Nukleinsäuren. B
In einem lebenden Organismus gibt es drei Hauptmakromoleküle: Proteine und Nukleinsäuren von zwei Arten. Dank ihnen werden die Vitalaktivität und das korrekte Funktionieren des gesamten Organismus unterstützt. Was sind Nukleinsäuren? Wozu dienen sie? Mehr dazu später im Artikel.
allgemeine Informationen
Nukleinsäure ist ein Biopolymer, eine organische Verbindung mit hohem Molekulargewicht, die aus Resten von Nukleotiden gebildet wird. Die Weitergabe aller genetischen Informationen von Generation zu Generation ist die Hauptaufgabe der Nukleinsäuren. Die folgende Präsentation wird dieses Konzept genauer behandeln.
Forschungsgeschichte
Das erste untersuchte Nukleotid wurde 1847 aus Rindermuskel isoliert und "Inosinsäure" genannt. Als Ergebnis der Untersuchung der chemischen Struktur stellte sich heraus, dass es sich um ein Ribosid-5'-Phosphat handelt und eine N-glykosidische Bindung speichert.1868 wurde eine Substanz namens "Nuclein" entdeckt. Es wurde von dem Schweizer Chemiker Friedrich Miescher bei der Erforschung einiger biologischer Substanzen entdeckt. Die Zusammensetzung dieser Substanz enthielt Phosphor. Die Verbindung hatte saure Eigenschaften und wurde durch proteolytische Enzyme nicht abgebaut.
Die Substanz erhielt die Formel C29H49N9O22P3 Die Annahme über die Beteiligung von Nuklein an der Übertragung von Erbinformationen wurde als Ergebnis der Entdeckung der Ähnlichkeit seiner chemischen Zusammensetzung mit Chromatin aufgestellt. Dieses Element stellt den Hauptbestandteil der Chromosomen dar. Der Begriff „Nukleinsäure“ wurde erstmals 1889 von Richard Altmann eingeführt. Er wurde der Autor einer Methode zur Gewinnung dieser Substanzen ohne Proteinverunreinigungen Während der Untersuchung der alkalischen Hydrolyse von Nukleinsäuren identifizierten Levin und Jacob die Hauptkomponenten der Produkte dieses Prozesses. Es stellte sich heraus, dass es sich um Nukleotide und Nukleoside handelte. 1921 schlug Levin vor, dass DNA eine Tetranukleotidstruktur hat. Diese Hypothese wurde jedoch nicht bestätigt und erwies sich als falsch.
Einstufung
Es gibt zwei Arten von Nukleinsäuren: DNA und RNA. Ihre Anwesenheit findet sich in den Zellen aller lebenden Organismen. DNA findet sich hauptsächlich im Zellkern. RNA wird im Zytoplasma gefunden. Im Jahr 1935 wurden während der weichen Fragmentierung der DNA 4 DNA-bildende Nukleotide erhalten. Diese Komponenten werden im Zustand von Kristallen präsentiert. 1953 stellten Watston und Crick fest, dass die DNA eine Doppelhelix hat.
Auswahlmethoden
Zur Herstellung von Verbindungen aus natürlichen Quellen wurden verschiedene Verfahren entwickelt. Die Hauptbedingungen für diese Verfahren sind die effektive Trennung von Nukleinsäuren und Proteinen, die geringste Fragmentierung der während des Prozesses anfallenden Substanzen. Heute ist die klassische Methode weit verbreitet. Das Wesen dieser Methode liegt in der Zerstörung der Wände eines biologischen Materials und ihrer weiteren Behandlung mit einem anionischen Detergens. Das Ergebnis ist ein Proteinpräzipitat, während die Nukleinsäuren in Lösung bleiben. Eine andere Methode wird verwendet. In diesem Fall können die Nukleinsäuren in einem Gelzustand unter Verwendung von Ethanol und Kochsalzlösung abgeschieden werden. Dabei ist etwas Vorsicht geboten. Insbesondere muss das Ethanol der Kochsalzlösung mit großer Sorgfalt zugesetzt werden, um einen gallertartigen Niederschlag zu erhalten. Bei welcher Konzentration die Nukleinsäure freigesetzt wurde, welche Verunreinigungen darin enthalten sind, können Sie mit der spektrophotometrischen Methode bestimmen. Nukleinsäuren werden leicht durch Nuklease, eine spezielle Klasse von Enzymen, abgebaut. Bei einer solchen Freisetzung ist es erforderlich, dass Laborgeräte zwingend mit Inhibitoren aufbereitet werden. Dazu gehört beispielsweise der DEPC-Inhibitor, der bei der Isolierung von RNA verwendet wird.
Physikalische Eigenschaften
Nukleinsäuren sind in Wasser gut löslich und in organischen Verbindungen fast unlöslich. Darüber hinaus sind sie besonders anfällig für Temperatur- und pH-Werte. Nukleinsäuremoleküle mit hohem Molekulargewicht können durch Nuklease unter dem Einfluss mechanischer Kräfte fragmentiert werden. Dazu gehören Rühren der Lösung, Schütteln.
Nukleinsäuren. Struktur und Funktion
In Zellen finden sich polymere und monomere Formen der betrachteten Verbindungen. Die polymeren Formen werden Polynukleotide genannt. In dieser Form sind die Nukleotidketten durch einen Phosphorsäurerest verbunden. Aufgrund des Gehalts an zwei Arten von heterozyklischen Molekülen, die Ribose und Deoxoribose genannt werden, sind Säuren Ribonukleinsäure bzw. Desoxyribonukleinsäure. Mit ihrer Hilfe erfolgt die Speicherung, Übermittlung und Umsetzung von Erbinformationen. Von den monomeren Formen von Nukleinsäuren ist Adenosintriphosphorsäure die beliebteste. Es ist an der Übertragung von Signalen und der Bereitstellung von Energiereserven in der Zelle beteiligt.
