Νουκλεϊκά οξέα: Δομή, Λειτουργία, Τύποι & Παραδείγματα

Νουκλεϊκά οξέα αντιπροσωπεύουν μία από τις τέσσερις μεγάλες κατηγορίες βιομόρια, οι οποίες είναι οι ουσίες που αποτελούν τα κύτταρα. Οι άλλες είναι πρωτεΐνες, υδατάνθρακες και λιπίδια (ή λίπη).

Νουκλεϊκά οξέα, τα οποία περιλαμβάνουν DNA (δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ) και RNA (ριβονουκλεϊκό οξύ), διαφέρουν από τα άλλα τρία βιομόρια στο ότι δεν μπορούν να μεταβολιστούν για την παροχή ενέργειας στον γονικό οργανισμό.

(Γι 'αυτό δεν βλέπετε το "νουκλεϊκό οξύ" στις ετικέτες πληροφοριών διατροφής.)

Η λειτουργία του DNA και του RNA είναι η αποθήκευση γενετικών πληροφοριών. Ένα πλήρες αντίγραφο του δικού σας DNA μπορεί να βρεθεί στον πυρήνα σχεδόν κάθε κυττάρου του σώματός σας, κάνοντας αυτήν τη συγκέντρωση του DNA - που ονομάζεται χρωμοσώματα σε αυτό το πλαίσιο - μάλλον σαν τον σκληρό δίσκο ενός φορητού υπολογιστή.

Σε αυτό το σχήμα, ένα μήκος RNA του είδους ονομάζεται messenger RNA περιέχει τις κωδικοποιημένες οδηγίες για ένα μόνο προϊόν πρωτεΐνης (δηλαδή, περιέχει ένα μόνο γονίδιο) και ως εκ τούτου μοιάζει περισσότερο με ένα "thumb drive" που περιέχει ένα μόνο σημαντικό αρχείο.

Το DNA και το RNA είναι πολύ στενά συνδεδεμένα. Η απλή αντικατάσταση ενός ατόμου υδρογόνου (–Η) σε DNA για μια ομάδα υδροξυλίου (–ΟΗ) συνδεδεμένη στο Το αντίστοιχο άτομο άνθρακα στο RNA αντιπροσωπεύει ολόκληρη τη χημική και δομική διαφορά μεταξύ των δύο νουκλεϊκά οξέα.

Όπως θα δείτε, όμως, όπως συμβαίνει τόσο συχνά στη χημεία, αυτό που μοιάζει με μια μικρή διαφορά στο ατομικό επίπεδο έχει προφανείς και βαθιές πρακτικές συνέπειες.

Τα νουκλεϊκά οξέα αποτελούνται από νουκλεοτίδια, τα οποία είναι ουσίες που αποτελούνται από τρεις διαφορετικές χημικές ομάδες: α ζάχαρη πεντόζης, ένα έως τρία φωσφορικές ομάδες και ένα άζωτο βάση.

Το σάκχαρο πεντόζης στο RNA είναι ριβόζη, ενώ αυτό στο DNA είναι δεοξυριβόζη. Επίσης, στα νουκλεϊκά οξέα, τα νουκλεοτίδια έχουν μόνο μία φωσφορική ομάδα. Ένα παράδειγμα ενός πολύ γνωστού νουκλεοτιδίου που διαθέτει πολλαπλές φωσφορικές ομάδες είναι ATPή τριφωσφορική αδενοσίνη. ADP (διφωσφορική αδενοσίνη) συμμετέχει σε πολλές από τις ίδιες διαδικασίες που κάνει το ATP.

Μεμονωμένα μόρια DNA μπορεί να είναι εξαιρετικά μακρά και μπορεί να εκτείνεται για το μήκος ενός ολόκληρου χρωμοσώματος. Τα μόρια RNA είναι πολύ πιο περιορισμένα σε μέγεθος από τα μόρια DNA αλλά εξακολουθούν να χαρακτηρίζονται ως μακρομόρια.

Ριβόζη (το σάκχαρο του RNA) έχει δακτύλιο πέντε ατόμων που περιλαμβάνει τέσσερις από τους πέντε άνθρακες στη ζάχαρη. Τρία από τα υπόλοιπα καταλαμβάνονται από ομάδες υδροξυλίου (–ΟΗ), μία από άτομο υδρογόνου και μία από ομάδα υδροξυμεθυλίου (–CH2OH).

