Charakteristika nukleových kyselin

Mezi důležité nukleové kyseliny v přírodě patří deoxyribonukleová kyselina nebo DNA a ribonukleová kyselina nebo RNA. Nazývají se kyseliny, protože jsou donory protonu (tj. Atomu vodíku), a proto nesou negativní náboj.

Chemicky jsou DNA a RNA polymery, což znamená, že se skládají z opakujících se jednotek, často z velkého počtu. Tyto jednotky se nazývají nukleotidy. Všechny nukleotidy zase obsahují tři odlišné chemické části: pentózový cukr, fosfátovou skupinu a dusíkatou bázi.

DNA se liší od RNA třemi primárními způsoby. Jedním z nich je, že cukr, který tvoří strukturální „páteř“ molekuly nukleové kyseliny, je deoxyribóza, zatímco v RNA je to ribóza. Pokud jste vůbec obeznámeni s chemickou nomenklaturou, zjistíte, že se jedná o malý rozdíl v celkovém strukturálním schématu; ribóza má čtyři hydroxylové (-OH) skupiny, zatímco deoxyribóza má tři.

Druhým rozdílem je, že zatímco jednou ze čtyř dusíkatých bází nalezených v DNA je tymin, odpovídající bází v RNA je uracil. Konečné vlastnosti těchto látek diktují dusíkaté báze nukleových kyselin molekuly, protože fosfátové a cukerné části se nemění uvnitř ani mezi molekulami molekuly stejného typu.

Nakonec je DNA dvouvláknová, což znamená, že se skládá ze dvou dlouhých řetězců nukleotidů chemicky vázaných dvěma dusíkatými bázemi. DNA je navinuta do tvaru „dvojité šroubovice“, jako pružný žebřík zkroucený v opačných směrech na obou koncích.

Deoxyribóza se skládá z pětatomového kruhu, čtyř uhlíků a kyslíku ve tvaru pětiúhelníku nebo možná domácí desky v baseballu. Protože uhlík tvoří čtyři vazby a kyslík dvě, ponechává to osm vazebných míst volných na čtyřech atomech uhlíku, dvě na uhlík, jedno nad a jedno pod kruhem. Tři z těchto skvrn jsou obsazeny hydroxylovými (-OH) skupinami a pět je nárokováno atomy vodíku.

Tato molekula cukru se může vázat na jednu ze čtyř dusíkatých bází: adenin, cytosin, guanin a thymin. Adenin (A) a guanin (G) jsou puriny, zatímco cytosin (C) a thymin (T) jsou pyrimidiny. Puriny jsou větší molekuly než pyrimidiny; protože dva řetězce jakékoli úplné molekuly DNA jsou uprostřed vázány svými dusíkatými bázemi, tyto vazby se musí tvořit mezi jedním purinem a jedním pyrimidinem, aby zhruba udržovala celkovou velikost dvou bází v celé molekule konstantní. (Pomáhá při čtení odkazovat na jakýkoli diagram nukleových kyselin, například na ty v Referencích.) Jak se to stane, A se váže výhradně na T v DNA, zatímco C se váže výhradně na G.

Deoxyribóza vázaná na dusíkatou bázi se nazývá a nukleosid. Když se k deoxyribóze přidá fosfátová skupina na uhlíku dvě místa od místa, kde je připojena báze, vytvoří se kompletní nukleotid. Zvláštnosti příslušných elektrochemických nábojů na různých atomech v nukleotidech jsou zodpovědný za dvouvláknovou DNA přirozeně tvořící spirálovitý tvar a dva řetězce DNA v molekule se nazývají doplňkové prameny.

Pentózový cukr v RNA je spíše ribóza než deoxyribóza. Ribóza je identická s deoxyribózou, kromě toho, že kruhová struktura je vázána na čtyři hydroxylové (-OH) skupiny a čtyři atomy vodíku místo tří, respektive pěti. Ribosová část nukleotidu je navázána na fosfátovou skupinu a dusíkatou bázi, jako u DNA, se střídáním fosfátů a cukry tvořící RNA „páteř“. Báze, jak je uvedeno výše, zahrnují A, C a G, ale druhým pyrimidinem v RNA je spíše uracil (U) než T.