DNA
Desoxyribonukleinsäure ist ein Makromolekül. Mit seiner Hilfe findet der Prozess der Übertragung und Umsetzung der genetischen Information statt. Diese Informationen sind für das Programm der Entwicklung und des Funktionierens eines lebenden Organismus notwendig. Bei Tieren, Pflanzen, Pilzen ist DNA Teil der Chromosomen im Zellkern und findet sich auch in Mitochondrien und Plastiden. Bei Bakterien und Archaeen haftet das Desoxyribonukleinsäure-Molekül von innen an der Zellmembran. Solche Organismen enthalten hauptsächlich zirkuläre DNA-Moleküle. Sie werden „Plasmide“ genannt. Von der chemischen Struktur her ist Desoxyribonukleinsäure ein Polymermolekül, das aus Nukleotiden besteht. Diese Komponenten wiederum enthalten eine stickstoffhaltige Base, Zucker und eine Phosphatgruppe. Aufgrund der letzten beiden Elemente wird eine Bindung zwischen Nukleotiden gebildet, wodurch Ketten entstehen. Grundsätzlich wird das DNA-Makromolekül in Form einer Spirale aus zwei Strängen präsentiert.
RNA
Ribonukleinsäure ist eine lange Nukleotidkette. Sie enthalten eine stickstoffhaltige Base, Ribosezucker und eine Phosphatgruppe. Genetische Informationen werden unter Verwendung einer Nukleotidsequenz kodiert. RNA wird verwendet, um die Proteinsynthese zu programmieren. Ribonukleinsäure wird während der Transkription gebildet. Es ist der Prozess der Synthese von RNA auf einer DNA-Matrize. Es tritt unter Beteiligung spezieller Enzyme auf. Sie werden RNA-Polymerasen genannt. Danach sind die Template-Ribonukleinsäuren am Translationsprozess beteiligt. Auf diese Weise erfolgt die Proteinsynthese auf der RNA-Matrix. Ribosomen nehmen an diesem Prozess aktiv teil. Der Rest der RNAs wird am Ende der Transkription chemisch transformiert. Durch die auftretenden Veränderungen werden Sekundär- und Tertiärstrukturen der Ribonukleinsäure gebildet. Sie funktionieren je nach Art der RNA.
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Landesautonome Bildungseinrichtung
Höhere Bildung
"KASAN NATIONALE FORSCHUNGSTECHNOLOGISCHE UNIVERSITÄT"
INSTITUT FÜR LEBENSMITTELTECHNIK
ABTEILUNG FÜR LEBENSMITTELBIOTECHNOLOGIE
ABSTRAKT ZUM THEMA
NUKLEINSÄUREN. DNA und RNA
Abgeschlossen von: Radenko V.
Gruppe 625 M-52
Nukleinsäuren - natürliche hochmolekulare organische Verbindungen, die die Speicherung und Übertragung von Erbinformationen (genetischer Informationen) in lebenden Organismen ermöglichen. In jedem lebenden Organismus gibt es 2 Arten von Nukleinsäuren: Ribonukleinsäure (RNA) und Desoxyribonukleinsäure (DNA). Das Molekulargewicht der kleinsten bekannten Nukleinsäure, der Transport-RNA (tRNA), beträgt ca. 25 kDa. DNA ist das größte Polymermolekül; ihr Molekulargewicht reicht von 1.000 bis 1.000.000 kDa. DNA und RNA bestehen aus monomeren Einheiten - Nukleotiden, daher werden Nukleinsäuren Polynukleotide genannt.
Nukleotidstruktur
Jedes Nukleotid enthält 3 chemisch unterschiedliche Komponenten: eine heterozyklische stickstoffhaltige Base, ein Monosaccharid (Pentose) und einen Phosphorsäurerest. Je nach Anzahl der Phosphorsäurereste im Molekül werden Nukleosidmonophosphate (NMP), Nukleosiddiphosphate (NDP) und Nukleosidtriphosphate (NTP) unterschieden (Abb. 4-1). Die Zusammensetzung von Nukleinsäuren umfasst zwei Arten von Stickstoffbasen: Purin - Adenin(EIN), Guanin(G) und Pyrimidin - Cytosin(MIT), Thymin(T) und uracil(U). Die Numerierung der Atome in den Basen wird innerhalb des Zyklus geschrieben (Abbildung 4-2). Pentosen in Nukleotiden werden entweder durch Ribose (als Teil der RNA) oder Desoxyribose (als Teil der DNA) repräsentiert. Um die Atomzahlen in Pentosen von der Numerierung der Atome in den Basen zu unterscheiden, erfolgt die Aufzeichnung von der Außenseite des Zyklus und ein Strich (") - 1", 2", 3", 4 "und 5" wird hinzugefügt auf die Nummer (Abb. 4-3). Pentose verbindet sich mit der Basis N-glycosidische Bindung, gebildet aus dem C 1 -Atom von Pentose (Ribose oder Desoxyribose) und dem N 1 -Atom von Pyrimidin oder N 9 -Atom von Purin (Abb. 4-4). Nukleotide, in denen Pentose durch Ribose repräsentiert wird, werden Ribonukleotide genannt, und Nukleinsäuren, die aus Ribonukleotiden aufgebaut sind, werden Ribonukleinsäuren oder RNA genannt. Nukleinsäuren, deren Monomere Desoxyribose umfassen, werden Desoxyribonukleinsäuren oder DNA genannt. Nukleinsäuren werden in ihrer Struktur klassifiziert als
Reis. 4-1. Nukleosidmono-, -di- und -triphosphate von Adenosin. Nukleotide sind Phosphorester von Nukleosiden. Der Rest der Phosphorsäure ist an das 5"-Kohlenstoffatom der Pentose (5"-Phosphoetherbindung) gebunden.
