Nukleinsyrer: Struktur, funktion, typer og eksempler

Nukleinsyrer repræsenterer en af ​​de fire hovedkategorier af biomolekyler, som er de stoffer, der udgør celler. De andre er proteiner, kulhydrater og lipider (eller fedtstoffer).

Nukleinsyrer, som inkluderer DNA (deoxyribonukleinsyre) og RNA (ribonukleinsyre)adskiller sig fra de andre tre biomolekyler ved, at de ikke kan metaboliseres for at levere energi til moderorganismen.

(Derfor kan du ikke se "nukleinsyre" på etiketterne med ernæringsoplysninger.)

Funktionen af ​​DNA og RNA er at gemme genetisk information. En komplet kopi af dit eget DNA kan findes i kernen i næsten alle celler i din krop, hvilket gør denne aggregering af DNA - kaldet kromosomer i denne sammenhæng - snarere som harddisken på en bærbar computer.

I denne ordning kaldes en længde af RNA af den slags messenger RNA indeholder de kodede instruktioner for kun et proteinprodukt (dvs. det indeholder et enkelt gen) og ligner derfor mere et "tommelfinger-drev" indeholdende en enkelt vigtig fil.

DNA og RNA er meget nært beslægtede. Den enkelte substitution af et hydrogenatom (–H) i DNA med en hydroxylgruppe (–OH) bundet til tilsvarende kulstofatom i RNA tegner sig for hele den kemiske og strukturelle forskel mellem de to nukleinsyrer.

Som du vil se, har det, som så ofte sker inden for kemi, noget, der virker som en lille forskel på atomniveau, indlysende og dybe praktiske konsekvenser.

Nukleinsyrer består af nukleotider, som er stoffer, der i sig selv består af tre forskellige kemiske grupper: a pentosesukker, en til tre fosfatgrupper og en nitrogenholdig base.

Pentosesukkeret i RNA er ribose, mens det i DNA er deoxyribose. I nukleinsyrer har nukleotider også kun en phosphatgruppe. Et eksempel på et velkendt nukleotid, der kan prale af flere fosfatgrupper, er ATPeller adenosintriphosphat. ADP (adenosindiphosphat) deltager i mange af de samme processer, som ATP gør.

Enkelt DNA-molekyler kan være ekstraordinært lang og kan strække sig over længden af ​​et helt kromosom. RNA-molekyler er langt mere begrænsede i størrelse end DNA-molekyler, men betegnes stadig som makromolekyler.

Ribose (RNA-sukkeret) har en fem-atomring, der inkluderer fire af de fem carbonatomer i sukkeret. Tre af de andre er optaget af hydroxyl (–OH) grupper, en af ​​et hydrogenatom og en af ​​en hydroxymethyl (–CH2OH) gruppe.

Den eneste forskel i deoxyribose (DNA-sukkeret) er, at en af ​​de tre hydroxylgrupper (den i 2-kulstofposition) er væk og erstattes af et hydrogenatom.

Selvom både DNA og RNA har nukleotider med en af ​​fire mulige nitrogenholdige baser inkluderet, varierer disse også lidt mellem de to nukleinsyrer. DNA har adenin (A), cytosin (C), guanin (G) og thymin. mens RNA har A, C og G men uracil (U) i stedet for thymin.

De fleste af de funktionelle forskelle mellem DNA og RNA vedrører deres markant forskellige roller i celler. DNA er, hvor den genetiske kode for at leve - ikke kun reproduktion men daglige livsaktiviteter - er gemt.

RNA, eller i det mindste mRNA, er ansvarlig for at indsamle den samme information og bringe den til ribosomerne uden for kernen, hvor proteiner er bygget, der tillader udførelse af de førnævnte metaboliske aktiviteter.

Basesekvensen for en nukleinsyre er, hvor dens specifikke meddelelser bæres, og den nitrogenholdige baser kan således siges at være i sidste ende ansvarlige for forskelle i dyr af samme art - det er, forskellige manifestationer af det samme træk (f.eks. øjenfarve, kropshårmønster).

To af baserne i nukleinsyrer (A og G) er puriner, mens to (C og T i DNA; C og U i RNA) er pyrimidiner. Purinmolekyler indeholder to sammensmeltede ringe, mens pyrimidiner kun har en og generelt er mindre. Som du snart vil lære, er DNA-molekylet det dobbeltstrenget på grund af binding mellem nukleotider i tilstødende tråde.

