Nukleiinihappojen ominaisuudet

Tärkeitä nukleiinihappoja luonnossa ovat deoksiribonukleiinihappo tai DNA ja ribonukleiinihappo tai RNA. Niitä kutsutaan hapoiksi, koska ne ovat protonien (ts. Vetyatomin) luovuttajia, ja siksi niillä on negatiivinen varaus.

Kemiallisesti DNA ja RNA ovat polymeerejä, mikä tarkoittaa, että ne koostuvat toistuvista yksiköistä, usein hyvin suuresta osasta niitä. Näitä yksiköitä kutsutaan nukleotidit. Kaikki nukleotidit puolestaan ​​sisältävät kolme erillistä kemiallista osaa: pentoosisokeri, fosfaattiryhmä ja typpipitoinen emäs.

DNA eroaa RNA: sta kolmella ensisijaisella tavalla. Yksi on se, että sokeri, joka muodostaa nukleiinihappomolekyylin rakenteellisen "selkärangan", on deoksiriboosi, kun taas RNA: ssa se on riboosi. Jos tunnet ollenkaan kemiallisen nimikkeistön, huomaat, että tämä on pieni ero rakenteellisessa rakenteessa; riboosilla on neljä hydroksyyli (-OH) -ryhmää, kun taas deoksiriboosilla on kolme.

Toinen ero on, että vaikka yksi DNA: sta löydetyistä neljästä typpipitoisesta emäksestä on tymiini, vastaava emäs RNA: ssa on urasiili. Nukleiinihappojen typpipitoiset emäkset sanelevat näiden lopulliset ominaisuudet molekyylit, koska fosfaatti - ja sokeriosat eivät vaihdella molekyylien sisällä tai välillä samaa tyyppiä.

Lopuksi, DNA on kaksijuosteinen, mikä tarkoittaa, että se koostuu kahdesta nukleotidiketjusta, jotka on sitoutunut kemiallisesti kahdella typpipitoisella emäksellä. DNA kääritään "kaksoiskierteen" muotoon, kuten joustavat tikkaat, jotka on kierretty vastakkaisiin suuntiin molemmista päistä.

Deoksiriboosi koostuu viiden atomin renkaasta, neljästä hiilestä ja hapesta, joka on muotoinen viisikulmion tai kenties pesulapallon kotilevyn muodossa. Koska hiili muodostaa neljä sidosta ja happi kaksi, tämä jättää kahdelle sitoutumispaikalle vapaan neljästä hiiliatomista, kaksi hiiltä kohti, yksi renkaan yläpuolella ja toinen renkaan alapuolella. Kolme näistä pisteistä on hydroksyyli (-OH) -ryhmien käytössä, ja viiden vaativat vetyatomit.

Tämä sokerimolekyyli voi sitoutua yhteen neljästä typpiemäksestä: adeniiniin, sytosiiniin, guaniiniin ja tymiiniin. Adeniini (A) ja guaniini (G) ovat puriineja, kun taas sytosiini (C) ja tymiini (T) ovat pyrimidiinit. Puriinit ovat suurempia molekyylejä kuin pyrimidiinit; koska minkä tahansa täydellisen DNA-molekyylin kaksi säiettä ovat keskellä typpipohjiensa, näiden sidosten, välissä täytyy muodostua yhden puriinin ja yhden pyrimidiinin väliin pitääkseen molempien emästen kokonaiskoko molekyylin läpi karkeasti vakio. (Se auttaa viittaamaan mihin tahansa kaavioon nukleiinihapoista lukemisen aikana, kuten viitteissä.) Kuten tapahtuu, A sitoutuu yksinomaan DNA: han T: hen, kun taas C sitoutuu yksinomaan G: hen.

Typpipitoiseen emäkseen sitoutunutta deoksiriboosia kutsutaan a nukleosidia. Kun fosfaattiryhmä lisätään deoksiriboosiin hiilessä kahden täplän päässä emäksen kiinnittymispaikasta, muodostuu täydellinen nukleotidi. Nukleotidien eri atomien vastaavien sähkökemiallisten varausten erityispiirteet ovat vastuussa kaksisäikeisestä DNA: sta, joka muodostaa luonnollisesti kierukkamuodon, ja molekyylin kahdesta DNA-säikeestä kutsutaan täydentävät säikeet.

RNA: ssa oleva pentoosisokeri on pikemminkin riboosi kuin deoksiriboosi. Riboosi on identtinen deoksiriboosin kanssa, paitsi että rengasrakenne on sitoutunut neljään hydroksyyli (-OH) -ryhmään ja neljään vetyatomiin vastaavasti kolmen ja viiden sijasta. Nukleotidin riboosiosa on sitoutunut fosfaattiryhmään ja typpipitoiseen emäkseen, kuten DNA: n kanssa, vuorotellen fosfaatteja ja sokerit, jotka muodostavat RNA: n "selkärangan". Emäkset, kuten edellä todettiin, sisältävät A, C ja G, mutta toinen pyrimidiini RNA: ssa on urasiili (U) pikemminkin kuin T.

