DNA (Desoxyribonukleinsäure) ist einer der wichtigsten Bestandteile lebender Materie. Durch sie erfolgt die Bewahrung und Weitergabe von Erbinformationen von Generation zu Generation mit der Möglichkeit der Variabilität innerhalb gewisser Grenzen. Ohne eine DNA-Matrix wäre die Synthese aller für ein lebendes System notwendigen Proteine nicht möglich. Im Folgenden betrachten wir die Struktur, Bildung, grundlegende Funktionsweise und die Rolle der DNA in der Proteinbiosynthese.
Die Struktur des DNA-Moleküls
Desoxyribonukleinsäure ist ein Makromolekül, das aus zwei Strängen besteht. Seine Struktur hat mehrere Organisationsebenen.
Die Primärstruktur der DNA-Kette ist eine Sequenz von Nukleotiden, die jeweils eine der vier stickstoffh altigen Basen enth alten: Adenin, Guanin, Cytosin oder Thymin. Ketten entstehen, wenn der Desoxyribosezucker eines Nukleotids mit dem Phosphatrest eines anderen verbunden wird. Dieser Prozess wird unter Beteiligung eines Proteinkatalysators - DNA-Ligase - durchgeführt
- Die Sekundärstruktur der DNA ist die sogenannte Doppelhelix (genauer gesagt eine Doppelschraube). Gründe sind in der Lagewie folgt miteinander verbinden: Adenin und Thymin bilden eine doppelte Wasserstoffbrücke, und Guanin und Cytosin bilden ein Tripel. Diese Eigenschaft liegt dem Prinzip der Basenkomplementarität zugrunde, wonach Ketten miteinander verbunden sind. In diesem Fall kommt es zu einer spiralförmigen (häufiger nach rechts gerichteten) Verdrillung der Doppelkette.
- Eine Tertiärstruktur ist eine komplexe Konformation eines riesigen Moleküls, die durch zusätzliche Wasserstoffbrücken entsteht.
- Die Quartärstruktur wird in Kombination mit bestimmten Proteinen und RNA gebildet und ist die Art und Weise, wie DNA im Zellkern verpackt wird.
DNA-Funktionen
Lassen Sie uns die Rolle betrachten, die DNA in lebenden Systemen spielt. Dieses Biopolymer ist eine Matrix, die eine Aufzeichnung der Struktur verschiedener Proteine, der vom Körper benötigten RNA sowie verschiedener Arten von regulatorischen Stellen enthält. Im Allgemeinen bilden all diese Komponenten das genetische Programm des Körpers.
Durch die DNA-Biosynthese wird das genetische Programm an die nächsten Generationen weitergegeben, wodurch die Vererbung lebenswichtiger Informationen sichergestellt wird. DNA kann mutieren, wodurch die Variabilität lebender Organismen einer biologischen Art entsteht und infolgedessen der Prozess der natürlichen Selektion und die Evolution lebender Systeme möglich ist.
Während der sexuellen Fortpflanzung wird die DNA eines nachkommenden Organismus durch die Kombination väterlicher und mütterlicher Erbinformationen gebildet. Kombiniert ergeben sich verschiedene Variationen, was ebenfalls zur Variabilität beiträgt.
Wie das genetische Programm reproduziert wird
Aufgrund der komplementären Struktur ist eine Matrix-Selbstreproduktion des DNA-Moleküls möglich. In diesem Fall werden die darin enth altenen Informationen kopiert. Die Vervielfältigung eines Moleküls zur Bildung von zwei Tochter-Doppelhelixen wird als DNA-Replikation bezeichnet. Dies ist ein komplexer Prozess, der viele Komponenten umfasst. Aber mit einer gewissen Vereinfachung lässt es sich als Diagramm darstellen.
Die Replikation wird durch einen speziellen Enzymkomplex in bestimmten Bereichen der DNA initiiert. Gleichzeitig entwindet sich die Doppelkette und bildet eine Replikationsgabel, in der der Prozess der DNA-Biosynthese stattfindet – der Aufbau komplementärer Nukleotidsequenzen auf jeder der Ketten.
Merkmale des Replikationskomplexes
Die Replikation verläuft auch unter Beteiligung eines komplexen Satzes von Enzymen - Replisomen, in denen die DNA-Polymerase die Hauptrolle spielt.
