Δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ (DNA) και ριβονουκλεϊκό οξύ (RNA) είναι τα δύο νουκλεϊκά οξέα που βρίσκονται στη φύση. Τα νουκλεϊκά οξέα με τη σειρά τους αντιπροσωπεύουν ένα από τα τέσσερα «μόρια της ζωής», ή τα βιομόρια. Οι άλλοι είναι πρωτεΐνες, υδατάνθρακες και λιπίδια. Τα νουκλεϊκά οξέα είναι τα μόνα βιομόρια που δεν μπορούν να μεταβολιστούν τριφωσφορική αδενοσίνη (ATP, το «ενεργειακό νόμισμα» των κυττάρων).
Το DNA και το RNA φέρουν και οι δύο χημικές πληροφορίες με τη μορφή σχεδόν πανομοιότυπου και λογικά απλού γενετικού κώδικα. Το DNA είναι το δημιουργός του μηνύματος και των μέσων με τα οποία μεταδίδεται σε επόμενες γενιές κυττάρων και ολόκληρων οργανισμών. Το RNA είναι το μετακομιστής του μηνύματος από τον εκπαιδευτή προς τους εργαζόμενους στη γραμμή συναρμολόγησης.
Ενώ το DNA είναι άμεσα υπεύθυνο για messenger RNA (mRNA) σύνθεση στη διαδικασία που ονομάζεται μεταγραφή, το DNA βασίζεται επίσης στο RNA για να λειτουργεί σωστά προκειμένου να μεταφέρει τις οδηγίες του σε ριβοσώματα εντός των κυττάρων. Τα νουκλεϊκά οξέα DNA και RNA μπορούν επομένως να θεωρηθούν ότι έχουν αναπτύξει αλληλεξάρτηση μεταξύ τους εξίσου ζωτικής σημασίας για την αποστολή της ζωής.
Νουκλεϊκά οξέα: Επισκόπηση
Νουκλεϊκά οξέα είναι μακρά πολυμερή που αποτελούνται από μεμονωμένα στοιχεία που ονομάζονται νουκλεοτίδια. Κάθε νουκλεοτίδιο αποτελείται από τρία ξεχωριστά στοιχεία του: ένα έως τρία φωσφορικές ομάδες, ένα ζάχαρη ριβόζης και ένα από τα τέσσερα πιθανά αζωτούχες βάσεις.
Σε προκαρυώτες, που δεν έχουν πυρήνα κυττάρου, τόσο το DNA όσο και το RNA βρίσκονται ελεύθερα στο κυτόπλασμα. Σε ευκαρυωτικά, τα οποία έχουν έναν πυρήνα κυττάρων και διαθέτουν επίσης έναν αριθμό εξειδικευμένων οργανίδια, Το DNA βρίσκεται κυρίως στον πυρήνα. Όμως, μπορεί επίσης να βρεθεί στα μιτοχόνδρια και, σε φυτά, μέσα σε χλωροπλάστες.
Εν τω μεταξύ, το ευκαρυωτικό RNA βρίσκεται στον πυρήνα και στο κυτταρόπλασμα.
Τι είναι τα νουκλεοτίδια;
ΕΝΑ νουκλεοτίδιο είναι η μονομερής μονάδα ενός νουκλεϊκού οξέος, εκτός από το ότι έχει άλλες κυτταρικές λειτουργίες. Ένα νουκλεοτίδιο αποτελείται από ένα ζάχαρη πέντε-άνθρακα (πεντόζη) σε μορφή εσωτερικού δακτυλίου πέντε ατόμων, ένα έως τρία φωσφορικές ομάδες και ένα άζωτο βάση.
Στο DNA, υπάρχουν τέσσερις πιθανές βάσεις: αδενίνη (Α) και γουανίνη (G), που είναι πουρίνες, και κυτοσίνη (C) και θυμίνη (Τ), που είναι πυριμιδίνες. Το RNA περιέχει επίσης A, G και C, αλλά υποκατάστατα ουρακίλη (U) για θυμίνη.
Στα νουκλεϊκά οξέα, όλα τα νουκλεοτίδια συνδέονται με μία φωσφορική ομάδα, η οποία μοιράζεται με το επόμενο νουκλεοτίδιο στην αλυσίδα νουκλεϊκών οξέων. Ωστόσο, τα ελεύθερα νουκλεοτίδια μπορούν να έχουν περισσότερα.
