Характеристики на нуклеиновите киселини

Важните нуклеинови киселини в природата включват дезоксирибонуклеинова киселина или ДНК и рибонуклеинова киселина или РНК. Те се наричат ​​киселини, защото са донори на протон (т.е. водороден атом) и следователно носят отрицателен заряд.

Химически ДНК и РНК са полимери, което означава, че те се състоят от повтарящи се единици, често много голям брой от тях. Тези единици се наричат нуклеотиди. Всички нуклеотиди от своя страна включват три различни химически порции: пентозна захар, фосфатна група и азотна основа.

ДНК се различава от РНК по три основни начина. Едната е, че именно захарта, която изгражда структурния „гръбнак“ на молекулата на нуклеиновата киселина, е дезоксирибоза, докато в РНК това е рибоза. Ако изобщо сте запознати с химическата номенклатура, ще разберете, че това е малка разлика в цялостната структурна схема; рибозата има четири хидроксилни (-ОН) групи, докато дезоксирибозата има три.

Втората разлика е, че докато една от четирите азотни основи, открити в ДНК, е тимин, съответната база в РНК е урацил. Азотните основи на нуклеиновите киселини диктуват крайните характеристики на тях молекулите, тъй като фосфатната и захарната част не се различават в рамките на или между молекулите на същия тип.

И накрая, ДНК е двуверижна, което означава, че се състои от две дълги вериги нуклеотиди, химически свързани от две азотни основи. ДНК се навива във форма "двойна спирала", като гъвкава стълба, усукана в противоположни посоки в двата края.

Дезоксирибозата се състои от пет-атомен пръстен, четири въглерода и кислород, оформени като петоъгълник или може би домашна плоча в бейзбола. Тъй като въглеродът образува четири връзки, а кислородът - две, това оставя осем свързващи места свободни на четирите въглеродни атома, по два на въглерод, един над и един под пръстена. Три от тези петна са заети от хидроксилни (-ОН) групи, а пет са претендирани от водородни атоми.

Тази захарна молекула може да се свърже с една от четирите азотни основи: аденин, цитозин, гуанин и тимин. Аденин (А) и гуанин (G) са пурини, докато цитозин (С) и тимин (Т) са пиримидини. Пурините са по-големи молекули от пиримидините; тъй като двете вериги на която и да е пълна молекула на ДНК са свързани в средата от техните азотни основи, тези връзки трябва да се образува между един пурин и един пиримидин, за да се запази приблизително общият размер на двете основи в молекулата постоянна. (Помага да се позовава на всяка диаграма на нуклеинови киселини при четене, като тези в справките.) Както се случва, A се свързва изключително с T в ДНК, докато C се свързва изключително с G.

Дезоксирибоза, свързана с азотна основа, се нарича a нуклеозид. Когато се добави фосфатна група към дезоксирибоза при въглерода на две петна от мястото, където е прикрепена основата, се образува пълен нуклеотид. Особеностите на съответните електрохимични заряди върху различните атоми в нуклеотидите са отговорни за двуверижната ДНК, която естествено образува спираловидна форма, и двете вериги на ДНК в молекулата са наречени допълващи нишки.

Пентозната захар в РНК е по-скоро рибоза, отколкото дезоксирибоза. Рибозата е идентична с дезоксирибозата, с изключение на това, че пръстеновата структура е свързана с четири хидроксилни (-ОН) групи и четири водородни атома вместо три и пет съответно. Рибозната част на нуклеотида е свързана с фосфатна група и азотна основа, както при ДНК, с редуващи се фосфати и захари, образуващи "гръбнака" на РНК. Основите, както беше отбелязано по-горе, включват A, C и G, но вторият пиримидин в РНК е по-скоро урацил (U) отколкото Т.

Докато ДНК се занимава само със съхранение на информация (генът е просто верига на ДНК, която кодира единичен протеин), различните видове РНК поемат различни функции. Messenger RNA, или mRNA, се прави от ДНК, когато обикновено двойно-верижната ДНК се разделя на две единични вериги с цел транскрипция. Получената иРНК в крайна сметка си проправя път към частите на клетките, където се получава производството на протеини, носейки инструкциите за този процес, доставени от ДНК. Вторият тип РНК, трансферна РНК (tRNA), участва в производството на протеини. Това се случва в клетъчните органели, наречени рибозоми, а самите рибозоми се състоят главно от трети тип РНК, наречена подходящо рибозомна РНК (rRNA).

Петте азотни основи - аденин (A), цитозин (C), гуанин (G) и тимин (T) в ДНК и първите три плюс урацил (U) в РНК - са частите от нуклеинови киселини, които в крайна сметка са отговорни за разнообразието на генните продукти в целия живот нещата. Частите от захар и фосфат са от съществено значение, тъй като осигуряват структура и скеле, но основите са там, където се генерират кодовете. Ако мислите за вашия преносим компютър като нуклеинова киселина или поне низ от нуцелотиди, хардуерът (напр. Дискови устройства, монитор екран, микропроцесор) е аналогичен на захарите и фосфатите, докато какъвто и софтуер и приложения, които работите, са като азотни бази, защото уникалният асортимент от програми, които сте заредили във вашата система, ефективно прави вашия компютър единствен по рода си „организъм“.

Както е описано по-рано, азотните основи се класифицират като пурини (A и G) или пиримидини (C, T и U). A винаги се сдвоява в ДНК верига с T, а C винаги се сдвоява с G. Важно е, че когато ДНК верига се използва като шаблон за РНК синтез (транскрипция), във всяка точка по нарастващата РНК молекула, РНК нуклеотидът, който е създаден от "родителския" ДНК нуклеотид, включва базата, която е тази, която "родителската" база винаги се свързва да се. Това е изследвано в следващ раздел.

