Nukleinsyrer

fra Wikipedia, den frie encyklopedi
Hopp til navigasjon Hopp til søk

Nukleinsyrer , inkludert nukleinsyrer , [1] er makromolekyler som består av individuelle byggesteiner, nukleotidene , som inneholder den genetiske informasjonen [2] i alle organismer . Alternerende enkle sukkerarter og fosforsyreestere danner en kjede, med en nukleinbase festet til hvert sukker. I tillegg til proteiner , karbohydrater og lipider, danner nukleinsyrer den fjerde store gruppen av biomolekyler . Den mest kjente representanten som den grunnleggende typen nukleinsyrer er deoksyribonukleinsyre (DNA eller DNA); i alle levende vesener er dette lagringen av genetisk informasjon , bare i noen virus har ribonukleinsyre (RNS eller RNA) denne funksjonen i stedet. I tillegg til funksjonen som informasjonslagring, kan nukleinsyrene, som regnes som "livets nøkkelmolekyler" [2], også fungere som signaltransmittere eller katalysere biokjemiske reaksjoner ( ribozymer ).

historie

Friedrich Miescher

Nukleinsyren ble først beskrevet av den sveitsiske legen Friedrich Miescher i 1869 etter undersøkelsene hans i laboratoriet til det tidligere kjøkkenet på Tübingen slott . Han jobbet for grunnleggeren av biokjemi , Felix Hoppe-Seyler . Etter at Miescher ga opp forskningen sin på proteiner fordi de var for komplekse og mangfoldige, vendte han seg til studiet av cellekjerner . Funksjonen deres var helt ukjent den gangen. Han isolerte et stoff fra kjernene til hvite blodlegemer som skilte seg vesentlig fra proteiner på grunn av det høye fosforinnholdet . Han kalte den Nuclein fra det latinske ordet nucleus (core). Selv om Miescher kom veldig nær funksjonen til Nuclein , trodde han til slutt ikke at et enkelt stoff kunne være ansvarlig for arv.

"Hvis vi (...) ønsket å anta at et enkelt stoff (...) på en eller annen måte (...) er den spesifikke årsaken til befruktning, ville man utvilsomt først og fremst måtte tenke på kjernen."

- Friedrich Miescher (1874)

I 1885 kunngjorde Albrecht Kossel at en nitrogenrik base med molekylformelen C 5 H 5 N 5 var blitt isolert fra en stor mengde storfe i bukspyttkjertelen, som han foreslo navnet adenin , avledet fra det greske ordet "aden" for kjertel . [3] [4] I 1889 isolerte Richard Altmann en fosforholdig organisk syre, som han kalte nukleinsyre , fra kjernen i tillegg til en proteinlignende komponent. [5] I 1891 var Kossel i stand til å produsere gjærnukleinsyre (ved bruk av Altmanns metode) og påvise adenin og guanin som spaltningsprodukter. Det viste seg at et karbohydrat også måtte være en del av nukleinsyren. Kossel valgte navnet nukleobaser for grunnstoffene guanin og adenin samt deres derivater. [6] I 1893 rapporterte Kossel at han hadde fått nukleinsyre fra kalkkjertlene i kalven og skaffet seg et godt krystallisert spaltningsprodukt, som han foreslo navnet tymin for . I 1894 isolerte han et annet (grunnleggende) stoff fra tymuskjertlene. Kossel kalte denne nukleinbasen cytosin . [7]

Etter at strukturformlene for guanin og adenin som purinkroppen og for tymin som pyrimidinkroppen endelig ble avklart på slutten av 1800 -tallet - hovedsakelig gjennom syntesene til Emil Fischer - var Kossel og Hermann Steudel også i stand til å bestemme det strukturelle formelen for nukleinbasen cytosin som et pyrimidinkropp uten tvil. [8] I mellomtiden hadde det blitt vist at guanin, adenin samt tymin og cytosin kan finnes i alle levedyktige celler.

Kunnskapen om disse fire nukleobasene bør være av vesentlig betydning for strukturoppklaringen av DNA. Det var Albrecht Kossel som - sammen med karbohydrat og fosforsyre - tydelig karakteriserte dem som byggesteiner i nukleinsyre:

«Jeg klarte å få en rekke fragmenter [...] som er preget av en veldig særegen samling av nitrogenatomer. Det er her ved siden av hverandre [...] cytosinet, tyminet, adeninet og guaninet. "

- Albrecht Kossels nobelforelesning 12. desember 1910 [9]

Phoebus Levene foreslo en kjedelignende struktur av nukleinsyren. Han laget begrepet " nukleotid " for byggesteinene i nukleinsyre. I 1929 klarte han å identifisere sukkerinnholdet i den "animalske" nukleinsyren som deoksyribose . I det følgende ble det referert til som deoksyribonukleinsyre . Det ble anerkjent at deoksyribonukleinsyre også forekommer i plantecellekjerner.

I 1944 var Oswald Avery , Colin McLeod og Maclyn McCarty i stand til å bevise at nukleinsyrer er lagrene av genetisk informasjon og ikke - som tidligere antatt - proteiner.

Amerikaneren James Watson (* 1928) og engelske Francis Crick (1916-2004), Rosalind Franklin (1920-1958) og Maurice Wilkins (1916-2004) lyktes til slutt med å rydde opp i strukturen til deoksyribonukleinsyre. Watson, Crick og Wilkins mottok Nobelprisen i 1962.

I 1977 utviklet Frederick Sanger , så vel som Allan Maxam og Walter Gilbert , uavhengig av hverandre, metoder for hvordan rekkefølgen på nukleotidblokkene, sekvensen , kunne bestemmes. Kjedeavslutningsmetoden brukes nå i automatiserte prosesser for å sekvensere DNA.

konstruksjon

Nukleinsyre med fire kjedeledd

Kjemisk struktur

Nukleinsyrer er kjeder med nukleotider som lenker. Den sentrale delen av et nukleotid er det ringformede sukkermolekylet (på bildet i grått: ribosen). Hvis karbonatomene til dette sukkeret er nummerert med klokken fra 1 til 5, festes en nukleinbase (figur 1: rød, grønn, gul og blå) til C1 via en glykosidbinding . Ved C3 har en fosfatrest av det følgende nukleotidet (blått) dannet en esterbinding med OH -gruppen til sukkeret. En fosfatrest er også bundet til C4 i sukkeret via den andre av de to fosfodiesterbindinger .

I sin ubundne tilstand har fosforsyre tre sure hydrogenatomer (på OH -gruppene) som kan deles. I en nukleinsyre er to av de tre OH -gruppene forestret og kan derfor ikke lenger frigjøre noen protoner. Den tredje ubundne syrefunksjonen er ansvarlig for den sure karakteren som ga nukleinsyren navnet. Den kan fungere som en protondonor eller er deprotonert i cellen (negativ ladning på oksygenatomet). Under fysiologiske forhold ( pH 7) er nukleinsyren totalt sett en stor anion på grunn av dette negativt ladede oksygenatomet. Ved separering av nukleinsyrer i henhold til deres størrelse, kan derfor et elektrisk felt brukes, der nukleinsyrer generelt migrerer til anoden (se agarosegelelektroforese ).

