Charakterystyka kwasów nukleinowych

Zawartość

• Ogólna charakterystyka DNA
• Ogólna charakterystyka RNA
• Zasady azotowe
• Transkrypcja i tłumaczenie
• Od nici DNA do chromosomów
• Kwasy nukleinowe i powstanie życia
• Terapie medyczne

Ważne kwasy nukleinowe w naturze obejmują kwas dezoksyrybonukleinowy lub DNA i kwas rybonukleinowy lub RNA. Nazywa się je kwasami, ponieważ są donorami protonów (tj. Atomów wodoru) i dlatego mają ładunek ujemny.

Chemicznie DNA i RNA są polimerami, co oznacza, że ​​składają się z powtarzających się jednostek, często bardzo dużej ich liczby. Te jednostki są nazywane nukleotydy. Wszystkie nukleotydy z kolei obejmują trzy odrębne części chemiczne: cukier pentozowy, grupę fosforanową i zasadę azotową.

DNA różni się od RNA na trzy podstawowe sposoby. Jednym z nich jest to, że cukrem, który stanowi strukturalny „szkielet” cząsteczki kwasu nukleinowego, jest dezoksyryboza, podczas gdy w RNA jest to ryboza. Jeśli w ogóle znasz nomenklaturę chemiczną, zauważysz, że jest to niewielka różnica w ogólnym schemacie strukturalnym; ryboza ma cztery grupy hydroksylowe (-OH), a dezoksyryboza ma trzy.

Druga różnica polega na tym, że chociaż jedną z czterech zasad azotowych w DNA jest tymina, odpowiednią zasadą w RNA jest uracyl. Zasady azotowe kwasów nukleinowych decydują o ostatecznych cechach tych cząsteczek, ponieważ części fosforanowe i cukrowe nie różnią się w obrębie cząsteczek tego samego typu lub między nimi.

Wreszcie, DNA jest dwuniciowy, co oznacza, że ​​składa się z dwóch długich łańcuchów nukleotydów chemicznie związanych przez dwie zasady azotowe. DNA jest zwinięty w kształt „podwójnej helisy”, jak elastyczna drabina skręcona w przeciwnych kierunkach na obu końcach.

Ogólna charakterystyka DNA

Deoksyryboza składa się z pierścienia o pięciu atomach, czterech atomów węgla i tlenu, w kształcie pięciokąta lub być może bazy domowej w baseballu. Ponieważ węgiel tworzy cztery wiązania, a tlen dwa, pozostawia osiem wolnych miejsc wiązania na czterech atomach węgla, dwa na węgiel, jedno powyżej i jedno poniżej pierścienia. Trzy z tych plam są zajęte przez grupy hydroksylowe (-OH), a pięć jest zajętych przez atomy wodoru.

Ta cząsteczka cukru może wiązać się z jedną z czterech zasad azotowych: adeniną, cytozyną, guaniną i tyminą. Adenina (A) i guanina (G) są purynami, podczas gdy cytozyna (C) i tymina (T) są pirymidynami. Puryny to większe cząsteczki niż pirymidyny; ponieważ dwie nici dowolnej pełnej cząsteczki DNA są związane w środku przez ich zasady azotowe, wiązania te muszą tworzyć się między jedną puryną i jedną pirymidyną, aby utrzymać całkowity rozmiar dwóch zasad w cząsteczce w przybliżeniu stały. (Pomaga to odwoływać się do dowolnego diagramu kwasów nukleinowych podczas czytania, takiego jak te w Piśmiennictwie.) Tak się składa, że ​​A wiąże się wyłącznie z T w DNA, podczas gdy C wiąże wyłącznie z G.

Deoksyryboza związana z zasadą azotową nazywa się a nukleozyd. Po dodaniu grupy fosforanowej do dezoksyrybozy na węglu w dwóch punktach od miejsca przyłączenia zasady, powstaje pełny nukleotyd. Osobliwości odpowiednich ładunków elektrochemicznych na różnych atomach w nukleotydach są odpowiedzialne za dwuniciowy DNA naturalnie tworzący helikalny kształt, a dwie nici DNA w cząsteczce są nazywane komplementarne pasma.

Ogólna charakterystyka RNA

Cukier pentozowy w RNA to ryboza zamiast dezoksyrybozy. Ryboza jest identyczna z dezoksyrybozą, z tym wyjątkiem, że struktura pierścieniowa jest związana z czterema grupami hydroksylowymi (-OH) i czterema atomami wodoru zamiast odpowiednio trzech i pięciu. Rybozowa część nukleotydu jest związana z grupą fosforanową i zasadą azotową, podobnie jak w DNA, z naprzemiennymi fosforanami i cukrami tworzącymi „szkielet” RNA. Zasady, jak wspomniano powyżej, obejmują A, C i G, ale drugą pirymidyną w RNA jest uracyl (U), a nie T.

