Nukleinsäuren

= lange Ketten (Polymere) aus mehrere Nukleotid-einheiten

Funktion: speichern Erbinformationen

Zwei Formen:

• DNA (Desoxyribonucleinsäure)

• RNA (Ribonucleinsäure)

—> Nukleotide werden uber die 3’-OH Gruppe des Zuckerbausteins und die Phosphatgruppe des nachten Nukleotids miteinander verknupft —> bilden lange Ketten —> Nukleinsäuren

Purinbasen

Pyrmidinbasen

= Verbindung von Nukleobase mit Zuckerbaustein (Ribose) ohne Phosphat liefert Nukleosid

-> Nukleobasen binden β-N-glykosidisch an das 1. C-Atom

des Zuckerbausteins (C-1‘) → Nukleoside

-> Enthält den Stammnamen der Base mit der Endung

• „-osin“ bei Purinbasen (Adenosin, Guanosin)

• „-idin“ bei den Pyrimidinbasen (Cytidin, Thymidin, Uridin)

  
  

= Jedes Nukleotid hat 3 Bausteine: Nukleobase, Zuckermolekul, Phosphatrest

wichtige nukleotide:

• Zyklisches Adenosinmonophosphat (AMP) als Botenstoff/ “second messenger”

• 5’-ATP: universalle Energielieferant der Zelle

= die Verbindung zwischen den Nukleotiden

—> Das Phosphat verbindet das 3'-OH des einen Zuckers mit dem 5'-OH des nächsten Zuckers.

—> Am 5'-C des Zuckers können bis zu 3 Phosphate hängen.Triphosphate wie ATP liefern Energie und werden beim Aufbau von DNA/RNA gebraucht.

Zuckerbaustein: Desoxyribose

Nukelinbasen: C, G, A, T

—> Jeweils zwei Polynukleinstrange winden sich um gemeinsame Achse

—> Strange werden dutrch H-Brucken zusammen gehalten

• G, C —> 3 Wasserstoffbrucken

• A, T —> 2 Wasserstoffbrucken

—> DNA-Polynukleotide sind sehr lang:

• Bakterien: ~2 x 10^6,

• Menschen: 3,2 x 10^9 Basenpaare

Zuckerbaustein: Resoxyribose

Nukelinbasen: C, G, A, U

—> Meist Einzelmoleuklstrang

—> sehr ver. Raumstrukturen

—> RNA-Polynukleotide sind unterschiedlich lang, im Vergleich zur DNA

—> Durch H-Brucken zwischen den einzelnen Nukelinbasen einer RNA-Kette konnen sich z.B. Schleifen (Loops) bilden

—> Zwei gegenläufige DNA-Stränge lagern sich zusammen → bilden Doppelhelix

—> Zucker-Phosphat Rückgrate liegen außen

—> Nukleinbasenpaare im Inneren der Doppelhelix

—> Nukleinbasen interagieren über H-Brücken

—> Für energetisch günstigen Zustand wechselwirken jeweils eine Purin- und mit einer Pyrimidinbase: Thymin & Adenin bilden 2 H-Brücken, Cytosin & Guanin 3 H-Brücken

(schwerer zu trennen) → H-Brücken für Zusammenhalt

T und A, bzw. C und G sind komplementäre Basen → Watson-Crick Basenpaarung

—> Basenstapelwechselwirkungen geben nochmal zusätzlichen Halt (hier AT und CG)

B-DNA

—> Standard DNA → rechtsgängige Helix mit 3.4 A° Ganghöhe

→ alle 3.4 A° windet die DNA (10 bp pro Windung)

A-DNA

—> RNA Duplices, DNA-RNA Hybride (bei Transkription); rechtsgängig

Z-DNA

—> ungewöhnliche linksgängige Helix (schlanker; im Labor konstruieren)

—> SEMIKONSERVATIV

Bei Transkription:

Komplementarität:

• Die mRNA wird komplementär zum Template-Strang gebildet

Richtung (Direktionalität):

• Die RNA wird in 5' → 3' Richtung aufgebaut.

• Deshalb läuft der Template-Strang in 3' → 5' Richtung dagegen.

• DNA-Stränge sind antiparallel – einer läuft 5′ → 3′, der andere 3′ → 5′.

(A) Hypochromizität

= ein Molekül absorbiert weniger UV-Licht, wenn es geordnet oder gepaart ist, z. B. in einer Doppelhelix

—> Gestapelte Basen (Doppelhelix) absorbieren weniger Uv-Licht

—> blau: Höhere Absorption, weil die Basen frei liegen

(B) Schmelzen & Annealing

—> Wenn man die DNA erhitzt, trennt sich der Doppelstrang → wird zu Einzelsträngen

rot -> DNA als Doppelhelix

blau -> DNA als Einzelstrang

1. rRNA ist mengenmäßig dominant (80 %) – weil Ribosomen viele brauchen!

2. mRNA ist kurzlebig und variabel, aber trägt die genetische Info

3. tRNA ist klein & stabil, bringt Aminosäuren

-> Obwohl RNA einzelsträngig ist, kann sie komplementäre Basenpaarungen in sich selbst ausbilden (z. B. A–U, G–C)

-> Dadurch entsteht eine Sekundärstruktur, z. B. Stem-Loop

Stem-Loop = diese Strukturen entstehen durch komplementäre Abschnitte innerhalb desselben RNA-Strangs

-> wichtog fur z.B. t-RNA

= bringt bei der Translation (Proteinbiosynthese) Aminosäuren zum Ribosom, wo die Proteine gebaut werden.