Kjedene til nukleinsyrene er vanligvis uforgrenede (enten lineære eller lukkede i en ring, dvs. sirkulære). For unntak se for eksempel Okazaki -fragment , Holliday -struktur og kløverbladstruktur .

orientering

Strukturen deres gir nukleinsyren polaritet eller orientering i kjedebyggesteinsekvensen. Den har en 5' -ende (les: 5 -prime ende, engelsk fem prime ende), oppkalt etter C5 -atomet i sukkeret som en fosfatrest er bundet til, og en 3' -ende , hvor den frie OH -gruppen på C3 -atom fullfører kjeden. Vanligvis skriver man ned sekvenser, dvs. nukleotidsekvenser, som starter med 5' -enden mot 3' -enden. Polaritet er veldig viktig i organismer. For eksempel er det DNA -polymeraser som bare kan bygge opp en DNA -streng i 5 '→ 3' -retningen, og andre korrigerer feil inkorporerte nukleotider bare i 3' → 5 '-retningen.

Romlig struktur

Baseparring i en dobbelt tråd

Den romlige justeringen av nukleinsyrer kalles sekundær struktur. Mens den primære strukturen (sekvensen) lagrer informasjonen, bestemmer den sekundære strukturen størrelsen, holdbarheten og også tilgang til den lagrede informasjonen.

Den enkleste romlige strukturen er dobbeltstrengen. Her er to nukleinsyrekjeder vendt mot hverandre i motsatte retninger. De er koblet til hverandre via hydrogenbindinger mellom nukleobasene. En pyrimidinbase er parret med en purinbase , den type par som bestemmer stabiliteten til den doble tråden. Tre hydrogenbindinger dannes mellom guanin og cytosin , mens adenin og tymin bare er forbundet med to hydrogenbindinger (se figur 2). Jo høyere GC-innhold (andel guanin-cytosin-par), desto mer stabil er dobbeltstrengen og jo mer energi (varme) må brukes for å dele den i enkelttråder. En dobbeltstreng kan bestå av to forskjellige nukleinsyremolekyler eller bare et enkelt molekyl. På enden av dobbeltstrengen dannes det en sløyfe der kjeden "snur" slik at den motsatte orienteringen oppstår.

I DNA, som et resultat av de mange forskjellige bindingsvinklene , snor dobbeltstrengen seg rundt sin egen akse og danner en dobbel helix . Det er både venstre- og høyrehendte spiraler. Denne dobbeltstrengen, som er viklet rundt seg selv, kan deretter vrides enda lenger og vikle seg rundt andre strukturer som histoner (spesielle proteiner). Poenget med denne ytterligere flokeringen er å spare plass. Uvirvlet og strukket ut, ville DNAet til et enkelt menneskelig kromosom være omtrent 4 cm langt.

Naturlige nukleinsyrer

Nukleinsyrer finnes i alle levende organismer. Deres oppgave er blant annet å lagre den genetiske informasjonen, planen til den respektive organismen, å utveksle den med andre av sitt slag og å dele den med påfølgende generasjoner. I alle organismer er dette det DNA gjør. Bare noen virus ( retrovirus som HIV ) bruker det mindre stabile RNA som lagringsmedium. Men hypotetiske ribocytes, som forløperne til dagens cellulære organismer, kunne også ha hatt et RNA -genom i forhistoriske tider på jorden ( RNA verden hypotese), men det har ennå ikke vært noen bevis for dette. Det diskuteres også om livet begynte med en kimær DNA-RNA-nukleinsyre i stedet. [11] [12] I tillegg diskuteres også andre nukleinsyrer som forgjengerne til RNA eller DNA (XNA, se nedenfor).

Deoksyribonukleinsyre (DNA, DNA)

DNA har deoksyribose som en sukkerkomponent (derav navnet deoksyribonukleinsyre ), som bare skiller seg fra ribose ved mangel på en OH -gruppe på C2 -atomet. Reduksjonen av OH -gruppen til et enkelt H skjer ikke før slutten av nukleotidsyntesen. Deoksyribonukleotider oppstår dermed fra ribonukleotidene, RNA -byggesteinene. Forskjellen gjør imidlertid DNA kjemisk mye mer stabilt enn RNA (begrunnelse se avsnitt RNA) og så stabilt at det kan detekteres oppløst i sjøvann (1 ppb) og elvemunninger (opptil 44 ppb). Nukleobasene adenin, cytosin, guanin og tymin forekommer i DNA, sistnevnte er spesifikk for DNA. Til tross for det lille antallet på fire forskjellige grunnmoduler, kan mye informasjon lagres.