En purinbase kan kun binde sig til en pyrimidinbase, fordi to puriner ville tage for meget plads mellem tråde og to pyrimidiner for lidt, hvor en purin-pyrimidin-kombination er den helt rigtige størrelse.

Men tingene er faktisk mere stramt kontrolleret end dette: I nukleinsyrer, ENkun obligationer tilT (ellerU i RNA), hvorimod C binder kun til G.

Den komplette beskrivelse af DNA-molekylet som en dobbeltstrenget helix i 1953 af James Watson og Francis Crick til sidst tjente duoen en Nobelpris, skønt røntgendiffraktionsarbejdet fra Rosalind Franklin i årene, der førte til denne præstation, var medvirkende til parrets succes og er ofte undervurderet i historiebøger.

I naturen, DNA eksisterer som en helix fordi dette er den mest energisk gunstige form for det bestemte sæt molekyler, det indeholder, at tage.

Sidekæderne, baserne og andre dele af DNA-molekylet oplever den rigtige blanding af elektrokemiske attraktioner og elektrokemiske frastød, så molekylet er mest "behageligt" i form af to spiraler, let forskudt fra hinanden, som sammenvævet spiralform trapper.

DNA-tråde består af vekslende fosfatgrupper og sukkerrester, hvor de nitrogenholdige baser er bundet til en anden del af sukkerdelen. En DNA- eller RNA-streng forlænges takket være hydrogenbindinger dannet mellem phosphatgruppen i det ene nukleotid og sukkerresten i det næste.

Specifikt er phosphatet ved nummer-5 carbon (ofte skrevet 5 ') af det indkommende nukleotid bundet i stedet for hydroxylgruppen på antallet-3 carbon (eller 3 ') af det voksende polynukleotid (lille nukleinsyre syre). Dette er kendt som en phosphodiester-forbindelse.

I mellemtiden er alle nukleotider med A-baser foret med nukleotider med T-baser i DNA og nukleotider med U-baser i RNA; C parres entydigt med G i begge.

De to tråde af et DNA-molekyle siges at være supplerende til hinanden, fordi basesekvensen for den ene kan bestemmes ved anvendelse af basesekvensen for den anden takket være det enkle baseparringsskema, som nukleinsyremolekyler observerer.

RNA er, som bemærket, ekstraordinært lig DNA på kemisk niveau, hvor kun en nitrogenholdig base blandt fire er forskellige og et enkelt "ekstra" iltatom i RNA-sukkeret. Disse tilsyneladende trivielle forskelle er åbenbart tilstrækkelige til at sikre væsentligt forskellig opførsel mellem biomolekylerne.

Især er RNA det enkeltstrenget. Det vil sige, du vil ikke se udtrykket "komplementær streng" brugt i sammenhæng med denne nukleinsyre. Forskellige dele af den samme RNA-streng kan dog interagere med hinanden, hvilket betyder, at RNA-formen faktisk varierer mere end DNA-formen (altid en dobbelt helix). Følgelig er der adskillige forskellige typer RNA.

• mRNA, eller messenger RNA, bruger komplementær baseparring til at bære meddelelsen DNA giver det under transkription til ribosomerne, hvor denne meddelelse oversættes til proteinsyntese. Transskription er beskrevet detaljeret nedenfor.
• rRNA, eller ribosomalt RNA, udgør en betydelig del af ribosomernes masse, strukturer i celler, der er ansvarlige for proteinsyntese. Resten af ​​massen af ​​ribosomer består af proteiner.
• tRNA, eller overføre RNA, spiller en kritisk rolle i translation ved at skifte aminosyrer bestemt til den voksende polypeptidkæde til det sted, hvor proteiner samles. Der er 20 aminosyrer i naturen, hver med sin egen tRNA.
  

Forestil dig at blive præsenteret med en streng af nukleinsyre med basesekvensen AAATCGGCATTA. Baseret på disse oplysninger alene skal du være i stand til at konkludere to ting hurtigt.

Den ene, at dette er DNA, ikke RNA, som afsløret ved tilstedeværelsen af ​​thymin (T). Den anden ting du kan fortælle er, at den komplementære streng af dette DNA-molekyle har basesekvensen TTTAGCCGTAAT.