DNA: lla on vain tietoa vain (geeni on yksinkertaisesti DNA-juoste, joka koodaa yksittäistä proteiinia), mutta erityyppisillä RNA: lla on erilaiset toiminnot. Messenger-RNA tai mRNA valmistetaan DNA: sta, kun tavallisesti kaksisäikeinen DNA jakautuu kahdeksi yksisäikeiseksi transkriptiota varten. Tuloksena oleva mRNA vie lopulta tiensä kohti solujen osia, joissa tapahtuu proteiinin valmistusta, kantamalla DNA: n toimittamia ohjeita tälle prosessille. Toinen RNA-tyyppi, siirto-RNA (tRNA), osallistuu proteiinien valmistukseen. Tämä tapahtuu ribosomeiksi kutsuttujen soluelementtien kohdalla, ja itse ribosomit koostuvat pääosin kolmannesta RNA-tyypistä, jota kutsutaan sopivasti ribosomaaliseksi RNA: ksi (rRNA).

Viisi typpipitoista emästä - adeniini (A), sytosiini (C), guaniini (G) ja tymiini (T) DNA: ssa ja kolme ensimmäistä plus urasiili (U) RNA: ssa - ovat niitä nukleiinihappojen osia, jotka ovat viime kädessä vastuussa geenituotteiden monimuotoisuudesta elävien välillä asioita. Sokeri- ja fosfaattiosat ovat välttämättömiä, koska ne tarjoavat rakenteen ja rakennustelineet, mutta emäkset ovat siellä, missä koodit syntyvät. Jos ajattelet kannettavaa tietokonetta nukleiinihapoksi tai ainakin jonoksi nukelotideja, laitteisto (esim. Levyasemat, näyttö näyttö, mikroprosessori) on analoginen sokereiden ja fosfaattien kanssa, kun taas kaikki käyttämäsi ohjelmistot ja sovellukset ovat kuin typpeä koska ainutlaatuinen valikoima ohjelmistoja, jotka olet ladannut järjestelmääsi, tekee tietokoneestasi ainutlaatuisen "organismi".

Kuten aiemmin on kuvattu, typpipitoiset emäkset luokitellaan joko puriineiksi (A ja G) tai pyrimidiineiksi (C, T ja U). A pariutuu aina DNA-juosteessa T: n kanssa, ja C pariutuu aina G: n kanssa. Tärkeää on, että kun DNA-juosetta käytetään templaattina RNA-synteesille (transkriptio), kasvavan RNA-molekyylin jokaisessa kohdassa, "emo" DNA-nukleotidista muodostuva RNA-nukleotidi sisältää emäksen, joka on se, jonka "emä" emäs sitoutuu aina. Tätä tarkastellaan seuraavassa osassa.

Puriinit koostuvat kuusijäsenisestä typpi- ja hiilirenkaasta ja viisijäsenisestä typpi- ja hiilirenkaasta, kuten kuusikulmiosta ja viisikulmiosta, joilla on yhteinen puoli. Puriinisynteesiin sisältyy riboosisokerin kemiallinen säätäminen, jota seuraa aminon (-NH₂) ryhmät. Pyrimidiinillä on myös kuusijäseninen typpi- ja hiilirengas, kuten puriinit, mutta niiltä puuttuu puriinien viisijäseninen typpi- ja hiilirengas. Puriinien molekyylimassa on siten suurempi kuin pyrimidiinillä.

Pyrimidiinien sisältävien nukleotidien synteesi ja puriineja sisältävien nukleotidien synteesi tapahtuu päinvastaisessa järjestyksessä yhdessä ratkaisevassa vaiheessa. Pyrimidiinissä emäsosa kootaan ensin ja loput molekyylistä modifioidaan myöhemmin nukleotidiksi. Puriinissa osa, josta lopulta tulee adeniinia tai guaniinia, modifioidaan kohti nukleotidien muodostumisen loppua.

Transkriptio on mRNA-juosteen luominen DNA-templaatista, joka sisältää samat ohjeet (eli geneettisen koodin) tietyn proteiinin valmistamiseksi kuin templaatti. Prosessi tapahtuu solun ytimessä, jossa DNA sijaitsee. Kun kaksijuosteinen DNA-molekyyli erottuu yksisäikeisiksi ja transkriptio etenee, yhdestä muodostunut mRNA "avaamattoman" DNA-parin säike on identtinen vetämättömän DNA: n toisen juosteen DNA: n kanssa, paitsi että mRNA sisältää U: ta T. (Kaavioon viittaaminen on jälleen hyödyllistä; katso viitteet.) Kun mRNA on valmis, se poistuu ytimestä huokosten läpi ydinkalvossa. Kun mRNA lähtee ytimestä, se kiinnittyy ribosomiin.

