Nukleové kyseliny: struktura, funkce, typy a příklady

Nukleové kyseliny představují jednu ze čtyř hlavních kategorií biomolekuly, což jsou látky, které tvoří buňky. Ostatní jsou bílkoviny, sacharidy a lipidy (nebo tuky).

Nukleové kyseliny, které zahrnují DNA (deoxyribonukleová kyselina) a RNA (kyselina ribonukleová)se liší od ostatních tří biomolekul v tom, že nemohou být metabolizovány, aby dodávaly energii mateřskému organismu.

(Proto na štítcích s nutričními informacemi nevidíte „nukleovou kyselinu“.)

Funkcí DNA a RNA je uchovávání genetické informace. Úplnou kopii vaší vlastní DNA lze nalézt v jádru téměř každé buňky v těle, což vytváří tuto agregaci DNA - tzv. chromozomy v tomto kontextu - spíše jako pevný disk notebooku.

V tomto schématu se nazývá délka RNA tohoto druhu messenger RNA obsahuje kódované instrukce pouze pro jeden proteinový produkt (tj. obsahuje jediný gen) a je tedy spíše jako „flash disk“ obsahující jeden důležitý soubor.

DNA a RNA spolu velmi úzce souvisí. Jediná substituce atomu vodíku (–H) v DNA za hydroxylovou skupinu (–OH) připojenou k odpovídající atom uhlíku v RNA odpovídá za celý chemický a strukturální rozdíl mezi nimi nukleové kyseliny.

Jak uvidíte, jak se v chemii často stává, malý rozdíl na atomové úrovni má zjevné a hluboké praktické důsledky.

Nukleové kyseliny jsou tvořeny nukleotidy, což jsou látky, které samy sestávají ze tří odlišných chemických skupin: a pentózový cukrjedna až tři fosfátové skupiny a dusíkatá báze.

Pentosacharidem v RNA je ribóza, zatímco v DNA je deoxyribóza. Také v nukleových kyselinách mají nukleotidy pouze jednu fosfátovou skupinu. Jedním příkladem dobře známého nukleotidu, který se může pochlubit několika fosfátovými skupinami, je ATPnebo adenosintrifosfát. ADP (adenosindifosfát) se účastní mnoha stejných procesů jako ATP.

Jednotlivé molekuly DNA mohou být mimořádně dlouhá a může sahat až do délky celého chromozomu. Molekuly RNA mají mnohem menší velikost než molekuly DNA, ale stále se kvalifikují jako makromolekuly.

Ribose (cukr RNA) má pětatomový kruh, který obsahuje čtyři z pěti uhlíků v cukru. Tři z ostatních jsou obsazeny hydroxylovými (–OH) skupinami, jednou atomem vodíku a jednou hydroxymethylovou (–CH2OH) skupinou.

Jediný rozdíl v deoxyribóza (cukr DNA) je to, že jedna ze tří hydroxylových skupin (ta v poloze 2-uhlík) je pryč a je nahrazena atomem vodíku.

I když DNA i RNA obsahují nukleotidy s jednou ze čtyř možných dusíkatých bází, tyto se mezi dvěma nukleovými kyselinami mírně liší. DNA obsahuje adenin (A), cytosin (C), guanin (G) a thymin. zatímco RNA má A, C a G ale uracil (U) místo tyminu.

Většina funkčních rozdílů mezi DNA a RNA souvisí s jejich výrazně odlišnými rolemi v buňkách. DNA je místo, kde je uložen genetický kód pro život - nejen reprodukce, ale každodenní činnosti.

RNA, nebo alespoň mRNA, je zodpovědná za shromažďování stejných informací a jejich přenos do ribozomů mimo jádro, kde se tvoří bílkoviny, které umožňují provádění výše zmíněných metabolických činnosti.

Sekvence bází nukleové kyseliny je tam, kde jsou neseny její specifické zprávy, a dusíkatá lze tedy říci, že základny jsou v konečném důsledku odpovědné za rozdíly ve zvířatech stejného druhu - to je, různé projevy stejné vlastnosti (např. barva očí, vzor ochlupení).

Dvě ze zásad v nukleových kyselinách (A a G) jsou puriny, zatímco dvě (C a T v DNA; C a U v RNA) jsou pyrimidiny. Molekuly purinu obsahují dva kondenzované kruhy, zatímco pyrimidiny mají pouze jeden a jsou obecně menší. Jak se brzy dozvíte, molekula DNA je dvouvláknová z důvodu vazby mezi nukleotidy v sousedních pramenech.