Reis. 4-2. Purin- und Pyrimidinbasen.
Reis. 4-3. Pentose. Es gibt 2 Typen - β-D-Ribose als Teil von RNA-Nukleotiden und β-D-2-Desoxyribose als Teil von DNA-Nukleotiden.
eine Klasse von linearen Polymeren. Das Nukleinsäurerückgrat ist über die gesamte Moleküllänge gleich aufgebaut und besteht aus alternierenden Gruppen - Pentose-Phosphat-Pentose - (Abb. 4-5). Variable Gruppen in Polynukleotidketten sind stickstoffhaltige Basen – Purine und Pyrimidine. RNA-Moleküle umfassen Adenin (A), Uracil (U), Guanin (G) und Cytosin (C), DNA – Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G) und Cytosin (C). Die Einzigartigkeit der Struktur und funktionelle Individualität von DNA- und RNA-Molekülen wird durch ihre Primärstruktur bestimmt - die Abfolge von stickstoffhaltigen Basen in der Polynukleotidkette.
Reis. 4-4. Purin- und Pyrimidinnukleotide.
Reis. 4-5. Fragment einer DNA-Kette.
B. Struktur der Desoxyribonukleinsäure (DNA)
Primärstruktur der DNA - die Reihenfolge des Wechsels von D(dNMP) in der Polynukleotidkette. Jede Phosphatgruppe in der Polynukleotidkette, mit Ausnahme des Phosphorrestes am 5 "Ende des Moleküls, beteiligt sich an der Bildung von zwei Etherbindungen unter Beteiligung von 3" - und 5 "Kohlenstoffatomen zweier benachbarter Desoxyribosen, daher die Bindung zwischen den Monomeren wird mit 3", 5" bezeichnet. Die terminalen Nukleotide der DNA unterscheiden sich durch ihre Struktur: Am 5"-Ende der Kette befindet sich eine Phosphatgruppe und am 3"-Ende der Kette eine freie OH-Gruppe Diese Enden werden als 5"- und 3"-Enden bezeichnet. Die lineare Sequenz von Desoxyribonukleotiden in der Polymer-DNA-Kette wird üblicherweise mit einem Ein-Buchstaben-Code abgekürzt, beispielsweise -AGCTTACA- vom 5"- zum 3"-Ende.
Jedes Nukleinsäuremonomer enthält einen Phosphorsäurerest. Bei pH 7 ist die Phosphatgruppe vollständig ionisiert, daher in vivo Nukleinsäuren existieren als Polyanionen (sie haben mehrere negative Ladungen). Pentosereste weisen auch hydrophile Eigenschaften auf. Stickstoffbasen sind in Wasser fast unlöslich, aber einige Atome der Purin- und Pyrimidinringe können sich bilden Wasserstoffbrücken.
Sekundärstruktur der DNA. 1953 schlugen J. Watson und F. Crick ein Modell der räumlichen Struktur der DNA vor. Nach diesem Modell hat ein DNA-Molekül die Form einer Spirale, die aus zwei gegeneinander und um eine gemeinsame Achse verdrehten Polynukleotidketten gebildet wird. Doppelhelix Rechtshändig, Polynukleotidkette darin antiparallel(Abbildung 4-6), d.h. wenn einer von ihnen in Richtung 3 "→ 5" orientiert ist, dann der andere - in Richtung 5 "→ 3". Daher an jedem Ende
Reis. 4-6. Doppelhelix der DNA.
DNA-Moleküle bestehen aus zwei antiparallelen Strängen mit einer komplementären Nukleotidsequenz. Die Ketten sind in einer rechtsgängigen Helix gegeneinander verdreht, so dass pro Windung etwa 10 Nukleotidpaare vorhanden sind. Alle Basen der DNA-Ketten befinden sich innerhalb der Doppelhelix, und das Pentosephosphat-Rückgrat befindet sich außerhalb. Polynukleotidketten werden aufgrund von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen komplementären Purin- und Pyrimidin-Stickstoffbasen A und T (zwei Bindungen) und zwischen G und C (drei Bindungen) relativ zueinander gehalten (Fig. 4-7). Bei dieser Kombination enthält jedes Paar drei Ringe, sodass die Gesamtgröße dieser Basenpaare über die gesamte Länge des Moleküls gleich ist.
Reis. 4-7. Purin-Pyrimidin-Basenpaare in DNA.
Wasserstoffbrückenbindungen für andere Basenkombinationen in einem Paar sind möglich, aber viel schwächer. Die Nukleotidsequenz eines Strangs ist vollständig komplementär zur Nukleotidsequenz des zweiten Strangs. Daher ist nach der Regel von Chargaff (Erwin Chargaff stellte 1951 Muster im Verhältnis von Purin- und Pyrimidinbasen in einem DNA-Molekül fest) die Anzahl der Purinbasen (A + G) gleich der Anzahl der Pyrimidinbasen (T + C). . Die komplementären Basen sind im Kern der Spirale gestapelt. Zwischen den Basen des doppelsträngigen Moleküls im Stapel, Hydrophobe Wechselwirkungen, stabilisierende Doppelhelix.
