Die Elemente der Nukleinsäuren

Die Elemente der Nukleinsäuren fungieren als Blaupausen für das Leben und können die genetische Information enthalten, die in Proteine übersetzt wird. Die Nukleinsäuren bestehen aus fünf Hauptelementen: Phosphor, Stickstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff und Wasserstoff.

Wie verbinden sich diese Elemente zu den Nukleinsäuren und welche Funktionen haben sie?

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Was sind die Nukleinsäuren?

Die Nukleinsäuren sind Makromoleküle, die die für das Leben notwendige Erbinformation enthalten. Sie werden vom Elternteil an das Kind weitergegeben und kodieren die Proteine, die zur Schaffung funktionierender Organismen, Gewebe und Zellen benötigt werden. Es gibt zwei verschiedene Arten von Nukleinsäuren: Ribonukleinsäure (RNA) und Desoxyribonukleinsäure (DNA). DNA ist die Form der Nukleinsäure, die allen Lebewesen gemeinsam ist; Alle Pflanzen, Tiere und sogar einzellige Bakterien haben DNA. RNA wird als primäre Methode zur Speicherung von genetischem Material in einigen Viren verwendet, aber Wissenschaftler betrachten diese Viren normalerweise nicht als lebendig.

„Die gesamte heutige DNA, die durch alle Zellen der Erde gespannt ist, ist einfach eine Erweiterung und Ausarbeitung des ersten Moleküls.“ – Lewis Thomas

Die DNA einer Zelle befindet sich im Zellkern und in einigen anderen Arten von Organellen wie den Mitochondrien einer Zelle. (Dies gilt für Eukaryoten, aber Prokaryoten haben DNA, die nicht wie ein Kern in einer Membran eingeschlossen ist). Die DNA ist in lange Stücke unterteilt, die Chromosomen genannt werden, und jedes Chromosom enthält wiederum Tausende von Genen. Jedes der Gene enthält spezifische Anweisungen, wie die Proteine hergestellt werden, die die Zelle benötigt.

Bei der Herstellung von Proteinen kommt RNA ins Spiel. Es gibt mehrere Arten von RNA: Boten-RNA (mRNA), ribosomale RNA (rRNA) und Transfer-RNA (tRNA). Die Aufgabe der Boten-RNA besteht darin, eine Kopie der DNA-Kette zu bilden, um ein Transkript davon zu erstellen. Die mRNA tut dies, indem sie die Molekülketten der DNA liest und sich zu einer Kopie der DNA-Sequenz formt. Die tRNA ist verantwortlich für die Übertragung von Aminosäuren zu den Ribosomen, so dass Proteine synthetisiert werden können, während die rRNA hilft, die Ribosomen selbst zu erstellen.

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Was sind Nukleotide und stickstoffhaltige Basen?

Foto: Von Madprime (Diskussion · Beiträge) – Eigene ArbeitDer Quellcode dieser SVG ist gültig.Diese Vektorgrafik wurde mit Inkscape erstellt., CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1848174

Sowohl DNA als auch RNA sind Polymere, dh komplexe Moleküle, die aus einfacheren Monomeren bestehen. Die komplexen Polymere, die DNA bildet, werden als Nukleotide bezeichnet, und die Kombination von Nukleotiden erzeugt Polynukleotide. Jedes Nukleotid hat die gleiche Struktur: einen Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen, eine Phosphatgruppe und eine Stickstoffringstruktur, die als stickstoffhaltige Base bezeichnet wird. Das Zuckermolekül befindet sich im Zentrum des Nukleotids, während die Kohlenstoffe und Phosphatgruppen an seine Punkte gebunden sind.

„Der Versuch, unsere DNA zu lesen, ist wie der Versuch, Softwarecode zu verstehen – mit nur 90% des Codes voller Fehler. In diesem Fall ist es sehr schwierig zu verstehen und vorherzusagen, was dieser Softwarecode tun wird.“ – Elon Musk

Die stickstoffhaltigen Basen der Nukleotide sind Moleküle auf Kohlenstoffbasis in Ringstrukturen. Es gibt vier stickstoffhaltige Basen, aus denen die DNA-Struktur besteht: Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin. Diese werden als A, T, G bzw. C abgekürzt. Sowohl Guanin als auch Adenin werden als Purine bezeichnet, was bedeutet, dass ihre Strukturen zwei Kohlenstoff-Stickstoff-Ringe aufweisen, die miteinander verschmolzen sind. Im Gegensatz dazu werden Thymin und Cytosin Pyrimidine genannt und beide haben einen Stickstoff-Kohlenstoff-Ring.