Podczas gdy DNA dotyczy tylko przechowywania informacji (gen jest po prostu nicią DNA, która koduje pojedyncze białko), różne typy RNA pełnią różne funkcje. Posłaniec RNA lub mRNA powstaje z DNA, gdy zwykle dwuniciowy DNA dzieli się na dwie pojedyncze nici w celu transkrypcji. Powstały mRNA ostatecznie dociera do części komórek, w których zachodzi wytwarzanie białka, niosąc instrukcje dla tego procesu dostarczone przez DNA. Drugi typ RNA, transfer RNA (tRNA), bierze udział w produkcji białek. Dzieje się tak na organellach komórkowych zwanych rybosomami, a same rybosomy składają się głównie z trzeciego rodzaju RNA zwanego, odpowiednio, rybosomalnym RNA (rRNA).

Zasady azotowe

Pięć zasad azotowych - adenina (A), cytozyna (C), guanina (G) i tymina (T) w DNA oraz trzy pierwsze plus uracyl (U) w RNA - są częściami kwasów nukleinowych, które są ostatecznie odpowiedzialne za różnorodność produktów genowych wśród żywych istot. Części cukru i fosforanu są niezbędne, ponieważ zapewniają strukturę i rusztowanie, ale zasady są tam, gdzie generowane są kody. Jeśli myślisz o swoim laptopie jak o kwasie nukleinowym lub przynajmniej łańcuchu nukelotydów, sprzęt (np. Dyski, ekran monitora, mikroprocesor) jest analogiczny do cukrów i fosforanów, podczas gdy jakiekolwiek uruchomione oprogramowanie i aplikacje są podobne zasady azotowe, ponieważ unikalny asortyment programów załadowanych do systemu skutecznie sprawia, że ​​komputer jest jedynym w swoim rodzaju „organizmem”.

Jak opisano wcześniej, zasady azotowe są klasyfikowane jako puryn (A i G) lub pirymidyn (C, T i U). Zawsze paruje nić DNA z T, a C zawsze paruje z G. Co ważne, gdy nić DNA jest używana jako matryca do syntezy RNA (transkrypcji), w każdym punkcie wzdłuż rosnącej cząsteczki RNA powstaje nukleotyd RNA z „macierzystego” nukleotydu DNA obejmuje zasadę, z którą zawsze wiąże się „macierzysta” zasada. Zagadnienie to zostało omówione w dalszej części.

Puryny składają się z sześcioelementowego pierścienia azotowo-węglowego i pięcioczłonowego pierścienia azotowo-węglowego, podobnie jak sześciokąt i pięciokąt, które dzielą bok. Synteza puryn obejmuje chemiczne ulepszenie cukru rybozowego, a następnie dodanie aminokwasu (-NH₂) grupy. Pirymidyny mają również sześcioczłonowy pierścień azotowo-węglowy, podobnie jak puryny, ale nie mają pięcioczłonowego pierścienia azotowo-węglowego puryn. Puryny mają zatem wyższą masę cząsteczkową niż pirymidyny.

Synteza nukleotydów zawierających pirymidyny i synteza nukleotydów zawierających puryny zachodzą w odwrotnej kolejności w jednym kluczowym etapie. W pirymidynach część podstawowa jest najpierw składana, a reszta cząsteczki jest później modyfikowana w nukleotyd. W purynach część, która ostatecznie staje się adeniną lub guaniną, jest modyfikowana pod koniec tworzenia nukleotydów.

Transkrypcja i tłumaczenie

Transkrypcja to utworzenie nici mRNA z matrycy DNA, niosącej te same instrukcje (tj. Kod genetyczny) do tworzenia określonego białka, jak matryca. Proces zachodzi w jądrze komórkowym, w którym znajduje się DNA.Kiedy dwuniciowa cząsteczka DNA rozdziela się na pojedyncze nici i przebiega transkrypcja, mRNA, który jest generowany z jednej nici „rozpakowanej” pary DNA, jest identyczny z DNA drugiej nici rozpakowanego DNA, z tym że mRNA zawiera U zamiast T. (Ponownie odwołanie się do diagramu jest przydatne; patrz Referencje). Po zakończeniu mRNA opuszcza jądro przez pory w błonie jądrowej. Po opuszczeniu jądra mRNA przyłącza się do rybosomu.