Diese Struktur schließt den Kontakt von stickstoffhaltigen Rückständen mit Wasser aus, aber der Stapel der Basen kann nicht absolut vertikal sein. Die Basenpaare sind leicht gegeneinander versetzt. In der gebildeten Struktur werden zwei Rillen unterschieden - eine große, 2,2 nm breit und eine kleine, 1,2 nm breit. Stickstoffbasen im Bereich der großen und kleinen Furchen interagieren mit spezifischen Proteinen, die an der Organisation der Chromatinstruktur beteiligt sind.
DNA-Tertiärstruktur (DNA-Supercoiling) Jedes DNA-Molekül ist in ein separates Chromosom gepackt. Menschliche diploide Zellen enthalten 46 Chromosomen. Die Gesamtlänge der DNA aller Chromosomen einer Zelle beträgt 1,74 m, aber sie ist in einem Zellkern verpackt, dessen Durchmesser millionenfach kleiner ist. Um DNA im Zellkern zu positionieren, muss eine sehr kompakte Struktur gebildet werden. DNA-Kompaktierung und Supercoiling werden unter Verwendung einer Vielzahl von Proteinen durchgeführt, die mit spezifischen Sequenzen in der DNA-Struktur interagieren. Alle Proteine, die an eukaryontische DNA binden, können in 2 Gruppen eingeteilt werden: Hisgon- und Nicht-Histonproteine. Der Komplex von Proteinen mit der Kern-DNA von Zellen wird Chromatin genannt.
Histone- Proteine mit einem Molekulargewicht von 11-21 kDa, die viele Arginin- und Lysinreste enthalten. Histone bilden aufgrund ihrer positiven Ladung Ionenbindungen mit negativ geladenen Phosphatgruppen, die sich an der Außenseite der DNA-Doppelhelix befinden. Es gibt 5 Arten von Histone. Vier Histone Н2А, Н2В, НЗ und Н4 bilden einen octameren Proteinkomplex (Н2А, Н2В, НЗ, Н4) 2, der als Nukleosomenkern(aus dem Englischen. Nukleosomenkern). Das DNA-Molekül wird auf der Oberfläche des Histon-Oktamers "gewickelt" und macht 1,75 Umdrehungen (etwa 146 Basenpaare). Ein solcher Komplex von Histonproteinen mit DNA dient als Hauptstruktureinheit des Chromatins, er heißt "Nukleosom". Die DNA, die die nukleosomalen Partikel bindet, wird als Linker-DNA bezeichnet. Die durchschnittliche Linker-DNA beträgt 60 Basenpaare. Histon H1-Moleküle binden in internukleosomalen Regionen (Linkersequenzen) an DNA und schützen diese Regionen vor Nukleasen (Abb. 4-8).
Reis. 4-8. Nukleosom-Struktur.
Acht Histonmoleküle (Н2А, Н2В, НЗ, Н4) 2 bilden den Nukleosomkern, um den die DNA etwa 1,75 Windungen bildet. DNA. Die Aminosäurereste von Lysin, Arginin und die terminalen Aminogruppen der Histone können modifiziert werden: acetyliert, phosphoryliert, methyliert oder mit dem Protein Ubiquitin (Nicht-Histon-Protein) interagieren. Modifikationen sind reversibel und irreversibel, sie verändern die Ladung und Konformation von Histonen, und dies beeinflusst die Wechselwirkung der Histone untereinander und mit der DNA. Die Aktivität der für die Modifikation verantwortlichen Enzyme ist reguliert und hängt vom Stadium des Zellzyklus ab. Die Modifikationen ermöglichen Konformationsumlagerungen von Chromatin.
Nicht-Histon-Chromatinproteine. Der Kern einer eukaryontischen Zelle enthält Hunderte der unterschiedlichsten DNA-bindenden Nicht-Histon-Proteine. Jedes Protein ist komplementär zu einer bestimmten Sequenz von DNA-Nukleotiden (DNA-Site). Diese Gruppe umfasst eine Familie ortsspezifischer Proteine vom Typ „Zinkfinger“ (siehe Abschnitt 1). Jeder Zinkfinger erkennt eine spezifische Stelle, die aus 5 Nukleotidpaaren besteht. Eine andere Familie ortsspezifischer Proteine sind Homodimere. Ein mit DNA in Kontakt stehendes Fragment eines solchen Proteins hat eine Helix-Turn-Helix-Struktur (siehe Abschnitt 1). Zu der Gruppe der Struktur- und Regulationsproteine, die ständig mit Chromatin assoziiert sind, gehören Proteine mit hoher Mobilität ( HMG-Proteine- aus dem Englischen, Gelproteine mit hoher Mobilität). Sie haben ein Molekulargewicht von weniger als 30 kDa und zeichnen sich durch einen hohen Gehalt an geladenen Aminosäuren aus. Aufgrund ihres geringen Molekulargewichts sind HMG-Proteine während der Polyacrylamid-Gelelektrophorese sehr mobil. Enzyme der Replikation, Transkription und Reparatur gehören ebenfalls zu Nicht-Histon-Proteinen. Unter Beteiligung von strukturellen, regulatorischen Proteinen und Enzymen, die an der Synthese von DNA und RNA beteiligt sind, wird der Nukleosomenstrang in einen hochkondensierten Komplex aus Proteinen und DNA umgewandelt. Die resultierende Struktur ist 10.000 Mal kürzer als das ursprüngliche DNA-Molekül.