Ablauf bei Translation:

1. Die tRNA erkennt über ihr Anticodon das passende Codon auf der mRNA.

2. Sie bringt die dazugehörige Aminosäure mit.

3. Im Ribosom werden die Aminosäuren zu einer Kette verbunden → Protein entsteht

Ribozyme = eine RNA, die selbst chemische Reaktionen katalysieren kann – also wie ein Enzym, nur aus RNA statt aus Protein

—> Sie können andere RNA-Moleküle spalten, verknüpfen oder umsortieren

—> Ihre Funktion hängt von der richtigen 3D-Faltung ab

Cleavage site = die Stelle, an der das Ribozyme (die katalytische RNA) die RNA schneidet

DNA-Sequenzierung

DNA-Festphasensynthese

PCR

Restrktionsverau Und Ligation der DNA

Transformation von DNA in Fremdzellen

=> Darmbakterium des Menschens

-> Zirkuleres Chromosom:

• also kein linearer DNA-Strang wie im Menschen

• sondern ein geschlossener Ring

-> neben seinem großen chromosomalen DNA-Ring auch Plasmide – und diese können groß oder klein sein

• Kleine, ringförmige DNA-Moleküle

• Unabhängig vom großen Chromosom

• Können sich selbstständig replizieren

• Tragen nicht-lebenswichtige, aber nützliche Gene

Origin of replication = Startpunkt für Replikation → ermöglicht Vervielfältigung in E. coli

Ampicillin-Resistenzgen = erlaubt Selektion: nur Bakterien mit dem Plasmid überleben auf Ampicillin

Tetracyclin-Resistenzgen = zweiter Selektionsmarker

—> Eine Methode, mit der man die Basenreihenfolge (Sequenz) eines DNA-Strangs bestimmen kann

1. Dideoxynukleotide (ddNTPs)

   • Sehen fast aus wie normale Nukleotide (dNTPs), aber es fehlt ihnen die 3'-OH-Gruppe

   • Sobald ein ddNTP eingebaut wird, ist Schluss → Kettenabbruch

Was passiert?

• Die DNA-Polymerase (= Enzym der zu DNA-Replikation benutzt wird) verlängert den Strang wie bei der Replikation

• Wenn zufällig ein ddNTP eingebaut wird → Abbruch

• Es entstehen viele Fragmente unterschiedlicher Länge, jeweils endend mit einem bestimmten Basenbuchstaben

• Die DNA-Fragmente werden nach Länge getrennt (z. B. durch Gelelektrophorese)

• Die Reihenfolge der Banden gibt dir die Basenabfolge der DNA

= Eine künstliche Methode, um DNA-Stücke kontrolliert Basen für Base aufzubauen,und zwar auf einer festen Unterlage

Wie funktioniert es?

1. Koppeln (Coupling)

• Eine aktivierte Base (Monomer) wird an den wachsenden DNA-Strang gekoppelt.

• Schutzgruppen verhindern Nebenreaktionen (DMT schützt das 5'-OH; βCE schützt das Phosphat)

• Ergebnis: ein Phosphit-Triester-Zwischenprodukt

2. Oxidation (durch Iod)

• Das Phosphit-Triester wird zu einem stabilen Phosphotriester oxidiert

  → die normale DNA-Rückgratverbindung entsteht (Phosphodiesterbindung)

3. Deprotektion (Entschützen)

• Die Schutzgruppe am 5'-Ende (DMT) wird entfernt (z. B. mit Dichloressigsäure)

  → Jetzt ist die nächste Base koppelbereit

—> Dann geht’s zurück zu Schritt 1: nächste Base wird angebaut

—> Viervielfaltigung der DNA

Wie funktioniert es ?

1. Denaturierung (ca. 95 °C)

• Die doppelsträngige DNA wird in zwei Einzelstränge getrennt

2. Annealing (ca. 50–65 °C)

• Die Primer binden an ihre komplementären Sequenzen auf der Einzelstrang-DNA

3. Elongation (ca. 72 °C)

• Die DNA-Polymerase verlängert die Primer → baut den neuen DNA-Strang

—> Diese 3 Schritte wiederholt man ca. 30–40 Mal → führt zur exponentiellen Vervielfältigung

—> Restriktionsenzyme schneiden DNA sequenzspezifisch, oft an Palindrome

palindrome = eine DNA-Sequenz, die vorwärts und rückwärts (auf dem komplementären Strang) gleich gelesen werden kann

Was passiert ?

1. Zerschneiden mit Restriktionsenzym (z. B. EcoRI):

   • EcoRI erkennt die Sequenz GAATTC

   • Es schneidet zwischen G und A

   • → Es entstehen „sticky ends“ mit Überhängen (klebrige Enden)

2. Zwei verschiedene DNA-Stücke (blau & rosa) werden geschnitten

   • Beide haben jetzt passende Überhänge

3. Annealing = Basenpaarung

   • Die Überhänge finden sich wieder → komplementär

   • Die DNA-Stücke können spontan aneinander haften

4. Verkleben mit DNA-Ligase:

   • Die Ligase verknüpft die Zucker-Phosphat-Rückgrate

   • → Die DNA-Stücke sind jetzt dauerhaft verbunden

In echt passiert:

Ein DNA-Stück aus Organismus A in ein Plasmid von Organismus B einsetzen → das nennt man rekombinante DNA!

Pflanzen, Landwirtschaft

Medizin, Pharamzie

Revolution in der Gentechnologie:

—> CRISPR/Cas9

—> in vitro

—> Next Generation Sequencing (NGS)

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Umwelt, Mull

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