Purinová báze se může vázat pouze na pyrimidinovou bázi, protože dva puriny by zabraly příliš mnoho místa mezi prameny a dvěma pyrimidiny je příliš málo, přičemž kombinace purinu a pyrimidinu je správná velikost.

Ale věci jsou ve skutečnosti přísněji kontrolovány než toto: V nukleových kyselinách Avazby pouze naT (neboU v RNA), zatímco C se váže pouze na G.

Kompletní popis molekuly DNA jako a dvouvláknová spirála v roce 1953 James Watson a Francis Crick nakonec získali duo Nobelovu cenu, ačkoli rentgenová difrakční práce Rosalind Franklinová v letech vedoucích k tomuto úspěchu pomohla úspěchu páru a je často podhodnocena historické knihy.

V přírodě, DNA existuje jako spirála protože toto je energeticky nejpříznivější forma pro konkrétní sadu molekul, které obsahuje.

Postranní řetězce, báze a další části molekuly DNA zažívají správnou směs elektrochemických atrakcí a elektrochemických látek odpuzování, takže molekula je „nejpohodlnější“ ve tvaru dvou spirál, mírně odsazených od sebe, jako propletená spirála schodiště.

Vlákna DNA se skládají ze střídajících se fosfátových skupin a zbytků cukru, přičemž dusíkaté báze jsou připojeny k jiné části části cukru. Vlákno DNA nebo RNA se prodlužuje díky vodíkovým vazbám vytvořeným mezi fosfátovou skupinou jednoho nukleotidu a zbytkem cukru dalšího.

Konkrétně je připojen fosfát na uhlíku číslo 5 (často psaný 5 ') příchozího nukleotidu místo hydroxylové skupiny na uhlíku číslo 3 (nebo 3 ') rostoucího polynukleotidu (malá nukleová kyselina). Toto se nazývá a fosfodiesterová vazba.

Mezitím jsou všechny nukleotidy s bázemi A seřazeny s nukleotidy s bázemi T v DNA a nukleotidy s bázemi U v RNA; C se jedinečně páruje s G v obou.

Říká se, že jsou to dva řetězce molekuly DNA komplementární navzájem, protože sekvenci bází jednoho lze určit pomocí sekvence bází druhého díky jednoduchému schématu párování bází, které molekuly nukleových kyselin pozorují.

RNA, jak je uvedeno, je mimořádně podobná DNA na chemické úrovni, přičemž pouze jedna dusíkatá báze mezi čtyřmi je odlišná a jeden „extra“ atom kyslíku v cukru RNA. Je zřejmé, že tyto zdánlivě banální rozdíly jsou dostatečné k zajištění podstatně odlišného chování mezi biomolekulami.

Pozoruhodné je, že RNA je jednovláknové. To znamená, že neuvidíte termín „komplementární řetězec“ používaný v souvislosti s touto nukleovou kyselinou. Různé části stejného řetězce RNA však mohou vzájemně interagovat, což znamená, že tvar RNA se ve skutečnosti liší více než tvar DNA (vždy dvojitá šroubovice). Proto existuje řada různých typů RNA.

• mRNA, nebo messenger RNA, používá komplementární párování bází k přenosu zprávy, kterou jí DNA dává během transkripce na ribozomy, kde je tato zpráva přeložena do syntézy proteinů. Přepis je podrobně popsán níže.
• rRNAnebo ribozomální RNA tvoří značnou část hmoty ribozomů, struktur v buňkách odpovědných za syntézu proteinů. Zbytek hmotnosti ribozomů tvoří bílkoviny.
• tRNAnebo transfer RNA hraje při translaci zásadní roli tím, že převádí aminokyseliny určené pro rostoucí polypeptidový řetězec na místo, kde se shromažďují proteiny. V přírodě je 20 aminokyselin, každá s vlastní tRNA.
  

Představte si, že vám bude předložen řetězec nukleové kyseliny se základní sekvencí AAATCGGCATTA. Pouze na základě těchto informací byste měli být schopni rychle uzavřít dvě věci.

Jedním z nich je, že se jedná o DNA, nikoli o RNA, jak vyplývá z přítomnosti thyminu (T). Druhá věc, kterou můžete říct, je, že komplementární vlákno této molekuly DNA má základní sekvenci TTTAGCCGTAAT.