Der Inhalt des Artikels
NUKLEINSÄUREN- biologische Polymermoleküle, die alle Informationen über einen einzelnen lebenden Organismus speichern, dessen Wachstum und Entwicklung bestimmen, sowie erbliche Merkmale, die an die nächste Generation weitergegeben werden. Nukleinsäuren kommen in den Zellkernen aller pflanzlichen und tierischen Organismen vor, die ihren Namen (lat . Kern - Kern).
Zusammensetzung der Polymerkette von Nukleinsäuren.
Die Polymerkette von Nukleinsäuren wird aus Fragmenten von Phosphorsäure H 3 PO 3 und Fragmenten von heterocyclischen Molekülen aufgebaut, die Furanderivate sind. Es gibt nur zwei Arten von Nukleinsäuren, die jeweils auf der Grundlage einer von zwei Arten solcher Heterocyclen aufgebaut sind - Ribose oder Desoxyribose (Abb. 1).
Reis. 1. STRUKTUR VON RIBOSE UND DEOXYRIBOSE.
Der Name Ribose (von lat . Rippe - Rippe, Büroklammer) hat die Endung - oza, was darauf hinweist, dass sie zur Klasse der Zucker (zum Beispiel Glukose, Fruktose) gehört. Die zweite Verbindung besitzt keine OH-Gruppe (Oxy-Gruppe), die in Ribose rot markiert ist. In diesem Zusammenhang wird die dreifache Verbindung Desoxyribose genannt, d. h. Ribose ohne eine Oxygruppe.
Die aus Ribose- und Phosphorsäurefragmenten aufgebaute Polymerkette ist die Basis einer der Nukleinsäuren, der Ribonukleinsäure (RNA). Der Begriff "Säure" im Namen dieser Verbindung wird verwendet, weil eine der sauren OH-Gruppen der Phosphorsäure unsubstituiert bleibt, was der gesamten Verbindung einen schwach sauren Charakter verleiht. Beteiligt sich anstelle von Ribose Desoxyribose an der Bildung der Polymerkette, so entsteht Desoxyribonukleinsäure, für die die bekannte DNA-Abkürzung weithin akzeptiert ist.
DNA-Struktur.
Das DNA-Molekül dient als Ausgangspunkt für das Wachstum und die Entwicklung eines Organismus. In Abb. Fig. 2 zeigt, wie zwei Arten alternierender Ausgangsverbindungen zu einer Polymerkette kombiniert werden, nicht eine Synthesemethode, sondern eine schematische Darstellung des Aufbaus eines DNA-Moleküls.
In der endgültigen Version enthält das polymere DNA-Molekül stickstoffhaltige Heterocyclen im lateralen Rahmen. An der DNA-Bildung sind vier Arten solcher Verbindungen beteiligt, zwei davon sind Sechsringe und zwei sind kondensierte Ringe, bei denen der Sechsring mit dem Fünfring verlötet ist (Abb. 3).
Reis. 3. STRUKTUR STICKSTOFFHALTIGER HETEROZYKLEN die DNA ausmachen
In der zweiten Montagestufe werden die oben gezeigten stickstoffhaltigen heterocyclischen Verbindungen an die freien OH-Gruppen der Desoxyribose gebunden und bilden seitliche Seitenketten an der Polymerkette (Abb. 4).
Die an die Polymerkette gebundenen Moleküle Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin werden mit den Anfangsbuchstaben der Namen der Ausgangsverbindungen bezeichnet, d.h. EIN, T, g und C.
Die polymere DNA-Kette selbst hat eine bestimmte Richtung – wenn man sich gedanklich entlang des Moleküls in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung bewegt, treffen sich die gleichen Gruppierungen, aus denen die Kette besteht, in einer anderen Reihenfolge auf dem Weg. Wenn man sich in eine Richtung von einem Phosphoratom zum anderen bewegt, geht zuerst die CH 2 -Gruppe den Weg entlang und dann zwei CH-Gruppen (Sauerstoffatome können vernachlässigt werden), bei der Bewegung in die entgegengesetzte Richtung wird die Reihenfolge dieser Gruppen umgekehrt (Abb. 5) ...
Reis. 5. RICHTUNG DER DNA-POLYMERKETTE... Bei der Beschreibung der Reihenfolge, in der die angehängten Heterocyclen alternieren, verwendet man üblicherweise die Vorwärtsrichtung, also von der CH 2 -Gruppe zu den CH-Gruppen.
Das Konzept der "Kettenrichtung" hilft zu verstehen, wie sich zwei DNA-Stränge befinden, wenn sie kombiniert werden, und hat auch einen direkten Einfluss auf die Proteinsynthese.
Im nächsten Schritt verbinden sich zwei DNA-Moleküle und positionieren sich so, dass Anfang und Ende der Stränge in entgegengesetzte Richtungen gerichtet sind. In diesem Fall stehen sich die Heterocyclen der beiden Ketten gegenüber und erweisen sich als optimal lokalisiert, was bedeutet, dass zwischen den Paaren von C = O- und NH 2 -Gruppen sowie zwischen є N und NH . Wasserstoffbrücken entstehen =, die Teil der Heterocyclen ( cm... WASSERSTOFFBINDUNG). In Abb. 6 zeigt, wie die beiden Ketten relativ zueinander angeordnet sind und wie Wasserstoffbrücken zwischen den Heterocyclen entstehen. Das wichtigste Detail ist, dass Wasserstoffbrückenpaare starr definiert sind: ein Fragment EIN interagiert immer mit T und das Fragment g- immer mit C... Die streng definierte Geometrie dieser Gruppen führt dazu, dass diese Paare extrem genau zueinander sind (wie ein Schlüssel zu einem Schloss), ein Paar BEI durch zwei Wasserstoffbrücken gebunden, und das Paar G-C- drei Links.