Zatímco DNA se zabývá pouze ukládáním informací (gen je jednoduše řetězec DNA, který kóduje jeden protein), různé typy RNA přebírají různé funkce. Messenger RNA nebo mRNA se vyrábí z DNA, když se obvykle dvouřetězcová DNA za účelem transkripce rozdělí na dva jednoduché řetězce. Výsledná mRNA se nakonec dostává do částí buněk, kde dochází k výrobě proteinů, nesoucí pokyny pro tento proces dodávané DNA. Na výrobě proteinů se podílí druhý typ RNA, transferová RNA (tRNA). K tomu dochází na buněčných organelách nazývaných ribozomy a samotné ribozomy sestávají hlavně ze třetího typu RNA, který se nazývá trefně ribozomální RNA (rRNA).

Pět dusíkatých bází - adenin (A), cytosin (C), guanin (G) a tymin (T) v DNA a první tři plus uracil (U) v RNA - jsou části nukleových kyselin, které jsou v konečném důsledku odpovědné za rozmanitost genových produktů napříč živými věci. Cukorové a fosfátové části jsou nezbytné v tom, že poskytují strukturu a lešení, ale základy jsou tam, kde jsou generovány kódy. Pokud si myslíte, že váš přenosný počítač je nukleová kyselina nebo alespoň řada nukleotidů, hardware (např. Diskové jednotky, monitor obrazovka, mikroprocesor) je analogický s cukry a fosfáty, zatímco jakýkoli software a aplikace, které používáte, jsou jako dusíkaté základny, protože jedinečný sortiment programů, které jste do svého systému načetli, efektivně dělá váš počítač jedinečným "organismus."

Jak bylo popsáno výše, dusíkaté báze se klasifikují buď jako puriny (A a G) nebo pyrimidiny (C, T a U). A se vždy páruje ve vlákně DNA s T a C se vždy páruje s G. Důležité je, že když se řetězec DNA používá jako templát pro syntézu RNA (transkripci), v každém bodě podél rostoucí molekuly RNA, RNA nukleotid, který je vytvořen z „mateřského“ nukleotidu DNA, zahrnuje bázi, která je tou, kterou „mateřská“ báze vždy váže na. To je prozkoumáno v další části.

Puriny se skládají ze šestičlenného kruhu dusíku a uhlíku a pětičlenného kruhu dusíku a uhlíku, jako je šestiúhelník a pětiúhelník, které mají společnou stranu. Syntéza purinu zahrnuje chemické vyladění ribózového cukru, po kterém následuje přidání amino (-NH)₂) skupiny. Pyrimidiny mají také šestičlenný dusíkový a uhlíkový kruh, jako jsou puriny, ale postrádají pětičlenný dusíkový a uhlíkový kruh purinů. Puriny proto mají vyšší molekulovou hmotnost než pyrimidiny.

Syntéza nukleotidů obsahujících pyrimidiny a syntéza nukleotidů obsahujících puriny probíhají v jednom zásadním kroku v opačném pořadí. U pyrimidinů je bazální část sestavena jako první a zbytek molekuly je později modifikován na nukleotid. V purinech je část, která se nakonec stane adeninem nebo guaninem, modifikována ke konci tvorby nukleotidů.

Transkripce je vytvoření řetězce mRNA z templátu DNA nesoucího stejné pokyny (tj. Genetický kód) pro výrobu konkrétního proteinu jako templát. Proces probíhá v buněčném jádru, kde se nachází DNA. Když se dvouřetězcová molekula DNA rozdělí na jednotlivé řetězce a probíhá transkripce, mRNA, která je generována z jednoho řetězec „rozbaleného“ páru DNA je identický s DNA druhého řetězce rozbalené DNA, kromě toho, že mRNA obsahuje místo T. (Znovu je odkaz na diagram užitečný; viz odkazy.) Jakmile je mRNA úplná, opouští jádro póry v jaderné membráně. Poté, co mRNA opustí jádro, připojí se k ribozomu.