Είναι γνωστό ότι η διφωσφορική αδενοσίνη (ADP) και η τριφωσφορική αδενοσίνη (ATP) συμμετέχουν σε αμέτρητες μεταβολικές αντιδράσεις στο σώμα σας κάθε δευτερόλεπτο.
Η δομή του DNA εναντίον RNA
Όπως σημειώθηκε, ενώ το DNA και το RNA περιέχουν το καθένα δύο βάσεις αζωτούχου πουρίνης και δύο αζωτούχους βάσεις πυριμιδίνης και περιέχουν τις ίδιες βάσεις πουρίνης (Α και Ζ) και μία από τις ίδιες βάσεις πυριμιδίνης (C), διαφέρουν στο ότι το DNA έχει το Τ ως δεύτερη βάση πυριμιδίνης ενώ το RNA έχει το U κάθε μέρος που το Τ θα εμφανίζεται στο DNA.
Οι πουρίνες είναι μεγαλύτερες από τις πυριμιδίνες καθώς περιέχουν δύο ενώθηκαν δακτύλιοι που περιέχουν άζωτο στο ένας σε πυριμιδίνες. Αυτό έχει επιπτώσεις στη φυσική μορφή στην οποία το DNA υπάρχει στη φύση: είναι διπλόκλωνο, και, συγκεκριμένα, είναι ένα διπλή έλικα. Οι κλώνοι ενώνονται από τις βάσεις πυριμιδίνης και πουρίνης σε γειτονικά νουκλεοτίδια. Εάν ενώθηκαν δύο πουρίνες ή δύο πυριμιδίνες, η απόσταση θα ήταν πολύ μεγάλη ή δύο μικρές αντίστοιχα.
Το RNA, από την άλλη πλευρά, είναι μονόκλωνο.
Το σάκχαρο ριβόζης στο DNA είναι δεοξυριβόζη ενώ αυτό στο RNA είναι ριβόζη. Η δεοξυριβόζη είναι ίδια με τη ριβόζη εκτός του ότι η ομάδα υδροξυλίου (-ΟΗ) στη θέση 2-άνθρακα έχει αντικατασταθεί από ένα άτομο υδρογόνου.
Σύνδεση βάσης-ζεύγους σε νουκλεϊκά οξέα
Όπως σημειώθηκε, στα νουκλεϊκά οξέα, οι βάσεις πουρίνης πρέπει να συνδέονται με βάσεις πυριμιδίνης για να σχηματίσουν ένα σταθερό μόριο δίκλωνου (και τελικά διπλού ελικοειδούς) μορίου. Αλλά στην πραγματικότητα είναι πιο συγκεκριμένο από αυτό. Η πουρίνη Α συνδέεται με και μόνο με την πυριμιδίνη Τ (ή U), και η πουρίνη Ο συνδέεται με και μόνο με την πυριμιδίνη C.
Αυτό σημαίνει ότι όταν γνωρίζετε τη βασική ακολουθία ενός κλώνου του DNA, μπορείτε να προσδιορίσετε την ακριβή βασική ακολουθία του συμπληρωματικό σκέλος (συνεργάτης). Σκεφτείτε τα συμπληρωματικά σκέλη ως αντίστροφα ή φωτογραφικά αρνητικά.
Για παράδειγμα, εάν έχετε ένα σκέλος DNA με την ακολουθία βάσης ATTGCCATATG, μπορείτε να συμπεράνετε ότι ο αντίστοιχος συμπληρωματικός κλώνος DNA πρέπει να έχει τη βασική ακολουθία TAACGGTATAC.
Οι κλώνοι RNA είναι ένας μονός κλώνος, αλλά έρχονται σε διάφορες μορφές σε αντίθεση με το DNA. Επιπρόσθετα mRNA, οι άλλοι δύο κύριοι τύποι RNA είναι ριβοσωματικό RNA (rRNA) και μεταφορά RNA (tRNA).
Ο ρόλος του DNA εναντίον RNA στη σύνθεση πρωτεϊνών
Το DNA και το RNA περιέχουν και τα δύο γενετικές πληροφορίες. Στην πραγματικότητα, το mRNA περιέχει τις ίδιες πληροφορίες με το DNA από το οποίο δημιουργήθηκε κατά τη μεταγραφή, αλλά σε διαφορετική χημική μορφή.