Wasserstoffbrückenbindungen sind merklich schwächer als gewöhnliche Valenzbindungen, aber aufgrund ihrer großen Anzahl entlang des gesamten Polymermoleküls wird die Verbindung der beiden Ketten ziemlich stark. Das DNA-Molekül enthält Zehntausende von Gruppen EIN, T, g und C und die Reihenfolge ihres Wechsels innerhalb eines Polymermoleküls kann unterschiedlich sein, zum Beispiel an einem bestimmten Teil der Kette kann die Sequenz die Form haben: - EIN-EIN-T-g-C-g-EIN-T-. Da die wechselwirkenden Gruppen streng definiert sind, befindet sich an der gegenüberliegenden Stelle des zweiten Polymermoleküls notwendigerweise eine Sequenz - T-T-EIN-C-g-C-T-EIN-. Wenn man also die Reihenfolge der Heterocyclen in einer Kette kennt, kann man ihre Platzierung in der anderen Kette anzeigen. Aus dieser Entsprechung folgt, dass die Gesamtzahl der Gruppen im verdoppelten DNA-Molekül EIN gleich der Anzahl der Gruppen T, und die Anzahl der Gruppen g- Anzahl C(E. Chargaffs Regel).
Zwei wasserstoffverbrückte DNA-Moleküle sind in Abb. 5 in Form von zwei flach liegenden Ketten, die aber in Wirklichkeit anders angeordnet sind. Die wahre Richtung im Raum aller Bindungen, die durch Bindungswinkel und kontrahierende Wasserstoffwechselwirkungen bestimmt wird, führt zu bestimmten Biegungen der Polymerketten und einer Rotation der Ebene der Heterocyclen, die ungefähr im ersten Videofragment in Abb. 7 nach der Strukturformel. Viel genauer kann die gesamte Raumstruktur nur mit Hilfe von volumetrischen Modellen vermittelt werden (Abb. 7, zweites Videofragment). In diesem Fall entsteht ein komplexes Bild, daher ist es üblich, vereinfachte Bilder zu verwenden, die besonders häufig bei der Darstellung der Struktur von Nukleinsäuren verwendet werden oder Proteine... Bei Nukleinsäuren werden Polymerketten in Form von flachen Bändern dargestellt und heterocyclische Gruppen EIN, T, g und C- in Form von Seitenstäbchen oder einfachen Valenzlinien mit unterschiedlichen Farben oder mit Buchstabenbezeichnungen der entsprechenden Heterocyclen am Ende (Abb. 7, drittes Videofragment).
Bei der Drehung der gesamten Struktur um die Hochachse (Abb. 8) ist deutlich die Spiralform zweier Polymermoleküle zu erkennen, die sich sozusagen auf die Oberfläche des Zylinders wickeln, dies ist das bekannte Doppel DNA-Helix.
Bei einem so vereinfachten Bild verschwinden die Hauptinformationen nicht - die Reihenfolge des Gruppierungswechsels EIN, T, g und C, das die Individualität jedes lebenden Organismus bestimmt, werden alle Informationen in einem Vier-Buchstaben-Code festgehalten.
Die Struktur der Polymerkette und das obligatorische Vorhandensein von vier Arten von Heterocyclen sind für alle Vertreter der lebenden Welt gleich. Alle Tiere und höheren Pflanzen haben die Anzahl der Paare EIN – T immer etwas mehr als Paare g – C... Der Unterschied zwischen Säugetier-DNA und Pflanzen-DNA besteht darin, dass Säugetiere ein Paar haben EIN – Tüber die gesamte Länge der Kette kommt etwas häufiger vor (ca. 1,2 mal) als ein Paar g – C... Bei Pflanzen ist die Bevorzugung des ersten Paares viel stärker ausgeprägt (ca. 1,6-fach).
Die DNA ist heute eines der größten bekannten Polymermoleküle, bei manchen Organismen besteht ihre Polymerkette aus Hunderten von Millionen Gliedern. Die Länge eines solchen Moleküls erreicht mehrere Zentimeter, was für molekulare Objekte ein sehr großer Wert ist. Weil beträgt der Querschnitt des Moleküls nur 2 nm (1 nm = 10 –9 m), dann können seine Proportionen mit einer Bahnstrecke von mehreren Dutzend Kilometern Länge verglichen werden.
Chemische Eigenschaften der DNA.
In Wasser bildet DNA zähflüssige Lösungen; beim Erhitzen solcher Lösungen auf 60 °C oder unter Einwirkung von Alkalien zerfällt die Doppelhelix in zwei Teilketten, die bei Rückkehr zu den Ausgangsbedingungen wieder verschmelzen können. Unter schwach sauren Bedingungen tritt Hydrolyse auf, wodurch die Fragmente -PO-CH 2 - teilweise unter Bildung der Fragmente -P-OH bzw. HO-CH 2 gespalten werden, dadurch monomer, dimer (verdoppelt) oder trimere (Dreifach-) Säuren werden gebildet, die Verbindungen sind, aus denen der DNA-Strang zusammengesetzt wurde (Abb. 9).
Reis. neun. FRAGMENTE, DIE DURCH DIE VERDAUUNG VON DNA ERHALTEN WERDEN.
