Nukleinsäuren spielen eine wichtige Rolle in der Zelle und sorgen für ihre lebenswichtige Aktivität und Reproduktion. Diese Eigenschaften machen es möglich, sie nach Proteinen als die zweitwichtigsten biologischen Moleküle zu bezeichnen. Viele Forscher setzen DNA und RNA sogar an die erste Stelle, was ihre Hauptbedeutung für die Entwicklung des Lebens impliziert. Dennoch sind sie dazu bestimmt, hinter Proteinen den zweiten Platz einzunehmen, denn die Grundlage des Lebens ist eben das Polypeptidmolekül.
Nukleinsäuren sind eine andere Ebene des Lebens, viel komplexer und interessanter, da jede Art von Molekül eine bestimmte Aufgabe erfüllt. Dies sollte genauer untersucht werden.
Das Konzept der Nukleinsäuren
Alle Nukleinsäuren (DNA und RNA) sind biologisch heterogene Polymere, die sich in der Anzahl der Ketten unterscheiden. DNA ist ein doppelsträngiges Polymermolekül, das enthältgenetische Information eukaryotischer Organismen. Zirkuläre DNA-Moleküle können die Erbinformation einiger Viren enth alten. Dies sind HIV und Adenoviren. Es gibt auch 2 spezielle Arten von DNA: Mitochondrien und Plastiden (in Chloroplasten gefunden).
RNA hingegen hat viel mehr Typen, aufgrund der unterschiedlichen Funktionen der Nukleinsäure. Es gibt Kern-RNA, die die Erbinformationen von Bakterien und den meisten Viren, Matrix (oder Boten-RNA), Ribosomen und Transport enthält. Sie alle sind entweder an der Speicherung von Erbinformationen oder an der Genexpression beteiligt. Es ist jedoch notwendig, genauer zu verstehen, welche Funktionen Nukleinsäuren in der Zelle erfüllen.
Doppelsträngiges DNA-Molekül
Diese Art von DNA ist ein perfektes Speichersystem für Erbinformationen. Ein doppelsträngiges DNA-Molekül ist ein einzelnes Molekül, das aus heterogenen Monomeren besteht. Ihre Aufgabe ist es, Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Nukleotiden einer anderen Kette zu bilden. Das DNA-Monomer selbst besteht aus einer stickstoffh altigen Base, einem Orthophosphatrest und einer Monosaccharid-Desoxyribose mit fünf Kohlenstoffatomen. Je nachdem, welche Art von stickstoffh altiger Base einem bestimmten DNA-Monomer zugrunde liegt, hat es seinen eigenen Namen. Arten von DNA-Monomeren:
- Desoxyribose mit einem Orthophosphatrest und einer stickstoffh altigen Adenylbase;
- stickstoffh altige Thymidinbase mit Desoxyribose und einem Orthophosphatrest;
- Cytosinstickstoffbase, Desoxyribose und Orthophosphatrest;
- Orthophosphat mit Desoxyribose und einem stickstoffh altigen Guaninrest.
Um das DNA-Strukturschema zu vereinfachen, wird der Adenylrest als "A", der Guaninrest als "G", der Thymidinrest als "T" und der Cytosinrest als "C" bezeichnet ". Es ist wichtig, dass die genetische Information vom doppelsträngigen DNA-Molekül auf die Boten-RNA übertragen wird. Es gibt nur wenige Unterschiede: Hier gibt es als Kohlenhydratrest nicht Desoxyribose, sondern Ribose, und statt der Stickstoffbase Thymidyl kommt Uracil in der RNA vor.
