Was ist ein Nukleotid?

Desoxyribonukleinsäure, liebevoll DNA genannt, ist ein Molekül in Form einer Doppelhelix, das für die Speicherung genetischer Informationen in den Zellen aller lebenden Organismen verantwortlich ist. Die meisten Menschen wissen oder sollten das wissen. Aber woraus besteht DNA genau?

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Abbildung 1: Die Doppelhelix der DNA

DNA und andere Nukleinsäuren wie RNA bestehen aus Nukleotiden. Nukleotide sind die Bausteine von DNA und RNA. Die Struktur von DNS kann wie eine Leiter visualisiert oder gedacht werden. Wenn wir mit dieser Analogie fortfahren, besteht jede „Stufe oder Sprosse“ dieser Leiter aus einer Reihe von Nukleotiden in einer sehr spezifischen und kontrollierten Reihenfolge. Jedes Nukleotid besteht wiederum aus einer stickstoffhaltigen Base, einem Pentosezucker und einem Phosphat. In Abbildung 2 ist die stickstoffhaltige Base rechts im roten Quadrat eingeschlossen, während das Phosphat links im blauen Quadrat eingeschlossen ist. Der Rest des Moleküls bildet den Pentosezucker. Dieses spezielle Molekül ist Adenin; Wir werden später mehr darüber erfahren.

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Abbildung 2: Der chemische Aufbau der drei Teile des Nukleotids, des Phosphats (blaue Box), der stickstoffhaltigen Base (rote Box) und des Pentosezuckers. Die Anordnung der Nukleotide (1) unterscheidet sie von Nukleosiden, die keine Phosphatgruppe enthalten (in der blauen Box); (2) ermöglicht es dem Nukleotid, sich mit anderen Nukleotiden zu verbinden, wenn die stickstoffhaltige Base eine Wasserstoffbindung mit der stickstoffhaltigen Base eines anderen Nukleotids bildet; sowie (3) ermöglicht es dem Phosphat, eine Phosphodiesterbindung mit dem Pentosezucker eines anderen Nukleotids zu bilden. Dies führt zu einem komplexen doppelsträngigen „String oder Leiter“, wie in figure1 gesehen.Dies ist die Grundlage der Form der DNA.

Die stickstoffhaltige Base

Das Wort „Nukleotid“ wurde zuerst von P.A. Levene geprägt, der beobachtete, dass DNA vier ähnliche Bausteine in ungefähr gleichen Mengen enthielt. Diese Bausteine sind das, was wir heute als stickstoffhaltige Basen in DNA und RNA kennen.

Eine stickstoffhaltige Base ist ein stickstoffhaltiges Molekül mit den chemischen Eigenschaften einer Base aufgrund eines Elektronenpaares am Stickstoffatom. Diese stickstoffhaltigen Basen sind Adenin (A), Cytosin (C) und Guanin (G), die sowohl in RNA als auch in DNA vorkommen, und dann Thymin (T), das nur in DNA vorkommt, und Uracil (U), das an die Stelle von Thymin in RNA tritt.

Stickstoffhaltige Basen können weiter als Pyrimidine oder Purine klassifiziert werden. Cytosin, Uracil und Thymin sind alle Pyrimidine. Das heißt, ihre Molekülstruktur umfasst eine stickstoffhaltige Base in Form eines sechsgliedrigen Einzelrings. Guanin und Adenin hingegen sind Purine. Diese enthalten eine stickstoffhaltige Base in Form eines neunköpfigen Doppelrings. Kurz gesagt, Pyrimidine haben nur einen Ring, während Purine zwei haben (Abbildung 3).

Nun, da Sie die allgemeine Vorstellung von Purinen im Vergleich zu Pyrimidinen haben, sprechen wir über Biochemie. Ein Purin ist eine heterocyclische aromatische organische Verbindung, die aus einem Pyrimidinring besteht, der mit einem Imidazolring verbunden ist. Die nächste logische Frage lautet natürlich:“Was ist dann ein Pyrimidin, biochemisch gesehen“? Nun, Pyrimidine sind eine Klasse stickstoffhaltiger Verbindungen, die nur einen heterocyclischen Ring haben.