Eine tiefere Hydrolyse ermöglicht die Trennung von Desoxyribose-Stellen von Phosphorsäure sowie die Gruppierung g von Desoxyribose, d. h. das DNA-Molekül genauer in seine Bestandteile zu zerlegen. Unter Einwirkung starker Säuren (neben dem Zerfall der -P(O)-O-CH 2 - -Fragmente) werden die Gruppen EIN und g... Die Wirkung anderer Reagenzien (z. B. Hydrazin) ermöglicht die Trennung von Gruppen T und C... Eine feinere Spaltung der DNA in Komponenten erfolgt mit einem biologischen Präparat - der aus der Bauchspeicheldrüse sezernierten Desoxyribonuklease (Endung - aza weist immer darauf hin, dass diese Substanz ein Katalysator biologischen Ursprungs ist - ein Enzym). Der erste Teil des Titels - Desoxyribonuklease- gibt an, welche Verbindung von diesem Enzym gespalten wird. Alle diese Methoden der DNA-Spaltung konzentrieren sich in erster Linie auf eine detaillierte Analyse ihrer Zusammensetzung.
Die wichtigste Information in einem DNA-Molekül ist die Abfolge der Gruppen EIN, T, g und C, es wird mit speziell entwickelten Techniken gewonnen. Dafür wurden verschiedenste Enzyme geschaffen, die im DNA-Molekül eine genau definierte Sequenz finden, zum Beispiel: C-T-g-C-EIN-g(sowie die entsprechende Sequenz auf der gegenüberliegenden Kette g-EIN-C-g-T-C) und von der Kette isolieren. Diese Eigenschaft besitzt das Enzym Pst I (Handelsname, es entsteht aus dem Namen dieses Mikroorganismus P rovidencia NS uartii, aus dem dieses Enzym gewonnen wird). Bei Verwendung eines anderen Enzyms Pal I ist es möglich, die Sequenz zu finden g-g-C-C... Weiterhin werden die Ergebnisse, die unter Einwirkung einer breiten Palette verschiedener Enzyme nach einem zuvor entwickelten Schema erhalten wurden, verglichen, wodurch es möglich ist, die Sequenz solcher Gruppen an einer bestimmten DNA-Stelle zu bestimmen. Inzwischen sind solche Techniken weit verbreitet und werden in den unterschiedlichsten Bereichen eingesetzt, die weit von der wissenschaftlichen biochemischen Forschung entfernt sind, beispielsweise bei der Identifizierung von Überresten lebender Organismen oder der Feststellung des Verwandtschaftsgrades.
RNA-Struktur
ähnelt in vielerlei Hinsicht der DNA, der Unterschied besteht darin, dass sich in der Hauptkette Phosphorsäurefragmente mit Ribose und nicht mit Desoxyribose abwechseln (Abb.). Der zweite Unterschied besteht darin, dass der heterocyclische Uracil ( Verfügen über) statt Thymin ( T), andere Heterocyclen EIN, g und C das gleiche wie DNA. Uracil unterscheidet sich von Thymin durch das Fehlen einer Methylgruppe am Ring, in Abb. 10 Diese Methylgruppe ist rot markiert.
Reis. zehn. UNTERSCHIED VON THYMIN VON URACIL- das Fehlen der zweiten Verbindung der Methylgruppe, die in Thymin rot hervorgehoben ist.
Ein Fragment des RNA-Moleküls ist in Abb. 11, die Reihenfolge der Gruppierungen EIN, Verfügen über, g und C, sowie ihr Mengenverhältnis können unterschiedlich sein.
Abb. 11. FRAGMENT DES RNA-MOLEKÜLS... Der Hauptunterschied zur DNA ist das Vorhandensein von OH-Gruppen in Ribose (rot) und einem Uracil-Fragment (blau).
Die Polymerkette der RNA ist etwa zehnmal kürzer als die der DNA. Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass sich RNA-Moleküle nicht zu Doppelhelices verbinden, die aus zwei Molekülen bestehen, sondern in der Regel in Form eines einzelnen Moleküls vorliegen, das in einigen Regionen mit sich selbst doppelsträngige helikale Fragmente im Wechsel mit linearen Regionen bilden kann. In den Spiralschnitten wird die Wechselwirkung der Paare ebenso streng beobachtet wie in der DNA. Paare, die durch Wasserstoffbrücken verbunden sind und eine Helix bilden ( EIN-Verfügen über und g-C), entstehen dort, wo sich die Anordnung der Gruppen für eine solche Interaktion als günstig erweist (Abb. 12).
Für die überwiegende Mehrheit der lebenden Organismen ist der quantitative Gehalt an Paaren EIN-Verfügen über mehr als g-C, bei Säugetieren um das 1,5- bis 1,6-fache, bei Pflanzen um das 1,2-fache. Es gibt verschiedene Arten von RNA, deren Rollen in einem lebenden Organismus unterschiedlich sind.
Chemische Eigenschaften von RNA
ähneln den Eigenschaften der DNA, jedoch macht das Vorhandensein zusätzlicher OH-Gruppen in der Ribose und der (im Vergleich zur DNA) geringere Gehalt an stabilisierten helikalen Bereichen RNA-Moleküle chemisch anfälliger. Unter Einwirkung von Säuren oder Laugen werden die Hauptfragmente der Polymerkette P(O)-O-CH 2 leicht hydrolysiert, die Gruppen EIN, Verfügen über, g und C leichter abtrennen. Wenn es notwendig ist, monomere Fragmente (ähnlich wie in Abb. 9) zu erhalten, während chemisch gebundene Heterocyclen erhalten bleiben, werden zart wirkende Enzyme, sogenannte Ribonculeasen, verwendet.
