Nukleiinhapete omadused

Oluliste nukleiinhapete hulka kuuluvad looduses desoksüribonukleiinhape ehk DNA ja ribonukleiinhape ehk RNA. Neid nimetatakse hapeteks, kuna nad on prootonid (st vesiniku aatomid) doonorid ja seetõttu kannavad nad negatiivset laengut.

Keemiliselt on DNA ja RNA polümeerid, mis tähendab, et need koosnevad korduvatest üksustest, sageli väga suurest hulgast. Neid üksusi nimetatakse nukleotiidid. Kõik nukleotiidid sisaldavad omakorda kolme erinevat keemilist osa: pentoosisuhkur, fosfaatrühm ja lämmastikalus.

DNA erineb RNA-st kolmel peamisel viisil. Üks on see, et nukleiinhappemolekuli struktuurse "selgroo" moodustav suhkur on desoksüriboos, RNA-s aga riboos. Kui olete keemilise nomenklatuuriga üldse kursis, mõistate, et see on väike erinevus kogu struktuuriskeemis; riboosil on neli hüdroksüül (-OH) rühma, desoksüriboosil aga kolm.

Teine erinevus on see, et kui üks neljast DNA-s leiduvast lämmastikualusest on tümiin, siis RNA vastav alus on uratsiil. Nukleiinhapete lämmastikalused dikteerivad nende lõplikud omadused molekulid, kuna fosfaadi ja suhkru osad ei erine molekuli sees ega molekulide vahel sama tüüpi.

Lõpuks on DNA kaheahelaline, mis tähendab, et see koosneb kahest pikast nukleotiidide ahelast, mis on keemiliselt seotud kahe lämmastikuga. DNA keritakse kahekordse heeliksi kujuliseks, nagu paindlik redel, mis on mõlemast otsast vastassuunas keeratud.

Deoksüribiroos koosneb viie aatomi rõngast, neljast süsinikust ja hapnikust, mis on pesapalli kujuline viisnurk või võib-olla kodune plaat. Kuna süsinik moodustab neli sidet ja hapnik kaks, jätab see neljale süsinikuaatomile vabad kaheksa sidumiskohta, kaks süsiniku kohta, üks ringi kohal ja üks allpool. Neist kolmest kohast on hõivatud hüdroksüül (-OH) rühmad ja viies vesinikuaatomid.

See suhkrumolekul võib liituda ühe neljast lämmastikuga alusest: adeniin, tsütosiin, guaniin ja tümiin. Adeniin (A) ja guaniin (G) on puriinid, tsütosiin (C) ja tümiin (T) on pürimidiinid. Puriinid on suuremad molekulid kui pürimidiinid; kuna mis tahes täieliku DNA molekuli kaks ahelat on keskelt seotud nende lämmastikalustega, need sidemed peavad moodustuma ühe puriini ja ühe pürimidiini vahel, et hoida kahe molekuli suurus kogu molekulis ligikaudu pidev. (See aitab lugemisel viidata mis tahes nukleiinhapete diagrammile, näiteks viidetes toodud viidetele.) Nagu juhtub, seondub A DNA-s ainult T-ga, C aga ainult G-ga.

Lämmastikuga alusega seotud deoksüriboosi nimetatakse a nukleosiid. Kui süsinikdioksiidile lisatakse fosfaatrühm kahe laigu kaugusel aluse kinnituskohast, moodustub täielik nukleotiid. Nukleotiidide erinevate aatomite vastavate elektrokeemiliste laengute eripära on vastutab kaheahelalise DNA eest, mis loomulikult moodustab spiraalse kuju, ja molekulis oleva kahe DNA ahela eest nimetatakse täiendavad tegevussuunad.

RNA-s olev pentoosisuhkur on pigem riboos kui desoksüriboos. Riboos on identne desoksüriboosiga, välja arvatud see, et tsükli struktuur on seotud nelja hüdroksüül (-OH) rühma ja nelja vesiniku aatomiga vastavalt kolme ja viie vesiniku aatomiga. Nukleotiidi riboosi osa seondub fosfaatrühma ja lämmastikalusega, nagu DNA-s, vahelduvate fosfaatide ja suhkrud, mis moodustavad RNA "selgroo". Nagu eespool märgitud, hõlmavad alused A, C ja G, kuid RNA teine ​​pürimidiin on pigem uratsiil (U) kui T.