Eine der Ketten im Verlauf der DNA-Biosynthese ist führend und wird kontinuierlich gebildet. Die Bildung eines nacheilenden Strangs erfolgt durch Anhängen kurzer Sequenzen - Okazaki-Fragmente. Diese Fragmente werden unter Verwendung von DNA-Ligase ligiert. Ein solches Verfahren wird als halbkontinuierlich bezeichnet. Darüber hinaus wird es als semikonservativ bezeichnet, da in jedem der neu gebildeten Moleküle eine der Ketten der Elternteil und die zweite die Tochter ist.
Die DNA-Replikation ist einer der Schlüsselschritte bei der Zellteilung. Dieser Prozess liegt der Übertragung von Erbinformationen auf die neue Generation sowie dem Wachstum des Organismus zugrunde.
Was sind Proteine
Protein istdas wichtigste Funktionselement in den Zellen aller lebenden Organismen. Sie erfüllen katalytische, strukturelle, regulatorische, signalgebende, schützende und viele andere Funktionen.
Ein Proteinmolekül ist ein Biopolymer, das aus einer Sequenz von Aminosäureresten besteht. Es ist wie Nukleinsäuremoleküle durch das Vorhandensein mehrerer Ebenen der strukturellen Organisation gekennzeichnet - von primär bis quartär.
Es gibt 20 verschiedene (kanonische) Aminosäuren, die von lebenden Systemen verwendet werden, um eine große Vielf alt an Proteinen aufzubauen. Eiweiß wird in der Regel nicht selbst synthetisiert. Die führende Rolle bei der Bildung eines komplexen Proteinmoleküls gehört Nukleinsäuren - DNA und RNA.
Die Essenz des genetischen Codes
Die DNA ist also eine Informationsmatrix, die Informationen über die Proteine speichert, die der Körper braucht, um zu wachsen und zu leben. Proteine sind aus Aminosäuren aufgebaut, DNA (und RNA) aus Nukleotiden. Bestimmte Nukleotidsequenzen des DNA-Moleküls entsprechen bestimmten Aminosäuresequenzen bestimmter Proteine.
Es gibt 20 Arten von Proteinstruktureinheiten – kanonische Aminosäuren – in einer Zelle und 4 Arten von Nukleotiden in der DNA. Jede Aminosäure wird also als Kombination von drei Nukleotiden auf die DNA-Matrix geschrieben – ein Triplett, dessen Schlüsselkomponenten stickstoffh altige Basen sind. Dieses Korrespondenzprinzip wird als genetischer Code bezeichnet, und Basentripletts werden als Codons bezeichnet. Gen isteine Sequenz von Codons, die eine Aufzeichnung eines Proteins und einige Dienstkombinationen von Basen enthält - ein Startcodon, ein Stopcodon und andere.
Einige Eigenschaften des genetischen Codes
Der genetische Code ist fast universell - mit sehr wenigen Ausnahmen ist er in allen Organismen gleich, von Bakterien bis zum Menschen. Dies zeugt erstens von der Beziehung aller Lebensformen auf der Erde und zweitens von der Antike des Codes selbst. Wahrscheinlich bildeten sich in den frühen Stadien der Existenz primitiven Lebens ziemlich schnell verschiedene Versionen des Codes, aber nur eine erhielt einen evolutionären Vorteil.
Außerdem ist es spezifisch (eindeutig): verschiedene Aminosäuren werden nicht von demselben Triplett kodiert. Auch der genetische Code ist durch Degeneration oder Redundanz gekennzeichnet – mehrere Codons können derselben Aminosäure entsprechen.
Genetische Aufzeichnungen werden kontinuierlich gelesen; Die Funktionen von Satzzeichen werden auch von Basentripletts ausgeführt. Im genetischen "Text" gibt es in der Regel keine überlappenden Einträge, aber auch hier gibt es Ausnahmen.
Funktionale Einheiten der DNA
Die Gesamtheit aller Erbsubstanz eines Organismus wird als Genom bezeichnet. Somit ist die DNA der Träger des Genoms. Die Zusammensetzung des Genoms umfasst nicht nur Strukturgene, die bestimmte Proteine kodieren. Ein erheblicher Teil der DNA enthält Regionen mit unterschiedlichen funktionellen Zwecken.
