Bionanotechnologie 14
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Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie Der molekulare Bauplan des Lebens; biologische Nano- und Mikrobausteine von Lebewesen RNA und DNA als sich selbst replizierende Informationsspeicher Quelle: „Biochemie“, J.M. Berg, J.L. Tymoczko, L. Stryer, 5. Auflage, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, 2003, ISBN 3-8274-1303-6 Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie ACTTCACTTCTAATGATTAGGGA…. Diese Kette aus den Buchstaben A, C, G und T gehören zu einer DNA-Sequenz. Die Sequenz des menschlichen Genoms, die insgesamt 3 Milliarden Buchstaben enthält, würde ein Buch mit mehr als 500.000 Seiten füllen. Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie Desoxyribonucleinsäure Die DNA ist ein lineares Polymer aus vier verschiedenen Monomeren. Das Rückrat besteht aus sich wiederholenden Zucker-Phosphat-Einheiten. Bei dem Zuckerbestandteil handelt es sich um die Desoxyribose, der die DNA ihren Nahmen verdankt. An jede Desoxyribose ist eine der vier möglichen Basen angeheftet. flächige Moleküle Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie Jeder Baustein der DNA besteht aus einem Zucker, einer Phosphatgruppe und einer von vier Basen, die aus dem Zucker-Phosphat-Rückrat herausragt. Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie DNA-Moleküle: Doppelhelix, bei der zwei Stränge so umeinander gewunden sind, dass ihre Zucker-Phosphat-Rückgrate außen liegen und die Basen nach innen weisen. Es bilden sich spezifische Basenpaare: Adenin paart mit Thymin (A-T) und Guanin mit Cytosin (G-C). Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie Die von Watson und Crick vorgeschlagene DNA-Struktur hat zwei besonders wichtige Eigenschaften: (i) die Struktur ist mit jeder beliebigen Basensequenz vereinbar, (ii) die Basensequenz in einem Strang legt die Sequenz im gegenüberliegenden Strang fest. Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie DNA-Replikation: Trennen sich die beiden Stränge kann jeder einzelne von ihnen als Matrize für die Neubildung des Partnerstranges dienen. Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie RNA (Ribonucleinsäure): Wichtige Nucleinsäure die der DNA sehr ähnlich ist und manchen Viren als genetisches Material dient. DNA wird bei anderen Lebewesen oft erst in RNA umgeschrieben um für Repikationsprozesse (als Erbinformation) zugänglich zu werden. Unterschied zur DNA: Bei dem Zucker handelt es sich um Ribose, eine der Basen ist nicht Thymin (T), sondern Uracil (U), RNA liegt meist als Einzelstrang vor. Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie Erste Organismen schon vor 3.5 Milliarden Jahren. Evolution ist auch ein biochemischer Konkurrenzkampf um die Produkte. RNA versus DNA Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie DNA Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien RNA Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie In der ursprünglichen RNA-Welt werden die präbiotischen Bausteine verbraucht. Ein Mangel an Verbindungen begünstigt die Synthese stabiler Verbindungen. Biosynthese der Basen (Purin, Pyrimidin): In der Herstellung von Basen dienen Aminosäuren als Bausteine. Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie Das Urey-Miller-Experiment: Elektrische Entladungen (als Simulation von Blitzen) führen in einer Atmosphäre aus CH4, NH3, H2O und H2 zur Entstehung von Aminosäuren und anderer wichtiger Verbindungen. Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie Verbindung zwischen Erbinformation (RNA) und Proteinen: Eine Kombination aus drei Basen codiert jeweils eine Aminosäure (hoher Gewinn an Flexibilität durch den Einsatz von Aminosäuren). Eine Basensequenz, die ein funktionsfähiges Protein codiert bezeichnet man als Gen. Der genetische Code – also der Zusammenhang zwischen der Basensequenz eines Gens und der Aminosäurensequenz des Proteins (Peptids) – ist für alle Lebewesen der gleiche. Frühe Festlegung in der Evolution, „1 Vorfahre“ ! Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie Woher kommt die Information und Energie für die Faltung von Proteinen? Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie Polare Wassermoleküle bilden eine Hülle um nicht polare Moleküle (Oberflächenspannung). Faltung an Stellen mit unpolaren Aminosäuren führen zu einer Reduzierung der Oberflächenenergie (treibende Kraft). Information zur Faltung steckt in der Abfolge der Aminosäuren in einem Protein. Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie Mutation durch Punktdefekte; Selektion erfolgt durch biochemische Prozesse im Prozess der Replikation. Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien