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Abbildung 3: Chemische Struktur von Purinen (A, G) und Pyrimidinen (C, T/ U)

Stickstoffhaltige Basen bilden in der DNA Basenpaare miteinander: Adenin paart sich immer mit Thymin; Guanin ist immer an Cytosin gebunden. Wenn Sie aufmerksam waren, werden Sie feststellen, dass dies bedeutet, dass ein Pyrimidin immer an ein Purin gebunden ist. Die gebildete Bindung ist eine Wasserstoffbindung und ist verantwortlich für die Sprossen, die in der DNA- „Leiter“ gebildet werden.Diese Architektur ist sehr wichtig für den perfekten Aufbau des DNA-Moleküls. Andernfalls würde es Unebenheiten und Spalten auf dem Molekül geben. Dies würde überhaupt nicht funktionieren, da das sehr sorgfältige Verpacken, Abwickeln und Wickeln der DNA ein Durcheinander wäre, wobei einige schwieriger zu warten wären als andere.

Diese Paarung ist daher entscheidend für die genetische Funktion und ist die Grundlage für die DNA-Replikation und Genexpression. Die Reihenfolge, in der Basenpaare erscheinen, bestimmt die Funktionsweise Ihrer Physiologie. Bei der Proteinsynthese wird der Code beispielsweise in Triplikaten gelesen, wobei drei Basen für eine bestimmte Aminosäure kodieren. Deletionen und Insertionen von Nukleotiden können in dieser Situation zu einer vollständigen Rahmenverschiebung führen, die die Synthese des betreffenden Proteins stört. Substitutionen können auch problematisch sein, wenn auch weniger, da sie die Identität einer Aminosäure im Proteincode verändern können.

Die Phosphatgruppe

Die Phosphatgruppe (PO4) unterscheidet ein Nukleotid von einem Nukleosid. Diese Zugabe verändert das Nukleosid von einer Base zu einer Säure. Diese Phosphatgruppen sind wichtig, da sie mit den Pentosezuckern Phosphodiesterbindungen eingehen, um die Seiten der DNA- „Leiter“ zu bilden. Dies ist kritisch, da die Wasserstoffbrückenbindungen, die die stickstoffhaltigen Basen verbinden, nicht sehr stark sind. Diese Seiten der Leiter sind hydrophil (von Wasser angezogen), wodurch sich das DNA-Molekül mit Wasser verbinden kann.

Was sind Nukleosiddiphosphate und Triphosphate?

Sie wissen, dass ein Nukleotid von einem Nukleosid durch eine Phosphatgruppe unterschieden wird. Dementsprechend kann ein Nukleotid auch ein Nukleosidmonophosphat sein (Abbildung 4). Wenn mehr Phosphate an das Nukleotid binden (Nukleosidmonophosphat), kann es zu einem Nukleosiddiphosphat (wenn zwei Phosphate binden) oder zu einem Nukleosidtriphosphat (wenn drei Phosphate binden) wie Adenosintriphosphat (ATP) werden. ATP ist unter anderem ein entscheidender Bestandteil der Atmung und Photosynthese.

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Abbildung 4: Die Molekülstruktur von Nukleosidmono-, Di- und Triphosphat

Ein Polynukleotid ist eine Kette von mehr als 20 Nukleotiden, die durch eine Phosphodiesterbindung verbunden sind.

Der Pentosezucker

Der Pentosezucker ist ein 5-Kohlenstoff-Monosaccharid mit der Formel (CH2O)5. Diese bilden zwei Gruppen: Aldopentosen und Ketopentosen. Die in Nukleotiden vorkommenden Pentosezucker sind Aldopentosen. Desoxyribose und Ribose sind zwei dieser Zucker.