Όταν το DNA χρησιμοποιείται ως πρότυπο για την παραγωγή mRNA κατά τη μεταγραφή στον πυρήνα του a ευκαρυωτικό κύτταρο, συνθέτει έναν κλώνο που είναι το ανάλογο RNA του συμπληρωματικού κλώνου DNA. Με άλλα λόγια, περιέχει ριβόζη παρά δεοξυριβόζη, και όπου το Τ θα ήταν παρόν στο DNA, το U υπάρχει.
Στη διάρκεια μεταγραφή, δημιουργείται ένα προϊόν σχετικά περιορισμένου μήκους. Αυτός ο κλώνος mRNA περιέχει συνήθως τις γενετικές πληροφορίες για ένα μοναδικό προϊόν πρωτεΐνης.
Κάθε ταινία τριών διαδοχικών βάσεων στο mRNA μπορεί να ποικίλλει με 64 διαφορετικούς τρόπους, το αποτέλεσμα τεσσάρων διαφορετικών βάσεων σε κάθε σημείο αυξάνεται στην τρίτη ισχύ για να αντιστοιχούν και στα τρία σημεία. Όπως συμβαίνει, καθένα από τα 20 αμινοξέα από τα οποία τα κύτταρα δημιουργούν πρωτεΐνες κωδικοποιείται από μια τέτοια τριάδα βάσεων mRNA, που ονομάζεται τριπλό κωδικόνιο.
Μετάφραση στο Ribosome
Αφού το mRNA συντίθεται με DNA κατά τη διάρκεια της μεταγραφής, το νέο μόριο κινείται από τον πυρήνα στο κυτόπλασμα, περνώντας μέσω της πυρηνικής μεμβράνης μέσω πυρηνικού πόρου. Στη συνέχεια ενώνει τις δυνάμεις με ένα ριβόσωμα, το οποίο μόλις έρχεται μαζί από τις δύο υπομονάδες του, μία μεγάλη και μία μικρή.
Τα ριβοσώματα είναι οι τοποθεσίες του μετάφρασηή τη χρήση των πληροφοριών στο mRNA για την παραγωγή της αντίστοιχης πρωτεΐνης.
Κατά τη διάρκεια της μετάφρασης, όταν ο κλώνος mRNA "αποσπάται" στο ριβοσώμα, το αμινοξύ που αντιστοιχεί στις τρεις εκτεθειμένες βάσεις νουκλεοτιδίων - δηλαδή, το τριπλό κωδικόνιο - κλείνεται στην περιοχή με tRNA. Υπάρχει ένας δευτερεύων τύπος tRNA για κάθε ένα από τα 20 αμινοξέα, καθιστώντας αυτή τη διαδικασία κλεισίματος πιο ομαλή.
Αφού το σωστό αμινοξύ προσκολληθεί στο ριβόσωμα, μεταφέρεται γρήγορα σε μια κοντινή ριβοσωμική τοποθεσία, όπου πολυπεπτίδιο, ή η αναπτυσσόμενη αλυσίδα αμινοξέων που προηγείται της άφιξης κάθε νέας προσθήκης, βρίσκεται στη διαδικασία ολοκλήρωσης.
Τα ίδια τα ριβοσώματα αποτελούνται από περίπου ίσο μείγμα πρωτεϊνών και rRNA. Οι δύο υπομονάδες υπάρχουν ως ξεχωριστές οντότητες, εκτός εάν συνθέτουν ενεργά πρωτεΐνες.
Άλλες διαφορές μεταξύ DNA και RNA
Τα μόρια DNA είναι σημαντικά μεγαλύτερα από τα μόρια RNA. στην πραγματικότητα, ένα μόνο μόριο DNA αποτελεί το γενετικό υλικό ενός ολόκληρου χρωμοσώματος, που αντιπροσωπεύουν χιλιάδες γονίδια. Επίσης, το γεγονός ότι διαχωρίζονται καθόλου σε χρωμοσώματα αποτελεί απόδειξη της συγκριτικής τους μάζας.
Αν και το RNA έχει πιο ταπεινό προφίλ, είναι στην πραγματικότητα το πιο διαφορετικό από τα δύο μόρια από λειτουργική άποψη. Εκτός από το ότι έρχονται σε μορφές tRNA, mRNA και rRNA, το RNA μπορεί επίσης να δράσει ως καταλύτης (ενισχυτής αντιδράσεων) σε ορισμένες καταστάσεις, όπως κατά τη διάρκεια της μετάφρασης πρωτεΐνης.