Du kan også være sikker på den mRNA-streng, der ville være resultatet af denne DNA-streng, der gennemgår RNA-transkription. Det ville have det samme rækkefølge af baser som den komplementær DNA-streng, hvor ethvert tilfælde af thymin (T) erstattes af uracil (U).

Dette skyldes, at DNA-replikation og RNA-transkription fungerer på samme måde, fordi den streng, der er fremstillet af skabelonstrengen, er ikke en kopi af den streng, men dets komplement eller det ækvivalente i RNA.

For at et DNA-molekyle kan fremstille en kopi af sig selv, skal de to tråde i dobbelthelixen adskille sig i nærheden af ​​kopiering. Dette skyldes, at hver streng kopieres (replikeres) separat, og fordi de enzymer og andre molekyler, der deltager i DNA-replikation har brug for plads til at interagere, hvilket en dobbelt helix ikke giver. Således bliver de to tråde fysisk adskilt, og DNA siges at være denatureret.

Hver adskilt DNA-streng gør en ny streng komplementær til sig selv og forbliver bundet til den. Så på en måde er intet anderledes i hvert nye dobbeltstrengede molekyle fra dets forælder. Kemisk har de samme molekylære sammensætning. Men en af ​​strengene i hver dobbelthelix er helt ny, mens den anden er tilbage fra replikeringen selv.

Når DNA-replikation sker samtidigt langs adskilte komplementære tråde, forekommer syntesen af ​​de nye tråde faktisk i modsatte retninger. På den ene side vokser den nye streng simpelthen i retning af, at DNA'et "pakkes ud", da det denatureres.

På den anden side syntetiseres dog små fragmenter af nyt DNA væk fra retning af strengadskillelse. Disse kaldes Okazaki-fragmenter og forbindes sammen af ​​enzymer, når de har nået en vis længde. Disse to nye DNA-tråde er antiparallel til hinanden.

RNA-transkription svarer til DNA-replikation, idet det er nødvendigt at oprette parring af DNA-tråde for at den kan starte. mRNA fremstilles langs DNA-skabelonen ved sekventiel tilsætning af RNA-nukleotider af enzymet RNA-polymerase.

Denne indledende udskrift af RNA oprettet fra DNA opretter det, vi kalder præ-mRNA. Denne præ-mRNA-streng indeholder begge dele introner og exoner. Introner og exoner er sektioner inden for DNA / RNA, der enten gør eller ikke koder for dele af genproduktet.

Introns er ikke-kodende sektioner (også kaldet "interfering sektioner ") mens eksoner er kodningssektioner (også kaldet "ekspressede sektioner ").

Inden denne streng af mRNA efterlader kernen for at blive oversat til et protein, udskæres enzymer i kernen, også udskåret, intronerne, da de ikke koder for noget i det pågældende gen. Enzymer forbinder derefter de resterende intronsekvenser for at give dig den endelige mRNA-streng.

En mRNA-streng inkluderer normalt nøjagtigt den basesekvens, der er nødvendig for at samle et unikt protein nedstrøms i oversættelse proces, hvilket betyder, at et mRNA-molekyle typisk bærer informationen til en gen. Et gen er en DNA-sekvens, der koder for et bestemt proteinprodukt.

Når transkriptionen er afsluttet, eksporteres mRNA-strengen ud af kernen gennem porer i kernekapslen. (RNA-molekyler er for store til blot at diffundere gennem kernemembranen, ligesom vand og andre små molekyler). Derefter "dokker" det med ribosomer i cytoplasmaet eller inden for visse organeller, og proteinsyntese er indledt.

Nukleinsyrer kan ikke metaboliseres til brændstof, men de kan dannes fra meget små molekyler eller nedbrydes fra deres komplette form til meget små dele. Nukleotider syntetiseres gennem anabolske reaktioner, ofte fra nukleosider, som er nukleotider minus eventuelle fosfatgrupper (dvs. et nukleosid er et ribosesukker plus en nitrogenholdig base).

DNA og RNA kan også nedbrydes: fra nukleotider til nukleosider, derefter til nitrogenholdige baser og til sidst til urinsyre.

Nedbrydning af nukleinsyrer er vigtig for generel sundhed. For eksempel er manglende evne til at nedbryde puriner knyttet til gigt, en smertefuld sygdom, der rammer nogle af leddene takket være uratkrystalaflejringer på disse steder.