Η μόνη διαφορά στο δεοξυριβόζη (το σάκχαρο του DNA) είναι ότι μία από τις τρεις ομάδες υδροξυλίου (αυτή στη θέση 2-άνθρακα) έχει εξαφανιστεί και αντικαθίσταται από ένα άτομο υδρογόνου.

Επίσης, ενώ τόσο το DNA όσο και το RNA έχουν νουκλεοτίδια με μία από τις τέσσερις πιθανές αζωτούχες βάσεις, αυτές ποικίλουν ελαφρώς μεταξύ των δύο νουκλεϊκών οξέων. Το DNA περιέχει αδενίνη (Α), κυτοσίνη (C), γουανίνη (G) και θυμίνη. ενώ το RNA έχει Α, C και G αλλά ουρακίλη (U) στη θέση της θυμίνης.

Οι περισσότερες από τις λειτουργικές διαφορές μεταξύ DNA και RNA σχετίζονται με τους σημαντικά διαφορετικούς ρόλους τους στα κύτταρα. Το DNA είναι όπου αποθηκεύεται ο γενετικός κώδικας ζωής - όχι μόνο η αναπαραγωγή αλλά και οι καθημερινές δραστηριότητες -.

Το RNA, ή τουλάχιστον το mRNA, είναι υπεύθυνο για τη συλλογή των ίδιων πληροφοριών και τη μεταφορά τους στα ριβοσώματα έξω από τον πυρήνα όπου δημιουργούνται πρωτεΐνες που επιτρέπουν τη διεξαγωγή αυτών των προαναφερθέντων μεταβολικών δραστηριότητες.

Η βασική αλληλουχία ενός νουκλεϊκού οξέος είναι όπου μεταφέρονται τα ειδικά μηνύματά του, και το άζωτο Οι βάσεις μπορούν επομένως να θεωρηθούν ότι είναι τελικά υπεύθυνες για διαφορές στα ζώα του ίδιου είδους - δηλαδή είναι, διαφορετικές εκδηλώσεις του ίδιου χαρακτηριστικού (π.χ. χρώμα ματιών, μοτίβο μαλλιών σώματος).

Δύο από τις βάσεις στα νουκλεϊκά οξέα (A και G) είναι πουρίνες, ενώ δύο (C και T στο DNA. C και U σε RNA) είναι πυριμιδίνες. Τα μόρια πουρίνης περιέχουν δύο συντηγμένους δακτυλίους, ενώ οι πυριμιδίνες έχουν μόνο έναν και είναι γενικά μικρότεροι. Όπως θα μάθετε σύντομα, το μόριο DNA είναι διπλόκλωνο λόγω της σύνδεσης μεταξύ του νουκλεοτίδια σε παρακείμενα σκέλη.

Μια βάση πουρίνης μπορεί να κολλήσει μόνο με μια βάση πυριμιδίνης, επειδή δύο πουρίνες θα καταλάμβαναν πολύ χώρο μεταξύ κλώνων και δύο πυριμιδινών πολύ λίγο, με τον συνδυασμό πουρίνης-πυριμιδίνης να είναι ακριβώς ο σωστός Μέγεθος.

Αλλά τα πράγματα ελέγχονται αυστηρότερα από αυτό: Στα νουκλεϊκά οξέα, ΕΝΑομόλογα μόνο μεΤ (ήΕ σε RNA), ενώ Οι δεσμοί C μόνο με το G.

Η πλήρης περιγραφή του μορίου DNA ως α δίκλωνο έλικα το 1953 από τους James Watson και Francis Crick κέρδισαν τελικά το ντουέτο ένα βραβείο Νόμπελ, αν και το έργο περίθλασης ακτίνων Χ Η Rosalind Franklin τα χρόνια που οδήγησαν σε αυτό το επίτευγμα ήταν καθοριστική για την επιτυχία του ζευγαριού και συχνά υποτιμάται βιβλία ιστορίας.

Στη φύση, Το DNA υπάρχει ως έλικα γιατί αυτή είναι η πιο ενεργητικά ευνοϊκή μορφή για το συγκεκριμένο σύνολο μορίων που περιέχει.

