Χαρακτηριστικά των νουκλεϊκών οξέων

Σημαντικά νουκλεϊκά οξέα στη φύση περιλαμβάνουν δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ, ή DNA, και ριβονουκλεϊκό οξύ, ή RNA. Ονομάζονται οξέα επειδή είναι δότες πρωτονίων (δηλ. Άτομο υδρογόνου) και συνεπώς φέρουν αρνητικό φορτίο.

Χημικά, το DNA και το RNA είναι πολυμερή, που σημαίνει ότι αποτελούνται από επαναλαμβανόμενες μονάδες, συχνά πολύ μεγάλο αριθμό από αυτά. Αυτές οι μονάδες ονομάζονται νουκλεοτίδια. Όλα τα νουκλεοτίδια με τη σειρά τους περιλαμβάνουν τρία ξεχωριστά χημικά μέρη: ένα σάκχαρο πεντόζης, μια φωσφορική ομάδα και μια αζωτούχα βάση.

Το DNA διαφέρει από το RNA με τρεις βασικούς τρόπους. Το ένα είναι ότι το σάκχαρο που αποτελεί τη δομική "ραχοκοκαλιά" του μορίου νουκλεϊκού οξέος είναι η δεοξυριβόζη, ενώ στο RNA είναι ριβόζη. Εάν γνωρίζετε καθόλου τη χημική ονοματολογία, θα αναγνωρίσετε ότι πρόκειται για μια μικρή διαφορά στο συνολικό δομικό σχήμα. η ριβόζη έχει τέσσερις ομάδες υδροξυλίου (-ΟΗ), ενώ η δεοξυριβόζη έχει τρεις.

Η δεύτερη διαφορά είναι ότι ενώ μία από τις τέσσερις αζωτούχες βάσεις που βρίσκονται στο DNA είναι θυμίνη, η αντίστοιχη βάση στο RNA είναι η ουρακίλη. Οι αζωτούχες βάσεις των νουκλεϊκών οξέων είναι εκείνες που υπαγορεύουν τα απόλυτα χαρακτηριστικά αυτών μόρια, επειδή τα τμήματα φωσφορικού και σακχάρου δεν διαφέρουν εντός ή μεταξύ μορίων του ίδιου τύπου.

Τέλος, το DNA είναι διπλόκλωνο, που σημαίνει ότι αποτελείται από δύο μακριές αλυσίδες νουκλεοτιδίων που συνδέονται χημικά με δύο αζωτούχες βάσεις. Το DNA τυλίγεται σε σχήμα «διπλής έλικας», σαν μια εύκαμπτη σκάλα στριμμένη σε αντίθετες κατευθύνσεις και στα δύο άκρα.

Η δεοξυριβόζη αποτελείται από έναν δακτύλιο πέντε ατόμων, τέσσερις άνθρακες και ένα οξυγόνο, σε σχήμα πενταγώνου ή ίσως στο πιάτο του μπέιζμπολ. Επειδή ο άνθρακας σχηματίζει τέσσερις δεσμούς και οξυγόνο δύο, αυτό αφήνει οκτώ θέσεις δέσμευσης ελεύθερα στα τέσσερα άτομα άνθρακα, δύο ανά άνθρακα, ένα πάνω και ένα κάτω από τον δακτύλιο. Τρεις από αυτές τις κηλίδες καταλαμβάνονται από ομάδες υδροξυλίου (-ΟΗ) και πέντε αξιώνονται από άτομα υδρογόνου.

