Нуклеинови киселини: структура, функция, типове и примери

Нуклеинова киселина представляват една от четирите основни категории на биомолекули, които са веществата, които изграждат клетките. Останалите са протеини, въглехидрати и липиди (или мазнини).

Нуклеинови киселини, които включват ДНК (дезоксирибонуклеинова киселина) и РНК (рибонуклеинова киселина), се различават от останалите три биомолекули по това, че не могат да се метаболизират, за да доставят енергия на родителския организъм.

(Ето защо не виждате „нуклеинова киселина“ на етикетите с информация за хранителните стойности.)

Функцията на ДНК и РНК е да съхраняват генетична информация. Пълно копие на вашата собствена ДНК може да бъде намерено в ядрото на почти всяка клетка в тялото ви, което прави тази агрегация на ДНК - т.нар. хромозоми в този контекст - по-скоро като твърдия диск на преносим компютър.

В тази схема се нарича дължина на РНК от вида пратеник РНК съдържа кодираните инструкции само за един протеинов продукт (т.е. съдържа един ген) и следователно е по-скоро като "палец", съдържащ един важен файл.

ДНК и РНК са много тясно свързани. Единичното заместване на водороден атом (–Н) в ДНК за хидроксилна група (–ОН), прикрепена към съответстващият въглероден атом в РНК отчита цялата химическа и структурна разлика между двете нуклеинова киселина.

Както ще видите обаче, както често се случва в химията, това, което изглежда като малка разлика на атомно ниво, има очевидни и дълбоки практически последици.

Нуклеиновите киселини са изградени от нуклеотиди, които са вещества, които сами по себе си се състоят от три различни химически групи: а пентозна захар, едно до три фосфатни групи и а азотна основа.

Пентозната захар в РНК е рибоза, докато тази в ДНК е дезоксирибоза. Също така, в нуклеиновите киселини нуклеотидите имат само една фосфатна група. Един пример за добре познат нуклеотид, който може да се похвали с множество фосфатни групи е ATPили аденозин трифосфат. ADP (аденозин дифосфат) участва в много от същите процеси, които ATP прави.

Могат да бъдат единични молекули на ДНК извънредно дълъг и може да се удължи за дължината на цяла хромозома. РНК молекулите са далеч по-ограничени по размер от молекулите на ДНК, но въпреки това се квалифицират като макромолекули.

Рибоза (захарта на РНК) има пет-атомен пръстен, който включва четири от петте въглерода в захарта. Три от останалите са заети от хидроксилни (–ОН) групи, една от водороден атом и една от хидроксиметилова (–СН2ОН) група.

Единствената разлика в дезоксирибоза (захарта на ДНК) е, че една от трите хидроксилни групи (тази в 2-въглеродната позиция) е изчезнала и е заместена с водороден атом.

Също така, докато и ДНК, и РНК имат нуклеотиди с една от четирите възможни азотни основи, те варират леко между двете нуклеинови киселини. ДНК съдържа аденин (А), цитозин (С), гуанин (G) и тимин. като има предвид, че РНК има A, C и G, но урацил (U) на мястото на тимин.

Повечето функционални разлики между ДНК и РНК се отнасят до тяхната значително различна роля в клетките. ДНК е мястото, където се съхранява генетичният код за живот - не само размножаване, но и ежедневни дейности в живота.

РНК или поне тРНК е отговорна за събирането на същата информация и довеждането й до рибозомите извън ядрото, където са изградени протеини, които позволяват осъществяването на гореспоменатия метаболизъм дейности.

Основната последователност на нуклеиновата киселина е мястото, където се пренасят нейните специфични послания, и азотната По този начин за бази може да се каже, че са в крайна сметка отговорни за разликите в животните от един и същи вид - това е, различни прояви на една и съща черта (напр. цвят на очите, модел на космите по тялото).

Две от основите в нуклеиновите киселини (A и G) са пурини, докато две (C и T в ДНК; C и U в РНК) са пиримидини. Пуриновите молекули съдържат два слети пръстена, докато пиримидините имат само един и като цяло са по-малки. Както скоро ще научите, молекулата на ДНК е двуверижен поради свързване между нуклеотиди в съседни направления.