Struktur und Funktionen der DNA
DNA ist nach dem Prinzip eines biologischen Polymers aufgebaut, bei dem je nach genetischer Information der Mutterzelle eine Kette nach vorgegebener Vorlage vorab angelegt wird. DNA-Nukleotide sind hier durch kovalente Bindungen verbunden. An die Nukleotide des einzelsträngigen Moleküls werden dann nach dem Prinzip der Komplementarität weitere Nukleotide angehängt. Wenn in einem einzelsträngigen Molekül der Anfang durch das Nukleotid Adenin dargestellt wird, dann entspricht es in der zweiten (komplementären) Kette Thymin. Guanin ist komplementär zu Cytosin. So entsteht ein doppelsträngiges DNA-Molekül. Es befindet sich im Zellkern und speichert Erbinformationen, die durch Codons - Nukleotidtripletts - codiert sind. Doppelsträngige DNA-Funktionen:
- Erh altung der von der Elternzelle erh altenen Erbinformationen;
- Genexpression;
- Vorbeugung von Mutationsveränderungen.
Die Bedeutung von Proteinen und Nukleinsäuren
Es wird angenommen, dass die Funktionen von Proteinen und Nukleinsäuren gemeinsam sind, nämlich:sie sind an der Genexpression beteiligt. Die Nukleinsäure selbst ist ihr Speicherort, und das Protein ist das Endergebnis des Ablesens von Informationen aus dem Gen. Das Gen selbst ist ein in ein Chromosom verpackter Abschnitt eines integralen DNA-Moleküls, in dem mittels Nukleotiden Informationen über die Struktur eines bestimmten Proteins gespeichert sind. Ein Gen kodiert für die Aminosäuresequenz nur eines Proteins. Es ist das Protein, das die Erbinformation implementiert.
Klassifizierung von RNA-Typen
Die Funktionen von Nukleinsäuren in der Zelle sind sehr vielfältig. Und bei RNA sind sie am zahlreichsten. Allerdings ist diese Multifunktionalität noch relativ, denn eine Art von RNA ist für eine der Funktionen verantwortlich. In diesem Fall gibt es folgende Arten von RNA:
- nukleare RNA von Viren und Bakterien;
- Matrix (Information) RNA;
- ribosomale RNA;
- messenger-RNA-Plasmid (Chloroplasten);
- ribosomale RNA aus Chloroplasten;
- mitochondriale ribosomale RNA;
- mitochondriale Boten-RNA;
- RNA übertragen.
RNA-Funktionen
Diese Klassifikation enthält mehrere Arten von RNA, die je nach Standort unterteilt werden. Aus funktioneller Sicht sollten sie jedoch nur in 4 Typen unterteilt werden: nuklear, informativ, ribosomal und Transport. Die Funktion der ribosomalen RNA ist die Proteinsynthese basierend auf der Nukleotidsequenz der Boten-RNA. DabeiAminosäuren werden mittels einer Transport-Ribonukleinsäure an die ribosomale RNA „gebracht“, an die Boten-RNA „aufgefädelt“. So läuft die Synthese in jedem Organismus ab, der Ribosomen hat. Die Struktur und Funktionen von Nukleinsäuren sorgen sowohl für die Erh altung des genetischen Materials als auch für die Schaffung von Proteinsyntheseprozessen.
Mitochondriale Nukleinsäuren
Wenn fast alles über die Funktionen von Nukleinsäuren im Zellkern oder Zytoplasma in der Zelle bekannt ist, dann gibt es noch wenig Informationen über mitochondriale und plastidäre DNA. Auch hier wurden spezifische ribosomale und Boten-RNAs gefunden. Nukleinsäuren DNA und RNA sind hier selbst in den meisten autotrophen Organismen vorhanden.
Vielleicht ist die Nukleinsäure durch Symbiogenese in die Zelle gelangt. Dieser Weg wird von Wissenschaftlern aufgrund fehlender alternativer Erklärungen als der wahrscheinlichste angesehen. Der Prozess wird wie folgt betrachtet: Ein symbiotisches autotrophes Bakterium gelangte zu einem bestimmten Zeitpunkt in die Zelle. Dadurch lebt diese kernfreie Zelle im Inneren der Zelle und versorgt diese mit Energie, baut sich aber nach und nach ab.