Enzymy następnie przyłączają się do kompleksu rybosomalnego i pomagają w procesie translacji. Tłumaczenie to konwersja instrukcji mRNA na białka. Dzieje się tak, gdy aminokwasy, podjednostki białek, są generowane z trójnukleotydowych „kodonów” na nici mRNA. Proces obejmuje również rRNA (ponieważ translacja zachodzi na rybosomach) i tRNA (który pomaga gromadzić aminokwasy).

Od nici DNA do chromosomów

Nici DNA łączą się w podwójną helisę ze względu na zbieżność powiązanych czynników. Jednym z nich są wiązania wodorowe, które naturalnie układają się na różnych częściach cząsteczki. Gdy powstaje helisa, pary wiążące zasad azotowych są prostopadłe do osi podwójnej helisy jako całości. Każdy pełny obrót obejmuje w sumie około 10 połączonych par baza-baza. To, co mogło być nazwane „bokami” DNA, gdy zostało określone jako „drabina”, jest teraz nazywane „łańcuchami” podwójnej helisy. Składają się one prawie w całości z rybozowej i fosforanowej części nukleotydów, z zasadami znajdującymi się wewnątrz. Mówi się, że helisa ma zarówno duże, jak i mniejsze rowki, które określają jej ostatecznie stabilny kształt.

Chociaż chromosomy można opisać jako bardzo długie nici DNA, jest to rażące uproszczenie. Prawdą jest, że dany chromosom teoretycznie mógłby zostać odkręcony, aby ujawnić pojedynczą nieprzerwaną cząsteczkę DNA, ale nie wskazuje to na skomplikowane zwijanie, buforowanie i skupianie się DNA w drodze do tworzenia chromosomu. Jeden chromosom zawiera miliony par zasad DNA, a gdyby całe DNA zostało rozciągnięte bez złamania helisy, jego długość zwiększyłaby się z kilku milimetrów do ponad centymetra. W rzeczywistości DNA jest znacznie bardziej skondensowane. Białka zwane histonami tworzą się z czterech par białek podjednostek (w sumie osiem podjednostek). Ten oktamer służy jako swego rodzaju szpula dla podwójnej helisy DNA, która otacza się dwukrotnie, jak nić. Ta struktura, oktamer i otaczające ją DNA, nazywa się nukleosomem. Gdy chromosom jest częściowo rozwijany w nić zwaną chromatydem, te nukleosomy wydają się pod mikroskopem być koralikami na sznurku. Ale powyżej poziomu nukleosomów dochodzi do dalszej kompresji materiału genetycznego, choć dokładny mechanizm pozostaje nieuchwytny.

Kwasy nukleinowe i powstanie życia

Uwzględniono DNA, RNA i białka biopolimery ponieważ są to powtarzające się sekwencje informacji i aminokwasów, które są związane z żywymi istotami („bio” oznacza „życie”). Biolodzy molekularni wiedzą dzisiaj, że DNA i RNA w jakiejś formie poprzedzają pojawienie się życia na Ziemi, ale od 2018 roku nikt nie wymyślił drogi od wczesnych biopolimerów do prostych żywych istot. Niektórzy twierdzili, że RNA w jakiejś formie było pierwotnym źródłem wszystkich tych rzeczy, w tym DNA. Jest to „hipoteza światowa RNA”. Jest to jednak rodzaj biologii dla kur i jaj, ponieważ wystarczająco duże cząsteczki RNA najwyraźniej nie mogły powstać w żaden inny sposób niż transkrypcja. W każdym razie naukowcy, z rosnącym zapałem, badają obecnie RNA jako cel dla pierwszej samoreplikującej się cząsteczki.

Terapie medyczne

Chemikalia naśladujące składniki kwasów nukleinowych są dziś stosowane jako leki, przy czym trwają dalsze prace w tej dziedzinie. Na przykład od dziesięcioleci stosuje się nieco zmodyfikowaną formę uracylu, 5-fluorouracyl (5-FU) w leczeniu raka okrężnicy. Robi to poprzez naśladowanie prawdziwej zasady azotowej wystarczająco dokładnie, aby została wstawiona do nowo wytworzonego DNA. To ostatecznie prowadzi do załamania syntezy białek.

Imitatory nukleozydów (które, jak pamiętacie, są cukrem rybozowym i zasadą azotową), były stosowane w terapiach przeciwbakteryjnych i przeciwwirusowych. Czasami modyfikowana jest podstawowa część nukleozydu, a innym razem lek celuje w część cukrową.