Пуринова основа може да се свърже само с пиримидинова основа, защото два пурина биха заели твърде много място между нишките и два пиримидина твърде малко, като комбинацията пурин-пиримидин е точно правилната размер.

Но нещата всъщност са по-строго контролирани от това: В нуклеиновите киселини, Aоблигации само къмT (илиU в РНК), докато С се свързва само с G.

Пълното описание на ДНК молекулата като a двуверижна спирала през 1953 г. от Джеймс Уотсън и Франсис Крик в крайна сметка спечели на дуета Нобелова награда, въпреки че дифракционната работа на рентгеновите лъчи на Розалинд Франклин през годините, водещи до това постижение, допринесе за успеха на двойката и често е занижена книги по история.

В природата, ДНК съществува като спирала защото това е най-енергийно благоприятната форма за приемане на конкретния набор от молекули, които съдържа.

Страничните вериги, основи и други части от ДНК молекулата изпитват правилната комбинация от електрохимични атракции и електрохимични отблъсквания, така че молекулата да е най-"удобна" във формата на две спирали, леко отдалечени една от друга, като вплетени спираловидни стълбища.

ДНК веригите се състоят от редуващи се фосфатни групи и захарни остатъци, като азотните основи са прикрепени към различна част от захарната част. ДНК или РНК верига се удължава благодарение на водородните връзки, образувани между фосфатната група на един нуклеотид и захарния остатък на следващия.

По-конкретно, фосфатът при въглерод номер 5 (често се записва 5 ') на входящия нуклеотид е прикрепен на мястото на хидроксилната група върху въглерода номер 3 (или 3 ') на нарастващия полинуклеотид (малък нуклеинов киселина). Това е известно като a фосфодиестерна връзка.

Междувременно всички нуклеотиди с А основи са подредени с нуклеотиди с Т основи в ДНК и нуклеотиди с U основи в РНК; С двойки уникално с G и в двете.

Твърди се, че са двете вериги на ДНК молекулата допълващи се един на друг, тъй като основната последователност на едната може да се определи, като се използва основната последователност на другата, благодарение на простата схема за сдвояване на основите, която молекулите на нуклеиновите киселини наблюдават.

РНК, както беше отбелязано, е изключително подобна на ДНК на химично ниво, като само една азотна основа сред четирите е различна и един "допълнителен" кислороден атом в захарта на РНК. Очевидно тези привидно тривиални различия са достатъчни, за да осигурят съществено различно поведение между биомолекулите.

По-специално, РНК е едноверижен. Тоест, няма да видите термина "комплементарна верига", използван в контекста на тази нуклеинова киселина. Различните части на една и съща РНК верига обаче могат да взаимодействат помежду си, което означава, че формата на РНК всъщност варира повече от формата на ДНК (неизменно двойна спирала). Съответно има много различни видове РНК.

• иРНК, или пратеник РНК, използва допълващо сдвояване на база, за да носи съобщението, което ДНК му дава по време на транскрипция в рибозомите, където това съобщение се трансформира в синтеза на протеин. Транскрипцията е описана подробно по-долу.
• рРНКили рибозомна РНК, съставлява значителна част от масата на рибозомите, структурите в клетките, отговорни за синтеза на протеини. Останалата част от масата на рибозомите се състои от протеини.
• тРНКили прехвърля РНК, играе критична роля в транслацията чрез преместване на аминокиселини, предназначени за нарастващата полипептидна верига до мястото, където се събират протеините. В природата има 20 аминокиселини, всяка със своя тРНК.
  

Представете си, че ви се представя верига нуклеинова киселина с основната последователност AAATCGGCATTA. Само въз основа на тази информация трябва да можете бързо да заключите две неща.

Едно, че това е ДНК, а не РНК, както се разкрива от присъствието на тимин (Т). Второто нещо, което можете да кажете е, че комплементарната верига на тази ДНК молекула има основната последователност TTTAGCCGTAAT.