Entsyymit kiinnittyvät sitten ribosomaaliseen kompleksiin ja auttavat käännösprosessissa. Translaatio on mRNA: n käskyn muuntaminen proteiineiksi. Tämä tapahtuu, kun aminohapot, proteiinien alayksiköt, syntyvät mRNA-juosteen kolminukleotidisista "kodoneista". Prosessi sisältää myös rRNA: n (koska translaatio tapahtuu ribsomeissa) ja tRNA: n (joka auttaa koottamaan aminohappoja).

DNA-säikeet kokoontuvat kaksoiskierrokseksi siihen liittyvien tekijöiden yhtymäkohdan vuoksi. Yksi näistä on vetysidokset, jotka luonnollisesti putoavat paikoilleen molekyylin eri osissa. Kierukan muodostuessa typpipohjien sitoutumisparit ovat kohtisuorassa kaksoiskierteen akseliin kokonaisuutena. Jokainen täysi kierros sisältää yhteensä noin 10 emäs-emäs-sidottua paria. Sitä, mitä saatettiin kutsua DNA: n "sivuiksi", kun se asetettiin "tikkaiksi", kutsutaan nyt kaksoiskierteen "ketjuiksi". Nämä koostuvat melkein kokonaan nukleotidien riboosi- ja fosfaattiosista, emästen ollessa sisällä. Kierroksella sanotaan olevan sekä suuria että pieniä uria, jotka määräävät sen lopulta vakaan muodon.

Vaikka kromosomeja voidaan kuvata hyvin pitkinä DNA-säikeinä, tämä on karkea yksinkertaistaminen. On totta, että tietty kromosomi voidaan teoriassa purkaa paljastamaan yksi katkeamaton DNA-molekyyli, mutta tämä ei osoita monimutkaista kelausta, kelausta ja ryhmittymistä, jonka DNA tekee matkalla muodostamaan a kromosomi. Yhdessä kromosomissa on miljoonia DNA-emäsparia, ja jos kaikki DNA venytettäisiin rikkomatta kierukkaa, sen pituus ulotuisi muutamasta millimetristä yli senttimetriin. Todellisuudessa DNA on paljon tiivistynyt. Histoneiksi kutsuttuja proteiineja muodostuu neljästä alayksikköproteiiniparista (yhteensä kahdeksan alayksikköä). Tämä oktameeri toimii eräänlaisena kelana, jonka avulla DNA-kaksoiskierre kääritään itsensä ympärille kahdesti, kuten lanka. Tätä rakennetta, oktaameja ja sen ympärille kiedottua DNA: ta kutsutaan nukleosomiksi. Kun kromosomi puretaan osittain kromatidiksi kutsuttuun juosteeseen, nämä nukleosomit näyttävät mikroskopiassa olevan merkkijonon helmiä. Mutta nukleosomien tason yläpuolella tapahtuu edelleen geneettisen materiaalin puristuminen, vaikka tarkka mekanismi on edelleen vaikeasti ymmärrettävä.

DNA, RNA ja proteiinit otetaan huomioon biopolymeerit koska ne ovat toistuvia tieto- ja aminohapposekvenssejä, jotka liittyvät eläviin ("bio" tarkoittaa "elämä"). Molekyylibiologit tunnustavat nykyään, että DNA ja RNA ovat jossain muodossa ennen elämän syntymistä Maapallolla, mutta vuodesta 2018 alkaen kukaan ei ollut keksinyt tietä varhaisista biopolymeereistä yksinkertaiseen elämään asioita. Jotkut ovat teorioineet, että RNA oli jossain muodossa kaikkien näiden asioiden, mukaan lukien DNA, alkuperäinen lähde. Tämä on "RNA-maailman hypoteesi". Tämä on kuitenkin eräänlainen kanan ja munan skenaario biologeille, koska riittävän suuria RNA-molekyylejä ei ilmeisesti voinut syntyä millään muulla tavalla kuin transkriptio. Joka tapauksessa tutkijat tutkivat yhä innokkaammin RNA: ta ensimmäisen itsereplikoituvan molekyylin kohteena.

Kemikaaleja, jotka jäljittelevät nukleiinihappojen ainesosia, käytetään tänään lääkkeinä, ja tällä alueella on edelleen kehitystä. Esimerkiksi hieman modifioitua urasiilin muotoa, 5-fluorourasiilia (5-FU), on käytetty vuosikymmenien ajan paksusuolen karsinooman hoitoon. Se tekee tämän jäljittelemällä todellista typpipitoista emästä riittävän tarkasti, jotta se insertoidaan vasta valmistettuun DNA: han. Tämä johtaa lopulta proteiinisynteesin hajoamiseen.

Nukleosidien jäljittelijöitä (jotka saatat muistaa, ovat riboosisokeri plus typpipohjainen emäs) on käytetty antibakteerisissa ja viruslääkkeissä. Joskus se on nukleosidin emäsosa, joka muuttuu, ja muina aikoina lääke kohdistaa sokeriosuuden.