Αυτό το μόριο σακχάρου μπορεί να προσκολληθεί σε μία από τις τέσσερις αζωτούχες βάσεις: αδενίνη, κυτοσίνη, γουανίνη και θυμίνη. Η αδενίνη (Α) και η γουανίνη (G) είναι πουρίνες, ενώ η κυτοσίνη (C) και η θυμίνη (Τ) είναι πυριμιδίνες. Οι πουρίνες είναι μεγαλύτερα μόρια από τις πυριμιδίνες. επειδή οι δύο κλώνοι οποιουδήποτε πλήρους μορίου DNA συνδέονται στη μέση από τις αζωτούχες βάσεις τους, αυτούς τους δεσμούς πρέπει να σχηματιστεί μεταξύ μιας πουρίνης και μιας πυριμιδίνης για να διατηρηθεί το συνολικό μέγεθος των δύο βάσεων κατά μήκος του μορίου κατά προσέγγιση συνεχής. (Βοηθά στην αναφορά σε οποιοδήποτε διάγραμμα νουκλεϊκών οξέων κατά την ανάγνωση, όπως εκείνα στις Αναφορές.) Όπως συμβαίνει, το Α συνδέεται αποκλειστικά με το Τ στο DNA, ενώ το C συνδέεται αποκλειστικά με το G.

Η δεοξυριβόζη που συνδέεται με μια άζωτο βάση ονομάζεται α νουκλεοζίτη. Όταν μια φωσφορική ομάδα προστίθεται σε δεοξυριβόζη στον άνθρακα δύο σημεία μακριά από το σημείο όπου συνδέεται η βάση, σχηματίζεται ένα πλήρες νουκλεοτίδιο. Οι ιδιαιτερότητες των αντίστοιχων ηλεκτροχημικών φορτίων στα διάφορα άτομα στα νουκλεοτίδια είναι υπεύθυνος για το δίκλωνο DNA που σχηματίζει φυσικά ένα ελικοειδές σχήμα, και οι δύο κλώνοι DNA στο μόριο λέγονται συμπληρωματικά σκέλη.

Το σάκχαρο πεντόζης στο RNA είναι ριβόζη και όχι δεοξυριβόζη. Η ριβόζη είναι ίδια με την δεοξυριβόζη εκτός του ότι η δομή του δακτυλίου συνδέεται με τέσσερις ομάδες υδροξυλίου (-ΟΗ) και τέσσερα άτομα υδρογόνου αντί για τρία και πέντε αντίστοιχα. Το τμήμα ριβόζης ενός νουκλεοτιδίου συνδέεται με μια φωσφορική ομάδα και μια αζωτούχο βάση, όπως με το DNA, με εναλλασσόμενα φωσφορικά και σάκχαρα που σχηματίζουν το RNA «ραχοκοκαλιά». Οι βάσεις, όπως σημειώνεται παραπάνω, περιλαμβάνουν Α, C και G, αλλά η δεύτερη πυριμιδίνη στο RNA είναι η ουρακίλη (U) μάλλον από τον Τ.

Ενώ το DNA ασχολείται μόνο με την αποθήκευση πληροφοριών (ένα γονίδιο είναι απλώς ένα κλώνο DNA που κωδικοποιεί μία μόνο πρωτεΐνη), διαφορετικοί τύποι RNA αναλαμβάνουν διαφορετικές λειτουργίες. Το Messenger RNA, ή mRNA, κατασκευάζεται από DNA όταν το συνήθως δίκλωνο DNA χωρίζεται σε δύο μονόκλωνα για σκοπούς μεταγραφής. Το mRNA που προκύπτει τελικά οδηγεί προς τα μέρη των κυττάρων όπου συμβαίνει η παραγωγή πρωτεϊνών, φέρνοντας τις οδηγίες για αυτήν τη διαδικασία που παρέχονται από το DNA. Ένας δεύτερος τύπος RNA, το RNA μεταφοράς (tRNA), συμμετέχει στην παραγωγή πρωτεϊνών. Αυτό συμβαίνει σε κυτταρικά οργανίδια που ονομάζονται ριβοσώματα, και τα ίδια τα ριβοσώματα αποτελούνται κυρίως από έναν τρίτο τύπο RNA που ονομάζεται, κατάλληλα, ριβοσωματικό RNA (rRNA).