Οι πλευρικές αλυσίδες, βάσεις και άλλα τμήματα του μορίου DNA βιώνουν το σωστό μείγμα ηλεκτροχημικών έλξεων και ηλεκτροχημικών απωθήσεις έτσι ώστε το μόριο να είναι πιο «άνετο» σε σχήμα δύο σπειρών, ελαφρώς μετατοπισμένα μεταξύ τους, όπως το συνυφασμένο σπειροειδές στιλ σκάλες.

Οι κλώνοι DNA αποτελούνται από εναλλασσόμενες ομάδες φωσφορικών και υπολείμματα σακχάρου, με τις αζωτούχες βάσεις να συνδέονται με ένα διαφορετικό μέρος του τμήματος σακχάρου. Ένας κλώνος DNA ή RNA επιμηκύνεται χάρη στους δεσμούς υδρογόνου που σχηματίζονται μεταξύ της φωσφορικής ομάδας ενός νουκλεοτιδίου και του υπολείμματος σακχάρου του επόμενου.

Συγκεκριμένα, προσαρτάται το φωσφορικό στον αριθμό 5 άνθρακα (συχνά γραμμένο 5 ') του εισερχόμενου νουκλεοτιδίου στη θέση της υδροξυλομάδας στον αριθμό -3 άνθρακα (ή 3 ') του αναπτυσσόμενου πολυνουκλεοτιδίου (μικρό πυρηνικό οξύ). Αυτό είναι γνωστό ως σύνδεση φωσφοδιεστέρα.

Εν τω μεταξύ, όλα τα νουκλεοτίδια με βάσεις Α είναι ευθυγραμμισμένα με νουκλεοτίδια με βάσεις Τ στο DNA και νουκλεοτίδια με βάσεις U στο RNA. Τα C ζεύγη μοναδικά με το G και στα δύο.

Λέγεται ότι οι δύο κλώνοι ενός μορίου DNA συμπληρωματικός ο ένας στον άλλον, επειδή η βασική αλληλουχία του ενός μπορεί να προσδιοριστεί χρησιμοποιώντας τη βασική αλληλουχία του άλλου χάρη στο απλό σχήμα ζευγαρώματος βάσης που παρατηρούν τα μόρια νουκλεϊκού οξέος.

Το RNA, όπως σημειώνεται, είναι εξαιρετικά παρόμοιο με το DNA σε χημικό επίπεδο, με μόνο μία αζωτούχα βάση μεταξύ των τεσσάρων να είναι διαφορετική και ένα μόνο "επιπλέον" άτομο οξυγόνου στο σάκχαρο του RNA. Προφανώς, αυτές οι φαινομενικά ασήμαντες διαφορές είναι αρκετές για να διασφαλίσουν ουσιαστικά διαφορετική συμπεριφορά μεταξύ των βιομορίων.

Συγκεκριμένα, το RNA είναι μονόκλωνο. Δηλαδή, δεν θα δείτε τον όρο "συμπληρωματικός κλώνος" που χρησιμοποιείται στο πλαίσιο αυτού του νουκλεϊκού οξέος. Διαφορετικά τμήματα του ίδιου κλώνου RNA, ωστόσο, μπορούν να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, πράγμα που σημαίνει ότι το σχήμα του RNA κυμαίνεται στην πραγματικότητα περισσότερο από το σχήμα του DNA (αναμφισβήτητα μια διπλή έλικα). Κατά συνέπεια, υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί τύποι RNA.

• mRNA, ή το messenger RNA, χρησιμοποιεί συμπληρωματική σύζευξη βάσεων για να μεταφέρει το μήνυμα που το DNA το δίνει κατά τη μεταγραφή στα ριβοσώματα, όπου το μήνυμα μεταφράζεται σε πρωτεϊνική σύνθεση. Η μεταγραφή περιγράφεται λεπτομερώς παρακάτω.
• rRNA, ή ριβοσωμικό RNA, αποτελεί ένα αρκετά μεγάλο μέρος της μάζας των ριβοσωμάτων, των δομών εντός των κυττάρων που είναι υπεύθυνα για τη σύνθεση πρωτεϊνών. Το υπόλοιπο της μάζας των ριβοσωμάτων αποτελείται από πρωτεΐνες.
• tRNA, ή μεταφορά RNA, παίζει κρίσιμο ρόλο στη μετάφραση κλείνοντας τα αμινοξέα που προορίζονται για την αναπτυσσόμενη πολυπεπτιδική αλυσίδα στο σημείο όπου συγκεντρώνονται οι πρωτεΐνες. Υπάρχουν 20 αμινοξέα στη φύση, το καθένα με το δικό του tRNA.
  