Diese Zucker unterscheiden sich in DNA und RNA. Der Zucker in der DNA ist Desoxyribonukleinsäure, die Desoxyribose enthält. Der Zucker in RNA ist Ribonukleinsäure, die Ribose enthält. Der strukturelle Unterschied zwischen diesen Zuckern besteht darin, dass Ribonukleinsäure eine Hydroxylgruppe (-OH) enthält, während Desoxyribonukleinsäure anstelle dieser Hydroxylgruppe nur ein Wasserstoffatom enthält. Nukleotide, die Desoxyribonukleinsäure enthalten, sind als Desoxyribonukleotide bekannt. Diejenigen, die Ribonukleinsäure enthalten, sind als Ribonukleotide bekannt. Somit bestimmt das Zuckermolekül, ob ein Nukleotid Teil eines DNA-Moleküls oder eines RNA-Moleküls ist. Nachfolgend finden Sie eine Liste der Namen der in RNA und DNA vorkommenden Zucker.

Putting it All Together

To recap, we have covered what a nucleotide is, what the three parts of a nucleotide are, we have covered the specifics of nitrogenous bases, pentose sugars, and phosphates, and we have discussed how Nukleotide unterscheiden sich in DNA und RNA.

Das Phosphat ist mit dem Pentosezucker verbunden; Der Pentosezucker ist mit dem stickstoffhaltigen Basenpaar (A, C, G oder T) verbunden, das in der DNA mit seinem Basenpaarpartner verbunden ist. Etwa so:

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Abbildung 5: Nukleotidbindung im DNA-Molekül mit Wasserstoff- und Phosphatbindungen.

Die chemische Struktur der Phosphat-, Pentosezucker- und Stickstoffbasen von Adenin, Thymin, Cytosin und Guanin ist oben dargestellt (Abbildung 5).

Ein DNA-Strang wird gebildet, wenn die stickstoffhaltigen Basen durch Wasserstoffbrückenbindungen verbunden sind, und die Phosphate einer Gruppe sind mit den Pentosezuckern der nächsten Gruppe mit einer Phosphodiesterbindung verbunden (Abbildung 5).

Die Doppelhelixform ist das Ergebnis der Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Stickstoffbasen, die die „Sprossen“ der Leiter bilden, während der Phosphat- und Pentosezucker (die Phosphodiesterbindungen bilden) die aufrechten Teile der Leiter bilden.

Abschließend sind Nukleotide wichtig, da sie die Bausteine von Nukleinsäuren wie DNA und RNA bilden. Nukleotide bestehen aus 3 Teilen. Die erste ist eine ausgeprägte stickstoffhaltige Base, die Adenin, Cytosin, Guanin oder Thymin ist. In der RNA wird Thymin durch Uracil ersetzt. Diese stickstoffhaltigen Basen sind entweder Purine oder Pyrimidine. Basenpaare werden gebildet, wenn Adenin eine Wasserstoffbindung mit Thymin oder Cytosin eine Wasserstoffbindung mit Guanin bildet. Der zweite Teil eines Nukleotids ist das Phosphat, das das Nukleotidmolekül von einem Nukleosidmolekül unterscheidet. Dieses Phosphat ist wichtig für die Bildung von Phosphodiesterbindungen, die mehrere Nukleotide linear verbinden. Der dritte Teil eines Nukleotids ist der Pentose (5 Kohlenstoff) Zucker. Die in Nukleotiden vorkommenden Pentosezucker sind Aldopentosen: Ribose in RNA und Desoxyribose in DNA. Diese Zucker bestimmen, ob das Nukleotid Teil eines DNA- oder eines RNA-Moleküls ist, und bilden einen Teil der Phosphodiesterbindungen, die mehrere Nukleotide verbinden. Die Kombination von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen stickstoffhaltigen Basen und Phosphodiesterbindungen zwischen Phosphaten und Zuckern verleiht der DNA ihre Doppelhelixform.

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