Οι πέντε αζωτούχες βάσεις - αδενίνη (Α), κυτοσίνη (C), γουανίνη (G) και θυμίνη (Τ) στο DNA και οι τρεις πρώτες συν ουρακίλη (U) στο RNA - είναι τα μέρη των νουκλεϊκών οξέων που είναι τελικά υπεύθυνα για την ποικιλομορφία των γονιδιακών προϊόντων στη ζωή πράγματα. Τα τμήματα σακχάρου και φωσφορικών είναι απαραίτητα στο ότι παρέχουν δομή και ικριώματα, αλλά οι βάσεις είναι όπου δημιουργούνται οι κωδικοί. Εάν πιστεύετε ότι ο φορητός υπολογιστής σας είναι νουκλεϊκό οξύ ή τουλάχιστον μια σειρά νουκλεοτιδίων, το υλικό (π.χ. μονάδες δίσκου, οθόνη οθόνη, μικροεπεξεργαστής) είναι ανάλογος με τα σάκχαρα και τα φωσφορικά άλατα, ενώ ό, τι λογισμικό και εφαρμογές που χρησιμοποιείτε είναι σαν άζωτο βάσεις, επειδή η μοναδική ποικιλία προγραμμάτων που έχετε φορτώσει στο σύστημά σας καθιστά αποτελεσματικά τον υπολογιστή σας μοναδικό "οργανισμός."

Όπως περιγράφηκε προηγουμένως, οι αζωτούχες βάσεις ταξινομούνται είτε ως πουρίνες (Α και G) είτε ως πυριμιδίνες (C, T και U). Ένα ζεύγος πάντα σε ένα σκέλος DNA με το Τ, και το C πάντα ζεύγη με το G. Είναι σημαντικό, όταν ένας κλώνος DNA χρησιμοποιείται ως πρότυπο για σύνθεση RNA (μεταγραφή), σε κάθε σημείο κατά μήκος του αναπτυσσόμενου μορίου RNA, το νουκλεοτίδιο RNA που δημιουργείται από το νουκλεοτίδιο DNA "γονικού" περιλαμβάνει τη βάση που είναι πάντα η βάση "γονικής" σύνδεσης προς την. Αυτό διερευνάται σε μια περαιτέρω ενότητα.

Οι πουρίνες αποτελούνται από έναν εξαμελή δακτύλιο αζώτου και άνθρακα και έναν πενταμελή δακτύλιο αζώτου και άνθρακα, όπως ένα εξάγωνο και ένα πεντάγωνο που μοιράζονται μια πλευρά. Η σύνθεση πουρίνης περιλαμβάνει χημική τροποποίηση ενός σακχάρου ριβόζης, ακολουθούμενη από την προσθήκη αμινο (-ΝΗ₂) ομάδες. Οι πυριμιδίνες έχουν επίσης έναν εξαμελή δακτύλιο αζώτου και άνθρακα, όπως οι πουρίνες, αλλά στερούνται του πενταμελούς δακτυλίου αζώτου και άνθρακα των πουρινών. Οι πουρίνες έχουν επομένως μεγαλύτερη μοριακή μάζα από ό, τι οι πυριμιδίνες.

Η σύνθεση νουκλεοτιδίων που περιέχουν πυριμιδίνες και η σύνθεση νουκλεοτιδίων που περιέχουν πουρίνες λαμβάνει χώρα με την αντίθετη σειρά σε ένα κρίσιμο στάδιο. Στις πυριμιδίνες, το τμήμα βάσης συναρμολογείται πρώτα και το υπόλοιπο του μορίου τροποποιείται αργότερα σε νουκλεοτίδιο. Στις πουρίνες, το μέρος που τελικά γίνεται αδενίνη ή γουανίνη τροποποιείται προς το τέλος του σχηματισμού νουκλεοτιδίων.