Φανταστείτε να παρουσιάζεται ένας κλώνος νουκλεϊκού οξέος με την ακολουθία βάσης AAATCGGCATTA. Με βάση μόνο αυτές τις πληροφορίες, θα πρέπει να μπορείτε να καταλήξετε γρήγορα σε δύο πράγματα.

Πρώτον, ότι αυτό είναι DNA, όχι RNA, όπως αποκαλύπτεται από την παρουσία θυμίνης (Τ). Το δεύτερο πράγμα που μπορείτε να πείτε είναι ότι ο συμπληρωματικός κλώνος αυτού του μορίου DNA έχει τη βασική ακολουθία TTTAGCCGTAAT.

Μπορείτε επίσης να είστε σίγουροι για τον κλώνο mRNA που θα προέκυπτε από αυτόν τον κλώνο του DNA που υπέστη μεταγραφή RNA. Θα είχε το ίδιο ακολουθία βάσεων ως το συμπληρωματικός κλώνος DNA, με τυχόν περιπτώσεις θυμίνης (T) να αντικαθίστανται από ουρακίλη (U).

Αυτό συμβαίνει επειδή η αντιγραφή του DNA και η μεταγραφή RNA λειτουργούν παρόμοια στο ότι ο κλώνος που κατασκευάζεται από τον κλώνο του προτύπου είναι όχι ένα αντίγραφο αυτού του σκέλους, αλλά το συμπλήρωμά του ή το αντίστοιχο σε RNA.

Προκειμένου ένα μόριο DNA να δημιουργήσει ένα αντίγραφο του, οι δύο κλώνοι της διπλής έλικας πρέπει να διαχωρίζονται κοντά στην αντιγραφή. Αυτό συμβαίνει επειδή κάθε κλώνος αντιγράφεται (αντιγράφεται) ξεχωριστά και επειδή τα ένζυμα και άλλα μόρια που συμμετέχουν Αναπαραγωγή DNA χρειάζεστε χώρο για αλληλεπίδραση, κάτι που δεν παρέχει διπλή έλικα. Έτσι, οι δύο κλώνοι διαχωρίζονται φυσικά και το DNA λέγεται ότι είναι μετουσιωμένος.

Κάθε διαχωρισμένος κλώνος του DNA κάνει ένα νέο κλώνο συμπληρωματικό του και παραμένει δεσμευμένο σε αυτό. Έτσι, κατά μία έννοια, τίποτα δεν είναι διαφορετικό σε κάθε νέο δίκλωνο μόριο από τον γονέα του. Χημικά, έχουν το ίδια μοριακή σύνθεση. Αλλά ένα από τα σκέλη σε κάθε διπλή έλικα είναι ολοκαίνουργιο, ενώ το άλλο έχει απομείνει από την ίδια την αναπαραγωγή.

Όταν η αντιγραφή του DNA συμβαίνει ταυτόχρονα κατά μήκος διαχωρισμένων συμπληρωματικών κλώνων, η σύνθεση των νέων κλώνων συμβαίνει πραγματικά σε αντίθετες κατευθύνσεις. Από τη μία πλευρά, ο νέος κλώνος απλώς μεγαλώνει προς την κατεύθυνση του DNA που είναι «αποσυμπιεσμένος» καθώς μετουσιώνεται.

Από την άλλη πλευρά, ωστόσο, συντίθενται μικρά θραύσματα νέου DNA Μακριά από την κατεύθυνση του διαχωρισμού κλώνου. Αυτά ονομάζονται θραύσματα Okazaki και ενώνονται μαζί με ένζυμα αφού φτάσουν σε ένα ορισμένο μήκος. Αυτά τα δύο νέα σκέλη DNA είναι αντιπαράλληλος ο ένας στον άλλον.

