ein weiteres Merkmal der DNA ist die entgegengesetzte Orientierung: Während ein Strang in 5 ' - 3' Richtung läuft, befindet sich sein Partner in der 3'-5 -Richtung.

Natürliche Konformationen und im Labor

Die Struktur oder Konformation, die wir normalerweise in der Natur gefunden haben. Dies ist durch 10,4 Nukleotide für jede Runde gekennzeichnet, die durch einen Abstand von 3,4 getrennt sind. DNA B dreht sich nach rechts.

Dieses Rollmuster führt zum Auftreten von zwei Grooves, einem Major und einem Minderjährigen.

In Nukleinsäuren, die im Labor gebildet werden (synthetische), können andere Konformationen gefunden werden, die auch unter sehr spezifischen Bedingungen auftreten. Dies sind DNA A und DNA z.

Die Variante A führt auch die rechte Kurve durch, obwohl sie kürzer und etwas breiter ist als die natürliche. Das Molekül erwerbt diese Form, wenn die Feuchtigkeit abnimmt. Drehen Sie alle 11 Basispaare.

Die letzte Variante ist die Z, gekennzeichnet durch eng und durch Abbiegen nach links. Es wird von einer Gruppe von Hexanukleotiden gebildet, die in einen Duplex von Antipaalla -Ketten zusammengefasst sind.

Funktionen

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 retten und zu übersetzen.

Für die Zelle ist DNA eine Art Buchhandlung, in dem alle notwendigen Anweisungen für die Herstellung, Entwicklung und Aufrechterhaltung eines lebenden Organismus gefunden werden.

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

Die Struktur der DNA, die wir im vorherigen Abschnitt beschreiben, ist der Schlüssel zur Ausführung ihrer Funktionen. Der Propeller muss in der Lage sein, sich leicht zu trennen und zu verbinden - wichtige Eigenschaften für Replikations- und Transkriptionsereignisse.

Die DNA befindet sich in den Prokaryoten an einem bestimmten Ort ihres Zytoplasmas, während sie sich in den Eukaryoten im Kern befindet.

RNA: ein multifunktionales Molekül

Papier in Proteinsynthese

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

Die Proteinsynthese beginnt mit der Transkription der in der DNA zu einem Messenger -RNA -Molekül verschlüsselt. Dann muss der Bote die Teile beseitigen, die nicht übersetzt werden, als Introns bezeichnet werden.

Für die Translation der RNA -Nachricht auf 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 Einfügung des richtigen Einsetzens verantwortlich ist Aminosäure in die Peptidkette im Training.

Mit anderen Worten, jede Haupttyp von RNA spielt eine grundlegende Rolle in diesem Prozess. Diese Passage von DNA zu einem Boten und schließlich zu Proteinen nennen Biologen "das zentrale Dogma der Biologie".

Da die Wissenschaft jedoch nicht auf Dogmen basieren, gibt es verschiedene Fälle, in denen diese Prämisse nicht erfüllt ist, wie z. B. Retrovirus.

Rolle in der Regulierung

Die oben erwähnte kleine RNA beteiligt sich indirekt an der Synthese, orchestriert die Synthese der Messenger -RNA und beteiligt sich an der Regulation der Expression.

Zum Beispiel gibt es in der Zelle verschiedene Boten, die von kleinen RNAs reguliert werden, die eine ergänzende Sequenz dazu haben. Wenn die Little RNA die Nachricht an der Nachricht spaltet, verhindern Sie die Übersetzung. Es gibt mehrere Prozesse, die auf diese Weise reguliert werden.

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