Nukleinske kiseline: struktura, funkcija, vrste i primjeri

Nukleinske kiseline predstavljaju jednu od četiri glavne kategorije biomolekule, koje su tvari koje tvore stanice. Ostali su proteini, ugljikohidrati i lipidi (ili masti).

Nukleinske kiseline, koje uključuju DNA (deoksiribonukleinska kiselina) i RNA (ribonukleinska kiselina), razlikuju se od ostale tri biomolekule po tome što se ne mogu metabolizirati za opskrbu matičnog organizma energijom.

(Zbog toga na etiketi s informacijama o prehrani ne vidite "nukleinsku kiselinu".)

Funkcija DNA i RNA je pohranjivanje genetskih informacija. Kompletna kopija vlastite DNA može se naći u jezgri gotovo svake stanice u vašem tijelu, čineći ovu agregaciju DNA - tzv. kromosomi u ovom kontekstu - radije poput tvrdog diska prijenosnog računala.

U ovoj shemi, duljina RNA vrste naziva glasnik RNA sadrži kodirane upute za samo jedan proteinski proizvod (tj. sadrži jedan gen) i stoga je više poput "palca" koji sadrži jednu važnu datoteku.

DNA i RNA su vrlo usko povezane. Pojedinačna supstitucija atoma vodika (–H) u DNA za hidroksilnu skupinu (–OH) spojenu na odgovarajući atom ugljika u RNA predstavlja cjelokupnu kemijsku i strukturnu razliku između njih dvoje nukleinske kiseline.

Kao što ćete vidjeti, međutim, kao što se to često događa u kemiji, ono što se čini kao mala razlika na atomskoj razini ima očite i duboke praktične posljedice.

Nukleinske kiseline sastoje se od nukleotida, koji su tvari koje se same sastoje od tri različite kemijske skupine: a pentozni šećer, jedan do tri fosfatne skupine i a dušična baza.

Šećer u pentozi u RNK je riboza, dok je u DNK deoksiriboza. Također, u nukleinskim kiselinama nukleotidi imaju samo jednu fosfatnu skupinu. Jedan od primjera dobro poznatog nukleotida koji se može pohvaliti s više fosfatnih skupina je ATPili adenozin trifosfat. ADP (adenozin difosfat) sudjeluje u mnogim istim procesima kao i ATP.

Pojedinačne molekule DNA mogu biti izvanredno dugo a može se protezati za duljinu cijelog kromosoma. Molekule RNA daleko su ograničenije od molekula DNA, ali se i dalje kvalificiraju kao makromolekule.

Riboza (šećer RNA) ima prsten s pet atoma koji uključuje četiri od pet ugljika u šećeru. Tri ostale zauzimaju hidroksilne (–OH) skupine, jednu atom vodika, a jednu hidroksimetilna skupina (–CH2OH).

Jedina razlika u deoksiriboza (šećer DNA) je da jedna od tri hidroksilne skupine (ona na položaju 2-ugljika) više nije zamijenjena atomom vodika.

Također, iako i DNA i RNA imaju nukleotide s jednom od četiri moguće dušične baze, one se malo razlikuju između dvije nukleinske kiseline. DNA sadrži adenin (A), citozin (C), gvanin (G) i timin. dok RNA ima A, C i G, ali uracil (U) umjesto timina.

Većina funkcionalnih razlika između DNA i RNA odnosi se na njihove izrazito različite uloge u stanicama. DNK je mjesto gdje se čuva genetski kod za život - ne samo reprodukciju, već i svakodnevne životne aktivnosti.

RNA ili barem mRNA odgovorna je za prikupljanje istih podataka i njihovo dovođenje do ribosoma izvan jezgre u kojoj se grade proteini koji omogućuju provođenje navedenih metabolizma aktivnosti.

Osnovni slijed nukleinske kiseline je mjesto na kojem se prenose njene posebne poruke i dušična za baze se tako može reći da su u konačnici odgovorne za razlike u životinjama iste vrste - to je, različite manifestacije iste osobine (npr. boja očiju, uzorak dlaka na tijelu).

Dvije baze u nukleinskim kiselinama (A i G) su purini, dok dvije (C i T u DNA; C i U u RNA) su pirimidini. Molekule purina sadrže dva srasla prstena, dok pirimidini imaju samo jedan i općenito su manji. Kao što ćete uskoro saznati, molekula DNA je dvolančana zbog vezivanja između nukleotidi u susjednim nitima.