Μεταγραφή RNA είναι παρόμοια με την αντιγραφή του DNA στο ότι απαιτείται η αποσύνδεση των κλώνων DNA για να ξεκινήσει. Το mRNA κατασκευάζεται κατά μήκος του προτύπου DNA με τη διαδοχική προσθήκη νουκλεοτιδίων RNA από το ένζυμο RNA πολυμεράση.

Αυτό το αρχικό αντίγραφο του RNA που δημιουργήθηκε από το DNA δημιουργεί αυτό που ονομάζουμε προ-mRNA. Αυτός ο κλώνος πριν το mRNA περιέχει και τα δύο ιντρόνια και εξόνια. Τα ιντρόνια και τα εξόνια είναι τμήματα εντός του DNA / RNA που είτε κάνουν είτε δεν κωδικοποιούν τμήματα του γονιδιακού προϊόντος.

Ιντρόνια είναι ενότητες που δεν κωδικοποιούν (ονομάζονται επίσης "intσβήνοντας ενότητες ") ενώ εξόνια είναι τμήματα κωδικοποίησης (ονομάζονται επίσης "πρώηνπιεσμένα τμήματα ").

Πριν από αυτό το σκέλος του mRNA αφήσει τον πυρήνα να μεταφραστεί σε μια πρωτεΐνη, ένζυμα εντός του ειδικού φόρου πυρήνα, αποκοπής, επίσης, τα ιντρόνια, δεδομένου ότι δεν κωδικοποιούν τίποτα στο συγκεκριμένο γονίδιο. Στη συνέχεια, τα ένζυμα συνδέουν τις υπόλοιπες αλληλουχίες ιντρονίων για να σας δώσουν τον τελικό κλώνο mRNA.

Ένας κλώνος mRNA συνήθως περιλαμβάνει ακριβώς την βασική αλληλουχία που είναι απαραίτητη για τη συγκέντρωση μιας μοναδικής πρωτεΐνης κατάντη στο μετάφραση διαδικασία, που σημαίνει ότι ένα μόριο mRNA φέρει συνήθως τις πληροφορίες για ένα γονίδιο. Ένα γονίδιο είναι μια αλληλουχία DNA που κωδικοποιεί ένα συγκεκριμένο πρωτεϊνικό προϊόν.

Μόλις ολοκληρωθεί η μεταγραφή, ο κλώνος mRNA εξάγεται από τον πυρήνα μέσω πόρων στον πυρηνικό φάκελο. (Τα μόρια RNA είναι πολύ μεγάλα για να διαχέονται απλά μέσω της πυρηνικής μεμβράνης, όπως και το νερό και άλλα μικρά μόρια). Στη συνέχεια "αποβάθρες" με ριβοσώματα στο κυτταρόπλασμα ή σε ορισμένα οργανίδια, και σύνθεση πρωτεϊνών ξεκινά.

Τα νουκλεϊκά οξέα δεν μπορούν να μεταβολιστούν ως καύσιμα, αλλά μπορούν να δημιουργηθούν από πολύ μικρά μόρια ή να διαχωριστούν από την πλήρη μορφή τους σε πολύ μικρά μέρη. Τα νουκλεοτίδια συντίθενται μέσω αναβολικών αντιδράσεων, συχνά από νουκλεοτίδια, τα οποία είναι νουκλεοτίδια μείον οποιεσδήποτε φωσφορικές ομάδες (δηλαδή, ένα νουκλεοζίτη είναι ένα σάκχαρο ριβόζης συν μια άζωτο βάση).

Το DNA και το RNA μπορούν επίσης να αποικοδομηθούν: από νουκλεοτίδια σε νουκλεοζίτες, έπειτα σε αζωτούχες βάσεις και τελικά σε ουρικό οξύ.

Η διάσπαση των νουκλεϊκών οξέων είναι σημαντική για συνολική υγεία. Για παράδειγμα, η αδυναμία διάσπασης πουρινών συνδέεται με ουρική αρθρίτιδα, μια επώδυνη ασθένεια που προσβάλλει ορισμένες από τις αρθρώσεις χάρη στις αποθέσεις κρυστάλλου ουρίας σε αυτές τις περιοχές.