DNA i en eukaryot celle
Prøveberegning:
  1. Et stykke DNA som består av 4 mulige grunnleggende byggeklosser med en total lengde på 10 basepar resulterer i 4 10 = 1 048 576 mulige kombinasjoner
  2. Genomet av E. coli bakterien er omtrent 4 x 10 6 basepar. Siden det er 4 muligheter (A, C, G eller T) for et basepar, tilsvarer det 2 biter (2 2 = 4). Dette betyr at hele genomet har et informasjonsinnhold på 1 megabyte .

DNA er i form av en dobbel tråd som er viklet rundt seg selv for å danne en dobbel helix. Av de tre helix-typene som er identifisert ved røntgenstrukturanalyse , har bare B-DNA hittil blitt påvist in vivo . Det er en høyrehendt helix med en tonehøyde (lengden på helixen for en full sving) på 3,54 nm og 10 basepar og en diameter på 2,37 nm. Det er også den bredere A-helixen (pitch 2,53 nm; diameter 2, 55 nm) og den mer langstrakte Z-helixen (pitch 4,56 nm; diameter 1,84 nm). Hvis et gen som er kodet i DNA -en skal leses eller selve DNA -en skal dobles i løpet av celledelingen, blir spiralen vridd på en seksjon av enzymer ( topoisomeraser ) og dobbeltstrengen blir delt i enkeltstreng ( helikaser ).

Hos bakterier er DNA tilstede som et ringformet molekyl, mens det i eukaryoter har frie ender, de såkalte telomerer . Arten av DNA -replikasjonsmekanismen betyr at lineære DNA -molekyler forkortes med noen få basepar hver gang de dobles. Jo oftere en celle deler seg, jo kortere blir DNA. Dette har ingen konsekvenser med begrenset celledeling, siden det på slutten av en slik streng er korte sekvenser som gjentas flere tusen ganger. Så ingen genetisk informasjon går tapt. Forkortelsen kompenseres delvis av enzymet telomerase (bare i stamceller og kreftceller). Hvis lengden på de repeterende sekvensene ved enden av strengen faller under en viss lengde, deler cellen seg ikke lenger. Dette er en av årsakene til en begrenset levetid. Fordi bakterier har et sirkulært DNA -molekyl, forkorter de ikke tråden.

Ribonukleinsyre (RNA, RNA)

OH -gruppen på C2 -atomet til ribosen er ansvarlig for den lavere stabiliteten til RNA. Dette er fordi den, i likhet med OH -gruppen på C3 -atomet for normal kjededannelse, kan danne en kobling med fosfatresten. Hvis en slik transesterifisering skjer spontant, blir nukleinsyrekjeden avbrutt.

Strukturell formel
Cytosin
Strukturell formel
Uracil
Strukturell formel
Tymin

En annen forskjell er at tymin brukes i DNA, mens uracil brukes i RNA. Nukleiske baser i DNA kan bli kjemisk endret av oksidative forhold eller andre påvirkninger. Dette fører tidvis til deaminering (splittelse av en NH 2 -gruppe, en O = gruppe dannes i stedet). I en dobbeltstreng passer stedene for hydrogenbroer på de motsatte kjernebasene ikke lenger sammen og det oppstår en delvis splittelse. Enzymer kan kutte ut og erstatte eller reparere endrede nukleobaser. For å gjøre dette, bruk den andre, uendrede nukleinbasen som en mal. Hvis slik deaminering skjer med cytosin, produseres uracil. Hvis uracil også ofte ble funnet i DNA, ville et enzym ikke lenger kunne skille om uracil er feil nukleobase eller motsatt guanin (som tidligere var parret med cytosin). I dette tilfellet kan viktig informasjon endres og det kan oppstå en mutasjon. For å unngå denne forvirringen brukes ikke tymin i DNA, i prinsippet gjenkjennes og fjernes uracil i DNA av spesifikke enzymer, uracilglykosylasene. Enzymer kan perfekt gjenkjenne tymin på grunn av den ekstra metylgruppen, og det er derfor klart at hver uracil i DNA er en ødelagt cytosin. I RNA er denne risikoen for informasjonskorrupsjon ikke alvorlig, siden informasjon bare lagres her i kort tid og det ikke bare er ett RNA -molekyl av den respektive typen, men hundrevis. Hvis noen av dem er defekte, har dette ingen alvorlige effekter på hele organismen, da det er nok erstatninger.