Η μεταγραφή είναι η δημιουργία ενός κλώνου mRNA από ένα πρότυπο DNA, το οποίο φέρει τις ίδιες οδηγίες (δηλ. Γενετικό κώδικα) για την παραγωγή μιας συγκεκριμένης πρωτεΐνης όπως το πρότυπο. Η διαδικασία συμβαίνει στον πυρήνα των κυττάρων, όπου βρίσκεται το DNA. Όταν ένα δίκλωνο μόριο DNA διαχωρίζεται σε μονόκλωνα και προχωρά η μεταγραφή, το mRNA που δημιουργείται από ένα Ο κλώνος του ζεύγους DNA «χωρίς φερμουάρ» είναι ίδιος με το DNA του άλλου κλώνου του μη φερμουάρ DNA, εκτός του ότι το mRNA περιέχει U αντί Τ. (Και πάλι, η αναφορά σε ένα διάγραμμα είναι χρήσιμη. δείτε τις Αναφορές.) Το mRNA, μόλις ολοκληρωθεί, αφήνει τον πυρήνα μέσω πόρων στην πυρηνική μεμβράνη. Αφού το mRNA φύγει από τον πυρήνα, προσκολλάται σε ριβόσωμα.

Τα ένζυμα στη συνέχεια προσκολλώνται στο ριβοσωμικό σύμπλεγμα και βοηθούν στη διαδικασία της μετάφρασης. Η μετάφραση είναι η μετατροπή της εντολής του mRNA σε πρωτεΐνες. Αυτό συμβαίνει όταν τα αμινοξέα, οι υπομονάδες των πρωτεϊνών, παράγονται από τρία νουκλεοτίδια «κωδικόνια» στον κλώνο του mRNA. Η διαδικασία περιλαμβάνει επίσης rRNA (αφού η μετάφραση πραγματοποιείται σε ριβοσώματα) και tRNA (που βοηθούν στη συγκέντρωση αμινοξέων).

Οι κλώνοι του DNA συγκεντρώνονται σε μια διπλή έλικα λόγω μιας συμβολής σχετικών παραγόντων. Ένα από αυτά είναι οι δεσμοί υδρογόνου που φυσικά εμπίπτουν στη θέση τους σε διάφορα μέρη του μορίου. Καθώς σχηματίζεται η έλικα, τα ζεύγη δεσμών αζωτούχων βάσεων είναι κάθετα στον άξονα της διπλής έλικας ως σύνολο. Κάθε πλήρης σειρά περιλαμβάνει συνολικά περίπου 10 ζευγάρια βάσης-βάσης. Αυτό που θα μπορούσε να ονομαζόταν «πλευρές» του DNA όταν ορίζεται ως «σκάλα» ονομάζεται τώρα «αλυσίδες» της διπλής έλικας. Αυτά αποτελούνται σχεδόν εξ ολοκλήρου από τα τμήματα ριβόζης και φωσφορικών νουκλεοτιδίων, με τις βάσεις να βρίσκονται στο εσωτερικό. Η έλικα λέγεται ότι έχει τόσο μεγάλες όσο και μικρές αυλακώσεις που καθορίζουν το τελικά σταθερό σχήμα του.