Можете също така да сте сигурни в mRNA веригата, която би се получила от тази верига на ДНК, подложена на транскрипция на РНК. Щеше да има същото последователност от основи като комплементарна ДНК верига, като всички случаи на тимин (Т) се заменят с урацил (U).

Това е така, защото ДНК репликацията и РНК транскрипцията функционират по подобен начин, тъй като веригата, направена от матричната верига, е не е дубликат на тази нишка, но неговият комплемент или еквивалентът в РНК.

За да може ДНК молекула да направи копие от себе си, двете нишки на двойната спирала трябва да се разделят в близост до копирането. Това е така, защото всяка верига се копира (репликира) поотделно и защото ензимите и другите молекули, които участват ДНК репликация се нуждаят от място за взаимодействие, което двойна спирала не осигурява. Така двете нишки се разделят физически и се казва, че ДНК е денатуриран.

Всяка отделена верига на ДНК прави нова верига, допълваща себе си, и остава свързана с нея. Така че, в известен смисъл, нищо не е различно във всяка нова двойно-верижна молекула от нейната майка. Химически те имат същия молекулен състав. Но едната нишка във всяка двойна спирала е чисто нова, докато другата е останала от самата репликация.

Когато репликацията на ДНК се извършва едновременно по разделени комплементарни вериги, синтезът на новите вериги всъщност се извършва в противоположни посоки. От едната страна, новата верига просто расте в посока ДНК да бъде „разархивирана“, докато е денатурирана.

От другата страна обаче се синтезират малки фрагменти от нова ДНК далеч от посоката на разделяне на нишките. Те се наричат ​​Okazaki фрагменти и се свързват заедно от ензими след достигане на определена дължина. Тези две нови ДНК вериги са антипаралелен един на друг.

РНК транскрипция е подобно на репликацията на ДНК, тъй като за да започне, е необходимо раздвояване на ДНК вериги. тРНК се получава по протежение на ДНК матрицата чрез последователно добавяне на РНК нуклеотиди от ензима РНК полимераза.

Този първоначален препис на РНК, създаден от ДНК, създава това, което наричаме пре-иРНК. Тази пре-иРНК верига съдържа и двете интрони и екзони. Интроните и екзоните са раздели в ДНК / РНК, които или кодират, или не кодират части от генния продукт.

Интрони са некодиращи секции (наричани още "интотклоняващи се раздели ") докато екзони са раздели за кодиране (наричани още "напрпресовани секции ").

Преди тази верига на иРНК да напусне ядрото, за да бъде преобразувано в протеин, ензимите в ядрото се акцизират, известни още като изрязани, интроните, тъй като те не кодират нищо за този конкретен ген. След това ензимите свързват останалите интронни последователности, за да ви дадат окончателната иРНК верига.

Една тРНК верига обикновено включва точно основната последователност, необходима за събиране на един уникален протеин надолу по веригата в превод процес, което означава, че една иРНК молекула обикновено носи информацията за една ген. Генът е ДНК последователност, която кодира определен протеинов продукт.

След като транскрипцията приключи, веригата на иРНК се изнася от ядрото през порите в ядрената обвивка. (РНК молекулите са твърде големи, за да се дифузират просто през ядрената мембрана, както и водата и други малки молекули). След това се "скачва" с рибозоми в цитоплазмата или в рамките на определени органели, и протеинов синтез се инициира.

Нуклеиновите киселини не могат да се метаболизират за гориво, но могат да бъдат създадени от много малки молекули или да бъдат разбити от пълната им форма на много малки части. Нуклеотидите се синтезират чрез анаболни реакции, често от нуклеозиди, които са нуклеотиди минус всякакви фосфатни групи (т.е. нуклеозидът е рибозна захар плюс азотна основа).

ДНК и РНК също могат да бъдат разградени: от нуклеотиди до нуклеозиди, след това до азотни основи и в крайна сметка до пикочна киселина.

Разграждането на нуклеиновите киселини е важно за цялостно здраве. Например невъзможността за разграждане на пурините е свързана с подагра, болезнено заболяване, засягащо някои от ставите благодарение на уратните кристални отлагания в тези места.