varianter

Det er mange varianter av ovennevnte standard nukleinsyrer RNA og DNA. Noen av disse er av naturlig opprinnelse, men det er også utviklet varianter innenfor rammen av xenobiologi , hvis byggesteiner ved første øyekast ikke lenger er gjenkjennelige som ribo- (for RNA ) eller deoksyribonukleotider (for DNA ). I enkeltsaker er det fremdeles gjenstand for diskusjon den dag i dag om en bestemt variant forekommer i naturen (eller for eksempel skjedde i den innledende fasen av livet på jorden) eller ikke. I prinsippet kan alle tre delene av en nukleinsyre byggestein endres, dvs.

  • sukkerarter: xenonukleinsyrer (XNA) har en annen gruppe i stedet for ribose eller deoksyribose, som kan, men ikke trenger å være, et annet sukker eller sukkerderivat. Disse er blant andre:
  • fosfatgruppen
  • en kombinasjon av disse og andre spesielle modifikasjoner:
  • RNA forekommer i levende organismer som D RNA på - L RNA som såkalt.Spiegelmer kan imidlertid syntetiseres. Det samme gjelder analogt med DNA. L -DNA brytes ned langsommere av enzymer enn den naturlige formen, noe som gjør det interessant for farmasøytisk forskning . [18] [19]