DNS enthält also:
- regulatorischSequenzen, die spezifische RNAs codieren, wie genetische Sch alter und Regulatoren der strukturellen Genexpression;
- Elemente, die den Transkriptionsprozess regulieren - das Anfangsstadium der Proteinbiosynthese;
- Pseudogene sind eine Art "fossile Gene", die aufgrund von Mutationen ihre Fähigkeit verloren haben, ein Protein zu kodieren oder transkribiert zu werden;
- mobile genetische Elemente - Regionen, die sich innerhalb des Genoms bewegen können, wie z. B. Transposons ("springende Gene");
- Telomere sind spezielle Regionen an den Enden der Chromosomen, dank denen die DNA in den Chromosomen bei jedem Replikationsereignis vor Verkürzung geschützt wird.
Beteiligung der DNA an der Proteinbiosynthese
DNA ist in der Lage, eine stabile Struktur zu bilden, deren Schlüsselelement die komplementäre Verbindung stickstoffh altiger Basen ist. Der DNA-Doppelstrang sorgt zum einen für die vollständige Vervielfältigung des Moleküls und zum anderen für das Ablesen einzelner DNA-Abschnitte bei der Proteinsynthese. Dieser Vorgang wird Transkription genannt.
Während der Transkription wird ein Abschnitt der DNA, der ein bestimmtes Gen enthält, entdrillt, und auf einer der Ketten - der Matrizenkette - wird ein RNA-Molekül als Kopie der zweiten Kette synthetisiert, die als kodierende Kette bezeichnet wird. Auch diese Synthese beruht auf der Eigenschaft von Basen, komplementäre Paare zu bilden. An der Synthese sind nichtkodierende Serviceregionen der DNA und das Enzym RNA-Polymerase beteiligt. RNA dient bereits als Vorlage für die Proteinsynthese, DNA ist am weiteren Prozess nicht beteiligt.
Umgekehrte Transkription
Lange Zeit glaubte man, dass die MatrixDas Kopieren von Erbinformationen kann nur in eine Richtung gehen: DNA → RNA → Protein. Dieses Schema wurde als das zentrale Dogma der Molekularbiologie bezeichnet. Im Laufe der Forschung wurde jedoch festgestellt, dass es in manchen Fällen möglich ist, von RNA auf DNA zu kopieren – die sogenannte reverse Transkription.
Die Fähigkeit, genetisches Material von RNA auf DNA zu übertragen, ist charakteristisch für Retroviren. Ein typischer Vertreter solcher RNA-h altiger Viren ist das Human Immunodeficiency Virus. Die Integration des viralen Genoms in die DNA einer infizierten Zelle erfolgt unter Beteiligung eines speziellen Enzyms - Reverse Transkriptase (Revertase), das als Katalysator für die DNA-Biosynthese auf einer RNA-Vorlage wirkt. Revertase ist auch Teil des Viruspartikels. Das neu gebildete Molekül wird in die zelluläre DNA integriert und dient dort zur Produktion neuer Viruspartikel.
Was ist menschliche DNA
Menschliche DNA, die im Zellkern enth alten ist, ist in 23 Chromosomenpaare gepackt und enthält etwa 3,1 Milliarden gepaarte Nukleotide. Zusätzlich zur Kern-DNA enth alten menschliche Zellen, wie andere eukaryotische Organismen, mitochondriale DNA, ein Faktor bei der Vererbung von mitochondrialen Zellorganellen.
Kodierende Gene der Kern-DNA (es gibt 20.000 bis 25.000 davon) machen nur einen kleinen Teil des menschlichen Genoms aus - etwa 1,5%. Der Rest der DNA wurde früher als "Junk" bezeichnet, aber zahlreiche Studien zeigen die bedeutende Rolle der nicht-kodierenden Regionen des Genoms, die oben diskutiert wurden. Es ist auch äußerst wichtig, die Prozesse zu studierenReverse Transkription in menschlicher DNA.
Die Wissenschaft hat bereits ein ziemlich klares Verständnis davon entwickelt, was menschliche DNA in struktureller und funktioneller Hinsicht ist, aber die weitere Arbeit von Wissenschaftlern auf diesem Gebiet wird neue Entdeckungen und neue biomedizinische Technologien bringen.