Baza purina može se povezati samo s pirimidinom, jer bi dva purina zauzela previše prostora između niti i dva pirimidina premalo, s tim da je kombinacija purin-pirimidin upravo prava veličina.

Ali stvari se zapravo strože kontroliraju od ovoga: U nukleinskim kiselinama, Aobveznice samo zaT (iliU u RNA), dok C se veže samo za G.

Cjelovit opis molekule DNA kao dvolančana zavojnica James Watson i Francis Crick 1953. na kraju su dvojcu donijeli Nobelovu nagradu, iako je rad difrakcije X-zraka Rosalind Franklin u godinama koje su dovele do ovog postignuća bila je ključna za uspjeh para i često je podcijenjena povijesne knjige.

U prirodi, DNA postoji kao spirala jer je ovo energetski najpovoljniji oblik za pojedini skup molekula koje sadrži.

Bočni lanci, baze i drugi dijelovi molekule DNA doživljavaju pravu mješavinu elektrokemijskih privlačnosti i elektrokemijskih odbojnosti tako da je molekula najudobnija u obliku dvije spirale, malo odmaknute jedna od druge, poput isprepletenog spiralnog stila stubišta.

Lanci DNA sastoje se od izmjeničnih fosfatnih skupina i ostataka šećera, s azotnim bazama pričvršćenim za drugi dio šećera. DNA ili RNA lanac se izdužuje zahvaljujući vodikovim vezama nastalim između fosfatne skupine jednog nukleotida i ostataka šećera drugog.

Točnije, pričvršćen je fosfat na ugljiku broj 5 (često zapisan 5 ') dolaznog nukleotida umjesto hidroksilne skupine na ugljiku broj 3 (ili 3 ') rastućeg polinukleotida (mali nukleinski kiselina). Ovo je poznato kao fosfodiesterska veza.

U međuvremenu su svi nukleotidi s A bazama poredani s nukleotidima s T bazama u DNA i nukleotidi s U bazama u RNA; C se u oba jedinstveno udružuje s G.

Kaže se da su dva lanca molekule DNA komplementarni jedno drugom, jer se osnovni slijed jednog može odrediti pomoću baznog slijeda drugog zahvaljujući jednostavnoj shemi spajanja baza molekula nukleinske kiseline.

Kao što je spomenuto, RNA je izvanredno slična DNA na kemijskoj razini, s tim da je samo jedna dušična baza među četiri različite i jedan "dodatni" atom kisika u šećeru RNA. Očito su ove naizgled trivijalne razlike dovoljne da osiguraju bitno drugačije ponašanje između biomolekula.

Značajno je da RNA jest jednolančana. Odnosno, nećete vidjeti pojam "komplementarni lanac" koji se koristi u kontekstu ove nukleinske kiseline. Međutim, različiti dijelovi istog lanca RNA mogu međusobno komunicirati, što znači da oblik RNA zapravo varira više od oblika DNK (uvijek dvostruka zavojnica). Sukladno tome, postoje brojne različite vrste RNA.

• mRNA, ili glasnička RNA, koristi komplementarno uparivanje baza kako bi prenio poruku koju joj DNA daje tijekom transkripcije u ribosome, gdje se ta poruka prevodi u sintezu proteina. Transkripcija je detaljno opisana u nastavku.
• rRNA, ili ribosomska RNA, čini značajan dio mase ribosoma, struktura unutar stanica odgovornih za sintezu proteina. Ostatak mase ribosoma čine proteini.
• tRNA, ili prijenos RNA, igra presudnu ulogu u translaciji premještanjem aminokiselina namijenjenih rastućem polipeptidnom lancu do mjesta na kojem se okupljaju proteini. U prirodi postoji 20 aminokiselina, svaka sa svojom tRNA.
  

Zamislite da vam je predstavljen lanac nukleinske kiseline s baznim slijedom AAATCGGCATTA. Samo na temelju ovih podataka trebali biste brzo zaključiti dvije stvari.

Prvo, da je ovo DNA, a ne RNA, što otkriva prisutnost timina (T). Druga stvar koju možete reći je da komplementarni lanac ove molekule DNA ima bazni slijed TTTAGCCGTAAT.

Također možete biti sigurni u mRNA lanac koji bi proizašao iz ovog lanca DNA koji prolazi kroz transkripciju RNA. Imao bi isto slijed baza kao komplementarni DNA lanac, s tim da se bilo koji slučaj da je timin (T) zamijenjen uracilom (U).