Se også

litteratur

Individuelle bevis

  1. ^ Oppføring på nukleinsyrer. I: Römpp Online . Georg Thieme Verlag, åpnet 17. februar 2016.
  2. a b Ulrike Roll: nukleinsyrer. I: Werner E. Gerabek , Bernhard D. Haage, Gundolf Keil , Wolfgang Wegner (red.): Enzyklopädie Medizingeschichte. De Gruyter, Berlin / New York 2005, ISBN 3-11-015714-4 , s. 1060 f.; her: s. 1060.
  3. A. Kossel: Om en ny base fra dyrekroppen. Foredrag i rapporter fra German Chemical Society. Utgave 18, 1885, s. 79.
  4. ^ A. Kossel: Ytterligere bidrag til kjernen i cellekjernen. I: Journal of Physiological Chemistry. Bind 10, 1886, s. 248.
  5. ^ R. Altmann: Om nukleinsyrer. I: Arkiv for anatomi og fysiologi, Fysiologisk avdeling. Leipzig 1889, s. 524-536.
  6. A. Kossel: Om cellens kjemiske sammensetning. Foredrag. I: Arkiv for anatomi og fysiologi / fysiologisk avdeling 1891. s. 178.
  7. A. Kossel, A. Neumann: Om tymin, et spaltningsprodukt av nukleinsyre. I: Rapporter fra German Chemical Society. Bind 26, 1893, s. 2753; Fremstilling og spaltning av nukleinsyre (adenylsyre). Foredrag. I: Rapporter fra German Chemical Society. Bind 27, 1894, s. 2215; Om nukleinsyre og tyminsyre. I: Journal of Physiological Chemistry. Bind 22, 1896-97, s. 74.
  8. A. Kossel, H. Steudel: Videre undersøkelser på cytosin. I: Hoppe-Seylers journal for fysiologisk kjemi . Bind 38, 1903, s. 49.
  9. A. Kossel: Om den kjemiske sammensetningen av cellekjernen. Nobelforelesning 12. oktober 1910 i Stockholm. I: Munich Medical Weekly . Bind 58, 1911, s. 65.
  10. ^ P. Levene, E. London: Strukturen til tymonukleinsyre. I: Journal of Biological Chemistry . 1929. 83. s. 793-802.
  11. Ramanarayanan Krishnamurthy, Eddy I. Jiménez, Clémentine Gibard: prebiotisk Fosforylering og Samtidig Oligomerisering av deoksynukleosider for å danne DNA , i: Angewandte Chemie, desember 15, 2020 doi: 10,1002 / anie.202015910 . I tillegg:
  12. Jianfeng Xu, Václav Chmela, Nicholas J. Green, David A. Russell, Mikołaj J. Janicki, Robert W. Góra, Rafał Szabla, Andrew D. Bond & John D. Sutherland: Selektiv prebiotisk dannelsen av RNA pyrimidin og DNA purinnukleosider , i: Nature Volume 582, s. 60-66, 3. juni 2020, doi: 10.1038 / s41586-020-2330-9 . I tillegg:
  13. filippinske Aupy, Lucía Echevarría, Karima Relizani, Fedor Svinartchouk, Luis Garcia, Aurélie Goyenvalle et al. : Identifisere og unngå tcDNA-ASO sekvensspesifikk toksisitet for utvikling av DMD Exon 51 Hoppeterapi , i: Molecular Therapy-Nucleic Acids Volume 19, pp. 371–383, 6. mars 2020, online 26. november 2019, doi: 10.1016 / j.omtn.2019.11.020
  14. Pradeep S. Pallan, Damian Ittig, Annie Héroux, Zdzislaw Wawrzak, Christian J. Leumannb, Martin Egli: Krystallstruktur tricyklo-DNA: en uvanlig kompenserende endring av to tilstøtende ryggraden torsjons- vinkler , i: Chemical Communications, bind 7, 2008 , doi: 10.1039 / B716390H
  15. Damian Ittig, Anna-Barbara Gerber, Christian Joerg Leumann: Stillingsavhengig effekt på stabiliteten i tricyklo--DNA modifisert oligonukleotid tomannsboliger , i: Nucleic Acids Research 39 (1), s 373-380, Januar 2011,. Doi: 10,1093 / nar / gkq733 , PMID 20719742 , PMC 3017593 (gratis fulltekst)
  16. ^ Xiaolin Xiong et al. : SspABCD-SspE er et fosfortilingsfølende bakterielt forsvarssystem med brede antifagaktiviteter , i: Nature Microbiology Volume 5, s. 917–928, 6. april 2020, doi: 10.1038 / s41564-020-0700-6 , esp Fig. 1 . I tillegg:
  17. ^ Hao Yu et al. : DNA-ryggradsinteraksjoner påvirker sekvensspesifisiteten til DNA-svovelbindende domener: avsløringer fra strukturelle analyser , i: Nucleic Acids Research, bind 48, nr. 15, 4. september 2020, s. 8755-8766, doi: 10.1093 / nar / gkaa574
  18. ^ W. Purschke, F. Radtke, F. Kleinjung, S. Klussmann: A DNA Spiegelmer to stafylococcal enterotoxin B , in: Nucleic Acids Research. Bind 31, nr. 12, 2003, s. 3027-3032, doi: 10.1093 / nar / gkg413 , PMID 12799428
  19. Gosuke Hayashi, Masaki Hagihara, Kazuhiko Nakatani: Anvendelse av L-DNA som en molekylær tag, i: Nucleic Acids Symposium Series, vol 49, nr 1, 2005, pp 261-262,. Doi: 10,1093 / nass / 49,1. 261 , PMID 17150733