Ενώ τα χρωμοσώματα μπορούν να περιγραφούν ως πολύ μακρά σκέλη DNA, αυτή είναι μια βαριά απλοποίηση. Είναι αλήθεια ότι ένα δεδομένο χρωμόσωμα θα μπορούσε, θεωρητικά, να αφαιρεθεί για να αποκαλύψει ένα μόνο αδιάσπαστο μόριο DNA, αλλά Αυτό αποτυγχάνει να υποδείξει την περίπλοκη περιέλιξη, πηνία και ομαδοποίηση που το DNA κάνει στο σχηματισμό ενός χρωμόσωμα. Ένα χρωμόσωμα διαθέτει εκατομμύρια ζεύγη βάσεων DNA, και αν όλο το DNA απλώθηκε χωρίς να σπάσει την έλικα, το μήκος του θα εκτείνεται από μερικά χιλιοστά σε πάνω από ένα εκατοστό. Στην πραγματικότητα, το DNA είναι πολύ πιο συμπυκνωμένο. Οι πρωτεΐνες που ονομάζονται ιστόνες σχηματίζονται από τέσσερα ζεύγη πρωτεϊνών υπομονάδας (οκτώ υπομονάδες συνολικά). Αυτό το οκταμερές χρησιμεύει ως καρούλι για τη διπλή έλικα του DNA να τυλίγεται γύρω από δύο φορές, όπως το νήμα. Αυτή η δομή, το οκταμερές συν το DNA που τυλίγεται γύρω από αυτό, ονομάζεται πυρηνόσωμα. Όταν ένα χρωμόσωμα ξετυλίγεται μερικώς σε έναν κλώνο που ονομάζεται χρωματοειδές, αυτά τα νουκλεοσώματα εμφανίζονται στη μικροσκοπία ως σφαιρίδια σε μια χορδή. Αλλά πάνω από το επίπεδο των νουκλεοσωμάτων, λαμβάνει χώρα περαιτέρω συμπίεση του γενετικού υλικού, αν και ο ακριβής μηχανισμός παραμένει αόριστος.

Λαμβάνονται υπόψη DNA, RNA και πρωτεΐνες βιοπολυμερή επειδή είναι επαναλαμβανόμενες αλληλουχίες πληροφοριών και αμινοξέων που σχετίζονται με τα έμβια όντα («βιο» σημαίνει «ζωή»). Οι μοριακοί βιολόγοι σήμερα αναγνωρίζουν ότι το DNA και το RNA σε κάποια μορφή προηγούνται της εμφάνισης της ζωής Γη, αλλά από το 2018, κανείς δεν είχε καταλάβει το μονοπάτι από τα πρώτα βιοπολυμερή στην απλή ζωή πράγματα. Ορισμένοι έχουν θεωρήσει ότι το RNA σε κάποια μορφή ήταν η αρχική πηγή όλων αυτών των πραγμάτων, συμπεριλαμβανομένου του DNA. Αυτή είναι η «παγκόσμια υπόθεση RNA». Ωστόσο, αυτό παρουσιάζει ένα είδος σεναρίου κοτόπουλου και αυγού για βιολόγους, επειδή αρκετά μεγάλα μόρια RNA φαινομενικά δεν θα μπορούσαν να εμφανιστούν με κανένα άλλο τρόπο εκτός από μεταγραφή. Σε κάθε περίπτωση, οι επιστήμονες, με αυξανόμενη επιθυμία, ερευνούν επί του παρόντος το RNA ως στόχο για το πρώτο μόριο που αναπαράγεται.

Χημικές ουσίες που μιμούνται τα συστατικά των νουκλεϊκών οξέων χρησιμοποιούνται ως φάρμακα σήμερα, με περαιτέρω εξελίξεις σε αυτόν τον τομέα σε εξέλιξη. Για παράδειγμα, μια ελαφρώς τροποποιημένη μορφή ουρακίλης, 5-φθοροουρακίλη (5-FU), έχει χρησιμοποιηθεί για δεκαετίες για τη θεραπεία του καρκινώματος του παχέος εντέρου. Αυτό το κάνει μιμείται μια πραγματική αζωτούχα βάση αρκετά κοντά, έτσι ώστε να εισάγεται στο πρόσφατα κατασκευασμένο DNA. Αυτό τελικά οδηγεί σε ανάλυση της πρωτεϊνικής σύνθεσης.

Οι μιμητές των νουκλεοσιδίων (που, μπορεί να θυμάστε, είναι ένα σάκχαρο ριβόζης συν μια άζωτο βάση) έχουν χρησιμοποιηθεί σε αντιβακτηριακές και αντιιικές θεραπείες. Μερικές φορές, είναι το βασικό τμήμα του νουκλεοσιδίου που υφίσταται τροποποίηση και άλλες φορές το φάρμακο στοχεύει το τμήμα σακχάρου.