Foto: _Image modifiziert von „Nucleic acids: Figure 1“, von OpenStax College, Biology (CC BY 3.0)._ via Khan Academy

Unterschiede zwischen RNA und DNA

RNA ist anders strukturiert als DNA. RNA hat auch Adenin, Cytosin und Guanin wie DNA, aber im Gegensatz zu DNA hat es kein Thymin. RNA hat stattdessen eine andere Pyrimidinbase: Uracil (U).

Es gibt auch andere Unterschiede zwischen RNA und DNA. DNA und RNA haben leicht unterschiedliche Zucker zusätzlich zu verschiedenen Basen. Der Zucker in der RNA wird als Ribose bezeichnet, während der Zucker in der DNA Desoxyribose genannt wird. Die beiden Zucker haben sehr ähnliche Strukturen, aber sie unterscheiden sich in einer wichtigen Weise. Der zweite Kohlenstoff, der in Ribose gefunden wird, hat eine Hydroxylgruppe, während der äquivalente Kohlenstoff von Desoxyribose stattdessen Wasserstoff enthält. Die Zucker befinden sich in einer zentralen Position in Nukleotiden, während die Basen mit der 1′-Kohlenstoffposition verbunden sind und das Phosphat mit der 5′-Kohlenstoffposition verbunden ist.

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Die Phosphatgruppe

Nukleotide können eine einzelne Phosphatgruppe oder mehrere Phosphatgruppen aufweisen. Nukleotide können bis zu drei Phosphatgruppen aufweisen, die mit dem Kohlenstoff 5′-Zucker verbunden sind. Es gibt einige Streitigkeiten darüber, was als Nukleotid zählt, da einige Quellen den Begriff Nukleotid nur für Basen verwenden, die mit einer einzelnen Phosphatgruppe gepaart sind. Es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass, wenn RNA- und DNA-Ketten zusammenfügen, sie zwei Phosphatgruppen verlieren, also wenn es eine Kette von RNA- oder DNA-Molekülen gibt, besitzen die Nukleotide in ihnen nur eine Phosphatgruppe.

Nachdem wir uns nun die Struktur des Nukleinsäuremoleküls angesehen haben, können wir diskutieren, aus welchen Molekülen diese Strukturen bestehen.

Wie die verschiedenen Moleküle die Nukleinsäuren zusammensetzen

Die fünf verschiedenen Moleküle, aus denen Nukleinsäuren bestehen (Kohlenstoff, Stickstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Phosphor), bilden jeweils spezifische Teile des DNA- oder RNA-Moleküls.

Kohlenstoffmoleküle sind ein extrem wichtiges Element von Nukleotiden. Sie bilden den Zucker, der im Nukleinsäurerückgrat der Moleküle gefunden wird, und sie helfen auch, die stickstoffhaltigen Basen des Nukleotids zu schaffen. Stickstoffmoleküle bilden sowohl Purine als auch Pyrimidine, verschiedene Arten von Aminosäuren. Die Aminosäuregruppen haben Wasserstoffbrückenbindungen zwischen ihnen, und diese Bindungen bedeuten, dass die Basenpaare in den Nukleinsäuresträngen miteinander verbunden bleiben.

„DNA ist das Familiengeschichtsbuch, mit dem du dein ganzes Leben lang herumgelaufen bist!“ – Blaine T. Bettinger

Wasserstoffmoleküle bleiben an die Sauerstoff- und Kohlenstoffatome gebunden, die zwischen den stickstoffhaltigen Basen und Zuckern der Nukleinsäuren existieren. Die Wasserstoff-Stickstoff-Bindungen der stickstoffhaltigen Basen sind polar und lassen Wasserstoffbindungen zwischen Nukleinsäuresträngen entstehen. Auf diese Weise erhält die DNA ihre Doppelhelixbildung, da die beiden DNA-Stränge durch die Wasserstoffbrückenbindungen in den Basenpaaren miteinander verbunden sind. Es gibt auch Sauerstoffmoleküle in den Nukleotiden. Die Sauerstoffatome befinden sich in mehreren Teilen des Nukleotids: dem Zucker, den stickstoffhaltigen Basen und den Phosphaten. RNA und DNA haben unterschiedliche Zuckerstrukturen. RNA hat vier Hydroxyl (OH) -Gruppen, während Desoxyribose reinen Wasserstoff hat, der eine der OH-Gruppen ersetzt, daher das „Desoxy“ in DNA.

Phosphormoleküle bilden die Phosphatgruppen in den Nukleotiden. Sie bestehen sowohl aus Sauerstoff- als auch aus Phosphormolekülen. Die Existenz dieser Phosphorgruppen ist wichtig, weil sie die Zucker verschiedener Nukleotide miteinander verbinden lassen, um ein Polymer zu bilden.

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