In den Anfangsstadien der evolutionären Entwicklung bewegte wahrscheinlich ein symbiotisches nicht-nukleares Bakterium Mutationsprozesse in den Kern der Wirtszelle. Dadurch konnten die Gene, die für die Speicherung von Informationen über die Struktur von mitochondrialen Proteinen verantwortlich sind, in die Nukleinsäure der Wirtszelle eingebracht werden. Welche Funktionen in der Zelle werden jedoch vorerst von Nukleinsäuren mitochondrialen Ursprungs erfüllt,nicht viele Informationen.
Wahrscheinlich werden einige Proteine in den Mitochondrien synthetisiert, deren Struktur noch nicht durch die nukleäre DNA oder RNA des Wirts kodiert ist. Es ist auch wahrscheinlich, dass die Zelle nur deshalb einen eigenen Mechanismus der Proteinsynthese benötigt, weil viele Proteine, die im Zytoplasma synthetisiert werden, die Doppelmembran der Mitochondrien nicht passieren können. Gleichzeitig produzieren diese Organellen Energie, und daher reicht es, wenn es einen Kanal oder einen spezifischen Träger für das Protein gibt, für die Bewegung von Molekülen und gegen den Konzentrationsgradienten.
Plasmid-DNA und -RNA
Plastiden (Chloroplasten) besitzen ebenfalls eine eigene DNA, die wahrscheinlich für die Umsetzung ähnlicher Funktionen verantwortlich ist, wie dies bei mitochondrialen Nukleinsäuren der Fall ist. Es hat auch seine eigene ribosomale, Boten- und Transfer-RNA. Darüber hinaus sind Plastiden nach der Anzahl der Membranen und nicht nach der Anzahl der biochemischen Reaktionen komplizierter. Es kommt vor, dass viele Plastiden 4 Membranschichten haben, was von Wissenschaftlern auf unterschiedliche Weise erklärt wird.
Eines ist offensichtlich: Die Funktionen von Nukleinsäuren in der Zelle sind noch nicht vollständig erforscht. Welche Bedeutung das mitochondriale Proteinsynthesesystem und das analoge Chloroplastensystem haben, ist nicht bekannt. Es ist auch nicht ganz klar, warum Zellen mitochondriale Nukleinsäuren benötigen, wenn Proteine (offensichtlich nicht alle) bereits in Kern-DNA (oder RNA, je nach Organismus) kodiert sind. Obwohl einige Tatsachen uns zu der Annahme zwingen, dass das proteinsynthetisierende System der Mitochondrien und Chloroplasten für die gleichen Funktionen wie verantwortlich istund DNA des Zellkerns und RNA des Zytoplasmas. Sie speichern Erbinformationen, reproduzieren sie und geben sie an Tochterzellen weiter.
Lebenslauf
Es ist wichtig zu verstehen, welche Funktionen Nukleinsäuren nukleären, plastidären und mitochondrialen Ursprungs in der Zelle erfüllen. Dies eröffnet viele Perspektiven für die Wissenschaft, denn der symbiotische Mechanismus, nach dem viele autotrophe Organismen entstanden sind, lässt sich heute nachvollziehen. Dadurch wird es möglich, einen neuen Zelltyp zu gewinnen, vielleicht sogar einen menschlichen. Obwohl es noch zu früh ist, um über die Aussichten für die Einführung von Multimembran-Plastidenorganellen in Zellen zu sprechen.
Viel wichtiger ist es zu verstehen, dass Nukleinsäuren für fast alle Prozesse in einer Zelle verantwortlich sind. Dies ist sowohl die Proteinbiosynthese als auch die Erh altung von Informationen über die Struktur der Zelle. Darüber hinaus ist es viel wichtiger, dass Nukleinsäuren die Funktion erfüllen, Erbmaterial von Elternzellen auf Tochterzellen zu übertragen. Dies garantiert die Weiterentwicklung evolutionärer Prozesse.