Enzymy se pak připojí k ribozomálnímu komplexu a pomáhají v procesu překladu. Překlad je přeměna instrukce mRNA na proteiny. K tomu dochází, když jsou aminokyseliny, podjednotky proteinů, generovány ze tří-nukleotidových „kodonů“ na řetězci mRNA. Tento proces také zahrnuje rRNA (protože translace probíhá na ribsomech) a tRNA (která pomáhá sestavovat aminokyseliny).

Vlákna DNA se seskupují do dvojité spirály kvůli soutoku souvisejících faktorů. Jedním z nich jsou vodíkové vazby, které přirozeně padají na místo v různých částech molekuly. Jak se tvoří šroubovice, vazebné páry dusíkatých bází jsou kolmé k ose dvojité šroubovice jako celku. Každé celé otočení zahrnuje celkem asi 10 párů vázaných mezi bázemi. To, co by se dalo nazvat „stranami“ DNA, pokud by byly uspořádány jako „žebřík“, se nyní nazývá „řetězy“ dvojité šroubovice. Skládají se téměř výhradně z ribosové a fosfátové části nukleotidů, přičemž báze jsou uvnitř. Říká se, že šroubovice má hlavní i vedlejší drážky, které určují její nakonec stabilní tvar.

I když lze chromozomy popsat jako velmi dlouhé řetězce DNA, jedná se o hrubé zjednodušení. Je pravda, že daný chromozom by teoreticky mohl být odvinut, aby odhalil jedinou neporušenou molekulu DNA, ale to neindikuje složité navíjení, zařazování a shlukování, které DNA na cestě k vytvoření a chromozóm. Jeden chromozom obsahuje miliony párů bází DNA, a pokud by se veškerá DNA natáhla, aniž by se zlomila spirála, její délka by sahala od několika milimetrů do více než centimetru. Ve skutečnosti je DNA mnohem kondenzovanější. Proteiny zvané histony se tvoří ze čtyř párů podjednotkových proteinů (celkem osm podjednotek). Tento oktamer slouží jako druh cívky pro dvojitou spirálu DNA, která se dvakrát omotá, jako nit. Tato struktura, oktamer plus DNA obalená kolem ní, se nazývá nukleosom. Když je chromozom částečně odvinut do řetězce zvaného chromatid, tyto nukleosomy se při mikroskopii jeví jako kuličky na provázku. Ale nad úrovní nukleosomů dochází k další kompresi genetického materiálu, ačkoli přesný mechanismus zůstává nepolapitelný.

Uvažuje se o DNA, RNA a proteinech biopolymery protože jsou to opakované sekvence informací a aminokyselin, které jsou spojeny s živými věcmi („bio“ znamená „život“). Molekulární biologové dnes uznávají, že DNA a RNA v nějaké formě předcházejí vzniku života Země, ale od roku 2018 nikdo nepřišel na cestu od raných biopolymerů k jednoduchému životu věci. Někteří se domnívali, že RNA v nějaké formě byla původním zdrojem všech těchto věcí, včetně DNA. Toto je „světová hypotéza RNA“. To však pro biology představuje jakýsi scénář slepice a vajec, protože dostatečně velké molekuly RNA zdánlivě nemohly vzniknout jiným způsobem než transkripce. V každém případě vědci v současné době s rostoucí dychtivostí zkoumají RNA jako cíl pro první samoreplikující se molekulu.

Chemikálie, které napodobují složky nukleových kyselin, se dnes používají jako léky, přičemž v této oblasti probíhá další vývoj. Například mírně upravená forma uracilu, 5-fluorouracil (5-FU), se po celá desetiletí používá k léčbě karcinomu tlustého střeva. Dělá to tak, že dostatečně blízko napodobuje skutečnou dusíkatou bázi, takže se vloží do nově vyrobené DNA. To nakonec vede k rozpadu syntézy bílkovin.

Imitátoři nukleosidů (což si můžete vzpomenout, jsou ribózový cukr plus dusíkatá báze) se používají v antibakteriálních a antivirových terapiích. Někdy je to základní část nukleosidu, která prochází modifikací, a jindy je lék zaměřen na část cukru.