Пурините се състоят от шестчленен азотно-въглероден пръстен и петчленен азотно-въглероден пръстен, като шестоъгълник и петоъгълник, които споделят страна. Пуриновият синтез включва химическо ощипване на рибозна захар, последвано от добавяне на амино (-NH₂) групи. Пиримидините също имат шестчленен азотно-въглероден пръстен, подобно на пурините, но им липсва петчленният азотно-въглероден пръстен на пурините. Следователно пурините имат по-висока молекулна маса от тези на пиримидините.

Синтезът на нуклеотиди, съдържащи пиримидини, и синтезът на нуклеотиди, съдържащи пурини, се случват в обратен ред в един решаващ етап. При пиримидините основната част се сглобява първо, а останалата част от молекулата се модифицира по-късно в нуклеотид. В пурините частта, която в крайна сметка се превръща в аденин или гуанин, се модифицира към края на образуването на нуклеотиди.

Транскрипцията е създаване на верига от иРНК от ДНК шаблон, носеща същите инструкции (т.е. генетичен код) за получаване на определен протеин, както шаблонът. Процесът протича в клетъчното ядро, където се намира ДНК. Когато двуверижната ДНК молекула се отдели на единични вериги и транскрипцията продължи, иРНК, която се генерира от една веригата на "разархивираната" ДНК двойка е идентична с ДНК на другата верига на разархивирана ДНК, с изключение на това, че иРНК съдържа U вместо T. (Отново позоваването на диаграма е полезно; виж референциите.) иРНК, след като завърши, напуска ядрото през порите в ядрената мембрана. След като мРНК напусне ядрото, тя се прикрепя към рибозома.

След това ензимите се свързват с рибозомния комплекс и подпомагат процеса на транслация. Преводът е превръщането на инструкцията за иРНК в протеини. Това се случва, когато аминокиселините, подединиците на протеините, се генерират от три-нуклеотидни "кодони" върху иРНК веригата. Процесът включва също рРНК (тъй като транслацията се извършва върху ребзомите) и тРНК (която помага за събирането на аминокиселини).

ДНК веригите се сглобяват в двойна спирала поради сливането на свързани фактори. Едно от тях са водородните връзки, които естествено се слагат в различни части на молекулата. Докато спиралата се образува, свързващите двойки азотни основи са перпендикулярни на оста на двойната спирала като цяло. Всеки пълен ход включва общо около 10 свързани двойки база-основа. Това, което би могло да се нарече "страните" на ДНК, когато е поставено като "стълба", сега се нарича "вериги" на двойната спирала. Те се състоят почти изцяло от рибозната и фосфатната част на нуклеотидите, като основите са вътре. Казва се, че спиралата има както големи, така и малки канали, които определят нейната в крайна сметка стабилна форма.

Въпреки че хромозомите могат да бъдат описани като много дълги нишки на ДНК, това е грубо опростяване. Вярно е, че дадена хромозома на теория може да се размотае, за да разкрие една-единствена непрекъсната ДНК молекула, но това не показва сложните навивки, намотки и групиране, които ДНК прави по пътя към образуването на хромозома. Една хромозома съдържа милиони ДНК двойки основи и ако цялата ДНК се разтегне, без да се нарушава спиралата, дължината й ще се разшири от няколко милиметра до над сантиметър. В действителност ДНК е далеч по-кондензирана. Протеините, наречени хистони, се образуват от четири двойки протеини на субединицата (общо осем субединици). Този октамер служи като някаква макара за двойната спирала на ДНК, която се увива два пъти, подобно на конец. Тази структура, октамерът плюс увитата около него ДНК, се нарича нуклеозома. Когато хромозомата е частично развита в нишка, наречена хроматида, тези нуклеозоми се появяват при микроскопия като мъниста на струна. Но над нивото на нуклеозомите се случва по-нататъшно компресиране на генетичния материал, въпреки че точният механизъм остава неуловим.

Разглеждат се ДНК, РНК и протеини биополимери защото те са повтарящи се последователности от информация и аминокиселини, които са свързани с живите същества („био“ означава „живот“). Днес молекулярните биолози признават, че ДНК и РНК в някаква форма предшестват възникването на живота нататък Земята, но от 2018 г. никой не беше разбрал пътя от ранните биополимери до обикновен живот нещата. Някои предполагат, че РНК под някаква форма е първоизточникът на всички тези неща, включително ДНК. Това е „световната хипотеза за РНК“. Това обаче представлява нещо като сценарий с пиле и яйца за биолозите, тъй като достатъчно големи РНК молекули изглежда не биха могли да се появят по друг начин, освен транскрипция. Във всеки случай учените с нарастващо нетърпение в момента изследват РНК като мишена за първата самовъзпроизвеждаща се молекула.

Химикалите, които имитират съставните части на нуклеиновите киселини, днес се използват като лекарства, като по-нататъшното развитие в тази област е в ход. Например, леко модифицирана форма на урацил, 5-флуороурацил (5-FU), се използва от десетилетия за лечение на карцином на дебелото черво. Той прави това, като имитира истинска азотна основа достатъчно плътно, така че да се вмъкне в новопроизведената ДНК. Това в крайна сметка води до разпадане на протеиновия синтез.

Имитатори на нуклеозиди (които, може би си спомняте, са захар от рибоза плюс азотна основа) са били използвани в антибактериални и антивирусни терапии. Понякога основната част на нуклеозида претърпява модификация, а в други случаи лекарството е насочено към захарната част.