Kui DNA tegeleb ainult teabe salvestamisega (geen on lihtsalt DNA ahel, mis kodeerib ühte valku), siis erinevat tüüpi RNA-l on erinevad funktsioonid. Messenger RNA või mRNA valmistatakse DNA-st, kui tavaliselt kaheahelaline DNA jaguneb transkriptsiooni eesmärgil kaheks üksikahelaks. Saadud mRNA jõuab lõpuks rakkude osade poole, kus toimub valgu tootmine, kandes selle protsessi juhiseid, mida edastab DNA. Teist tüüpi RNA, ülekandev RNA (tRNA), osaleb valkude tootmisel. See toimub rakuorganellidel, mida nimetatakse ribosoomideks, ja ribosoomid ise koosnevad peamiselt kolmandast RNA tüübist, mida nimetatakse tabavalt ribosomaalseks RNA-ks (rRNA).

Viis lämmastikalust - adeniin (A), tsütosiin (C), guaniin (G) ja tümiin (T) DNA-s ning kolm esimest pluss uratsiil (U) RNA-s - on nukleiinhapete osad, mis vastutavad lõpuks geeniproduktide mitmekesisuse eest kogu elus asju. Suhkru- ja fosfaadiosad on hädavajalikud, kuna pakuvad struktuuri ja tellinguid, kuid koodide genereerimise aluseks on alused. Kui arvate, et oma sülearvuti on nukleiinhape või vähemalt nukleotiidide rida, peaks riistvara (nt kettaseadmed, monitor ekraan, mikroprotsessor) on analoogne suhkrute ja fosfaatidega, samas kui teie kasutatav tarkvara ja rakendused on nagu lämmastik kuna ainulaadne programmide valik, mille olete oma süsteemi laadinud, muudab teie arvuti ainulaadseks "organism."

Nagu varem kirjeldatud, klassifitseeritakse lämmastikuga alused kas puriinideks (A ja G) või pürimidiinideks (C, T ja U). A paaristub DNA ahelas alati T-ga ja C paarub alati G-ga. Oluline on see, et kui RNA sünteesi (transkriptsiooni) matriitsina kasutatakse DNA ahelat, kasvava RNA molekuli igas punktis, "ema" DNA nukleotiidist loodud RNA nukleotiid sisaldab alust, mida "põhi" alus alati seob kuni. Seda uuritakse järgmises osas.

Puriinid koosnevad kuueliikmelisest lämmastiku ja süsiniku tsüklist ning viieliikmelisest lämmastiku ja süsiniku ringist, nagu kuusnurk ja viisnurk, millel on ühine külg. Puriini süntees hõlmab riboossuhkru keemilist kohandamist, millele järgneb amino (-NH₂) rühmad. Pürimidiinidel on ka kuueliikmeline lämmastiku ja süsiniku ring nagu puriinidel, kuid neil puudub viieliikmeline puriinide lämmastiku ja süsiniku ring. Puriinide molekulmass on seetõttu suurem kui pürimidiinidel.

Pürimidiine sisaldavate nukleotiidide ja puriine sisaldavate nukleotiidide süntees toimub ühes otsustavas etapis vastupidises järjekorras. Pürimidiinides pannakse kõigepealt alusosa kokku ja ülejäänud molekul muudetakse hiljem nukleotiidiks. Puriinides modifitseeritakse osa, millest lõpuks saab adeniin või guaniin, nukleotiidi moodustumise lõpu poole.

Transkriptsioon on mRNA ahela loomine DNA matriitsist, millel on samad juhised (st geneetiline kood) konkreetse valgu valmistamiseks nagu matriitsil. Protsess toimub rakutuumas, kus asub DNA. Kui kaheahelaline DNA molekul eraldub üksikuteks ahelateks ja jätkub transkriptsioon, tekib ühest "lukustamata" DNA paari ahel on identne lukustamata DNA teise ahela DNA-ga, välja arvatud see, et mRNA sisaldab U asemel T. (Jällegi on diagrammile viitamine kasulik; vaata viiteid.) Pärast valmimist mRNA lahkub tuumast tuumamembraani pooride kaudu. Pärast mRNA tuumast lahkumist kinnitub see ribosoomi külge.