Beteiligung von DNA und RNA an der Proteinsynthese
Ist eine der Hauptfunktionen von Nukleinsäuren. Proteine sind wesentliche Bestandteile jedes lebenden Organismus. Muskeln, innere Organe, Knochengewebe, Haut und Haare von Säugetieren bestehen aus Proteine... Dies sind polymere Verbindungen, die in einem lebenden Organismus aus verschiedenen Aminosäuren gewonnen werden. In einer solchen Anordnung spielen Nukleinsäuren eine kontrollierende Rolle, der Prozess läuft in zwei Stufen ab, wobei jeweils die gegenseitige Orientierung stickstoffhaltiger DNA- und RNA-Heterocyclen ausschlaggebend ist.
Die Hauptaufgabe der DNA besteht darin, die aufgezeichneten Informationen zu speichern und in dem Moment bereitzustellen, in dem die Proteinsynthese beginnt. In diesem Zusammenhang ist die erhöhte chemische Stabilität von DNA im Vergleich zu RNA verständlich. Die Natur hat große Sorgfalt darauf verwendet, grundlegende Informationen so intakt wie möglich zu halten.
In der ersten Stufe öffnet sich ein Teil der Doppelhelix, die freigesetzten Äste divergieren und in Gruppen EIN, T, g und C verfügbar geworden sind, beginnt die Synthese von RNA, die als Boten-RNA bezeichnet wird, da sie wie eine Kopie aus der Matrix die auf dem offenbarten DNA-Abschnitt aufgezeichneten Informationen genau wiedergibt. Gegenüber der Gruppe EIN zum DNA-Molekül gehört, gibt es ein Fragment der zukünftigen Boten-RNA mit der Gruppe Verfügen über, alle anderen Gruppen liegen einander gegenüber, genau so, wie es bei der Bildung einer DNA-Doppelhelix geschieht (Abb. 13).
Nach diesem Schema wird ein polymeres Boten-RNA-Molekül mit mehreren tausend Monomereinheiten gebildet.
In der zweiten Phase bewegt sich die Matrix-DNA vom Zellkern in den perinukleären Raum - das Zytoplasma. Für die resultierende Boten-RNA eignen sich die sogenannten Transport-RNAs, die verschiedene Aminosäuren tragen (transportieren). Jede Transport-RNA, beladen mit einer bestimmten Aminosäure, nähert sich einer genau bestimmten Region der Boten-RNA, der gewünschte Ort wird nach dem gleichen Prinzip der Gruppenkorrespondenz gefunden EIN
Ein wichtiges Detail ist, dass die zeitliche Interaktion von Botenstoff und Transport-RNA nur über drei Gruppen verläuft, beispielsweise zur Triade C-C-Verfügen über Matrixsäure, nur das entsprechende Triplett g-g-EIN Transport-RNA, die sicherlich die Aminosäure Glycin in sich trägt (Abb. 14). Ebenso für die Triade g-EIN-Verfügen über nur ein Satz kann näher kommen C-Verfügen über-EIN transportiert nur die Aminosäure Leucin. Somit zeigt die Reihenfolge der Gruppen in der Messenger-RNA an, in welcher Reihenfolge die Aminosäuren verknüpft werden sollten. Darüber hinaus enthält das System codierte zusätzliche regulatorische Regeln; einige Sequenzen aus drei Gruppen von Messenger-RNA weisen darauf hin, dass die Proteinsynthese an dieser Stelle stoppen sollte, d.h. das Molekül hat die erforderliche Länge erreicht.
Gezeigt in Abb. 14 Die Proteinsynthese findet unter Beteiligung einer weiteren statt - der dritten Art von RNA-Säuren, sie sind Teil der Ribosomen und werden daher als ribosomal bezeichnet. Das Ribosom, ein Ensemble spezifischer Proteine der ribosomalen RNA, sorgt für die Interaktion zwischen Boten- und Transport-RNA und fungiert als Förderband, das die Boten-RNA einen Schritt weiterbewegt, nachdem sich die beiden Aminosäuren verbunden haben.
Der Kernpunkt des zweistufigen Schemas in Abb. 13 und 14 besteht darin, dass die Polymerkette eines Proteinmoleküls aus verschiedenen Aminosäuren in einer geplanten Reihenfolge und streng nach dem Plan zusammengesetzt wird, der in codierter Form auf einem bestimmten DNA-Abschnitt aufgezeichnet wurde. Somit ist die DNA der Ausgangspunkt für diesen ganzen programmierten Prozess.
Im Prozess der lebenswichtigen Aktivität werden Proteine ständig verbraucht und daher regelmäßig nach dem beschriebenen Schema reproduziert. Die gesamte Synthese eines Proteinmoleküls, das aus Hunderten von Aminosäuren besteht, findet in einem lebenden Organismus innerhalb von etwa einer Minute statt.
Die ersten Studien zu Nukleinsäuren wurden in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts durchgeführt, die Erkenntnis, dass alle Informationen über einen lebenden Organismus in der DNA verschlüsselt sind, kam Mitte des 20 1953 von J. Watson und F. Crick auf der Grundlage von Daten Röntgenstrukturanalyse, die als größte wissenschaftliche Errungenschaft des 20. Jahrhunderts anerkannt wird. Mitte der 70er Jahre des 20. Jahrhunderts. Methoden zur Entschlüsselung der detaillierten Struktur von Nukleinsäuren erschienen, und dann wurden Methoden zu ihrer gezielten Synthese entwickelt. Heute sind bei weitem nicht alle Prozesse in lebenden Organismen unter Beteiligung von Nukleinsäuren klar, und es ist heute eines der sich am intensivsten entwickelnden Wissenschaftsgebiete.
Michail Levitsky