Můžete si také být jisti řetězcem mRNA, který by vznikl z tohoto řetězce DNA podstupujícího transkripci RNA. Mělo by to stejné sled bází jako komplementární řetězec DNA, přičemž všechny případy tyminu (T) jsou nahrazeny uracilem (U).

Je to proto, že replikace DNA a transkripce RNA fungují podobně v tom, že vlákno vyrobené z templátového vlákna je ne duplikát tohoto vlákna, ale jeho komplement nebo ekvivalent v RNA.

Aby si molekula DNA mohla vytvořit vlastní kopii, musí se v blízkosti kopírování oddělit dva řetězce dvojité šroubovice. Je to proto, že každý řetězec je kopírován (replikován) samostatně a proto, že se ho účastní enzymy a další molekuly replikace DNA potřebují prostor pro interakci, což dvojitá šroubovice neposkytuje. Tak se tyto dva řetězce fyzicky oddělí a DNA se říká, že je denaturovaný.

Každé oddělené vlákno DNA dělá nové vlákno komplementární k sobě samému a zůstává k němu vázáno. V jistém smyslu se tedy v každé nové dvouvláknové molekule od jejího rodiče nic neliší. Chemicky mají stejné molekulární složení. Ale jeden z řetězců v každé dvojité šroubovici je zcela nový, zatímco druhý zbyl ze samotné replikace.

Když k replikaci DNA dochází současně podél oddělených komplementárních řetězců, syntéza nových řetězců skutečně probíhá v opačných směrech. Na jedné straně nový řetězec jednoduše roste ve směru DNA, která je „rozbalená“, protože je denaturována.

Na druhé straně jsou však syntetizovány malé fragmenty nové DNA pryč ze směru oddělování pramenů. Říká se jim fragmenty Okazaki a po dosažení určité délky jsou spojeny dohromady enzymy. Tyto dva nové řetězce DNA jsou antiparalelní navzájem.

Transkripce RNA je podobná replikaci DNA v tom, že k jejímu zahájení je nutné spárování řetězců DNA. mRNA se připravuje podél templátu DNA postupným přidáváním nukleotidů RNA pomocí enzymu RNA polymerázy.

Tento počáteční přepis RNA vytvořené z DNA vytváří to, co nazýváme pre-mRNA. Toto vlákno pre-mRNA obsahuje obojí introny a exony. Introny a exony jsou úseky v DNA / RNA, které buď kódují nebo nekódují části genového produktu.

Introny jsou nekódující sekce (nazývané také „intvydávání sekcí "), zatímco exony jsou kódovací sekce (nazývané také „napřlisované sekce ").

Předtím, než toto vlákno mRNA opustí jádro, které má být přeloženo na protein, enzymy v jádru vylučují, neboli vystřižené, introny, protože nekódují nic v tomto konkrétním genu. Enzymy poté spojí zbývající intronové sekvence, aby vám poskytly finální řetězec mRNA.

Jedno vlákno mRNA obvykle obsahuje přesně základní sekvenci nezbytnou k sestavení jednoho jedinečného proteinu po směru v DNA překlad proces, což znamená, že jedna molekula mRNA obvykle nese informace pro jednu gen. Gen je sekvence DNA, která kóduje konkrétní proteinový produkt.

Jakmile je transkripce dokončena, vlákno mRNA je exportováno z jádra póry v jaderné obálce. (Molekuly RNA jsou příliš velké na to, aby jednoduše difundovaly přes jadernou membránu, stejně jako voda a další malé molekuly). Pak se „zakotví“ s ribozomy v cytoplazmě nebo v určitých organelách a proteosyntéza je zahájeno.

Nukleové kyseliny nemohou být metabolizovány na palivo, ale mohou být vytvořeny z velmi malých molekul nebo rozloženy z jejich úplné formy na velmi malé části. Nukleotidy jsou syntetizovány prostřednictvím anabolických reakcí, často z nukleosidů, které jsou nukleotidy minus fosfátové skupiny (tj. Nukleosid je ribózový cukr plus dusíkatá báze).

DNA a RNA mohou být také degradovány: z nukleotidů na nukleosidy, poté na dusíkaté báze a případně na kyselinu močovou.

Rozklad nukleových kyselin je důležitý pro celkové zdraví. Například neschopnost rozkládat puriny souvisí s dnou, bolestivým onemocněním postihujícím některé klouby díky usazeninám krystalů urátu v těchto místech.