Seejärel kinnituvad ensüümid ribosoomide kompleksi külge ja aitavad kaasa tõlkeprotsessis. Tõlkimine on mRNA juhendi muundamine valkudeks. See juhtub siis, kui aminohapped, valkude alamühikud, genereeritakse mRNA ahela kolnukleotiidsetest "koodonitest". Protsess hõlmab ka rRNA-d (kuna translatsioon toimub ribsoomidel) ja tRNA-d (mis aitab aminohappeid kokku panna).

DNA ahelad moodustuvad seotud tegurite liitumise tõttu kahekordseks spiraaliks. Üks neist on vesiniksidemed, mis looduslikult paiknevad molekuli erinevates osades. Spiraali moodustumisel on lämmastikuga aluste sidumispaarid risti kogu topeltheeliksi teljega. Iga täispööre sisaldab kokku umbes 10 alust-alust seotud paari. Mida võib redelina asetatuna nimetada DNA külgedeks, nimetatakse nüüd topeltheeliksi ahelateks. Need koosnevad peaaegu täielikult nukleotiidide riboosi ja fosfaadi osadest, alused on sees. Spiraalil on väidetavalt nii suured kui ka väiksemad sooned, mis määravad selle lõpuks stabiilse kuju.

Kuigi kromosoome võib kirjeldada kui väga pikki DNA ahelaid, on see jämedat lihtsustamist. On tõsi, et antud kromosoom võib teoreetiliselt lahti keerata, et paljastada üks katkematu DNA molekul, kuid see ei osuta keerulisele mähisele, poolimisele ja klastrile, mida DNA teeb a moodustamiseks kromosoom. Ühes kromosoomis on miljoneid DNA aluspaare ja kui kogu DNA sirutataks välja ilma spiraali purustamata, ulatuks selle pikkus mõnest millimeetrist üle sentimeetrini. Tegelikult on DNA palju tihedam. Histoonideks nimetatud valgud moodustuvad neljast alaühiku valgu paarist (kokku kaheksa alaühikut). See oktameer toimib omamoodi poolina, et DNA topeltheeliks mähkiks end kaks korda ümber nagu niit. Seda struktuuri, oktaameerijat ja selle ümber mähitud DNA-d nimetatakse nukleosoomiks. Kui kromosoom on osaliselt lahti keeratud ahelaks, mida nimetatakse kromatiidiks, näivad need nukleosoomid mikroskoopias olevatest helmestest nööril. Kuid nukleosoomide tasemest kõrgemal toimub geneetilise materjali edasine kokkusurumine, ehkki täpne mehhanism jääb raskesti mõistetavaks.

Arvesse võetakse DNA-d, RNA-d ja valke biopolümeerid kuna need on korduvad teabe ja aminohapete järjestused, mis on seotud elusolenditega ("bio" tähendab "elu"). Molekulaarbioloogid tunnistavad tänapäeval, et DNA ja RNA on mingil kujul enne elu tekkimist Maa, kuid alates 2018. aastast polnud keegi veel välja mõelnud teed varajastest biopolümeeridest lihtsa elamiseni asju. Mõned on teoreetiliselt väitnud, et RNA oli mingil kujul kõigi nende asjade, sealhulgas DNA, algallikas. See on "RNA maailma hüpotees". Kuid see esitab bioloogidele omamoodi kana-muna stsenaariumi, sest piisavalt suured RNA molekulid ei oleks ilmselt saanud tekkida muul viisil kui transkriptsioon. Igal juhul uurivad teadlased üha innukamalt RNA-d kui esimest isereplikeeruva molekuli sihtmärki.

Nukleiinhapete koostisosi jäljendavaid kemikaale kasutatakse tänapäeval ravimitena, edasised arengud selles valdkonnas on käimas. Näiteks käärsoole kartsinoomi raviks on aastakümneid kasutatud uratsiili veidi modifitseeritud vormi, 5-fluorouratsiili (5-FU). Seda tehakse imiteerides tõelist lämmastikalust piisavalt tihedalt, et see sisestataks äsja toodetud DNA-sse. See viib lõpuks valgusünteesi lagunemiseni.

Nukleosiidide jäljendajaid (mis võib-olla mäletate, on riboossuhkur pluss lämmastikalus) on kasutatud antibakteriaalsetes ja viirusevastastes ravides. Mõnikord on modifitseeritud nukleosiidi alusosa ja muul ajal on ravim suunatud suhkruosale.