To je zato što replikacija DNA i transkripcija RNA djeluju slično na način na koji je nit izrađena od lanca matrice nije duplikat te niti, ali njegov komplement ili ekvivalent u RNA.

Da bi molekula DNA mogla napraviti svoju kopiju, dva lanca dvostruke zavojnice moraju se razdvojiti u blizini kopiranja. To je zato što se svaki lanac kopira (replicira) zasebno i zato što enzimi i druge molekule koje sudjeluju u njima Replikacija DNA treba prostor za interakciju, što dvostruka zavojnica ne pruža. Tako se dva lanca fizički odvajaju, a za DNK se kaže da jest denaturiran.

Svaki odvojeni lanac DNA čini novi lanac komplementarnim sebi i ostaje vezan za njega. Dakle, u određenom smislu, ništa se ne razlikuje u svakoj novoj dvolančanoj molekuli od svog roditelja. Kemijski, imaju isti molekularni sastav. No, jedan je pramen u svakoj dvostrukoj zavojnici potpuno nov, dok je drugi ostao od same replikacije.

Kada se replikacija DNA dogodi istovremeno duž odvojenih komplementarnih lanaca, sinteza novih lanaca zapravo se događa u suprotnim smjerovima. S jedne strane, novi lanac jednostavno raste u smjeru da se DNK "otkopča" dok je denaturiran.

S druge strane, međutim, sintetiziraju se mali fragmenti nove DNA daleko iz smjera odvajanja niti. Oni se nazivaju Okazaki fragmenti, a enzimi ih spajaju nakon postizanja određene duljine. Ova dva nova lanca DNA jesu antiparalelno jedno drugom.

Transkripcija RNA je slična replikaciji DNK po tome što je za njezino započinjanje potrebno razdvajanje DNA lanaca. mRNA nastaje uz predložak DNA sekvencijalnim dodavanjem RNA nukleotida enzimom RNA polimeraza.

Ovaj početni prijepis RNA stvoren od DNK stvara ono što nazivamo pre-mRNA. Ovaj pre-mRNA lanac sadrži oboje introni i egzoni. Introni i eksoni su dijelovi unutar DNA / RNA koji ili kodiraju ili ne kodiraju dijelove genskog proizvoda.

Introns su nekodirajući odjeljci (zvani i "interfering section ") dok egzoni su odjeljci za kodiranje (također se nazivaju "prprešani dijelovi ").

Prije nego što ovaj lanac mRNA napusti jezgru da se prevede u protein, enzimi unutar akcize jezgre, odnosno izrezani, introni, jer ne kodiraju ništa u tom određenom genu. Enzimi zatim povezuju preostale intronske sekvence dajući vam konačni mRNA lanac.

Jedan mRNA lanac obično uključuje točno bazni slijed potreban za okupljanje jednog jedinstvenog proteina nizvodno u prijevod postupak, što znači da jedna molekula mRNA obično nosi informacije za jedan gen. Gen je DNA sekvenca koja kodira određeni proteinski proizvod.

Jednom kada je transkripcija završena, mRNA lanac se izvozi iz jezgre kroz pore u nuklearnoj ovojnici. (Molekule RNA su prevelike da bi se jednostavno difuzirale kroz nuklearnu membranu, kao i voda i druge male molekule). Zatim se "usidri" sa ribosomi u citoplazmi ili unutar određenih organela, i sinteza proteina je pokrenut.

Nukleinske kiseline se ne mogu metabolizirati za gorivo, ali se mogu stvoriti iz vrlo malih molekula ili razbiti iz svog cjelovitog oblika na vrlo male dijelove. Nukleotidi se sintetiziraju anaboličkim reakcijama, često iz nukleozida, koji su nukleotidi umanjeni za bilo koju fosfatnu skupinu (to jest, nukleozid je šećer riboze plus azotna baza).

DNA i RNA se također mogu razgraditi: od nukleotida do nukleozida, zatim do dušičnih baza i na kraju do mokraćne kiseline.

Razgradnja nukleinskih kiselina je važna za cjelokupno zdravlje. Primjerice, nemogućnost razgradnje purina povezana je s gihtom, bolnom bolešću koja zahvaća neke zglobove zahvaljujući naslagama kristala urata na tim mjestima.