Karakteristike nukleinskih kiselina

Važne nukleinske kiseline u prirodi uključuju deoksiribonukleinsku kiselinu ili DNA i ribonukleinsku kiselinu ili RNA. Nazivaju se kiselinama, jer su donatori protona (tj. Atoma vodika), pa stoga nose negativan naboj.

Kemijski su DNA i RNA polimeri, što znači da se sastoje od ponavljajućih jedinica, često vrlo velikog broja. Te se jedinice nazivaju nukleotidi. Svi nukleotidi zauzvrat uključuju tri različita kemijska dijela: pentozni šećer, fosfatnu skupinu i dušičnu bazu.

DNA se razlikuje od RNK na tri primarna načina. Jedno je da je šećer koji čini strukturnu "okosnicu" molekule nukleinske kiseline dezoksiriboza, dok je u RNA riboza. Ako ste uopće upoznati s kemijskom nomenklaturom, prepoznat ćete da je to mala razlika u cjelokupnoj strukturnoj shemi; riboza ima četiri hidroksilne (-OH) skupine, dok deoksiriboza ima tri.

Druga je razlika u tome što dok je jedna od četiri dušične baze koje se nalaze u DNK timin, odgovarajuća baza u RNK je uracil. Dušične baze nukleinskih kiselina su ono što diktira njihove krajnje karakteristike jer se dijelovi fosfata i šećera ne razlikuju unutar ili između molekula molekula isti tip.

Konačno, DNA je dvolančana, što znači da se sastoji od dva dugačka lanca nukleotida koji su kemijski vezani s dvije dušične baze. DNA je namotana u oblik "dvostruke zavojnice", poput fleksibilne ljestve uvijene u suprotnim smjerovima na oba kraja.

Deoksiriboza se sastoji od petomatnog prstena, četiri ugljika i kisika, oblikovanog poput peterokuta ili možda domaće ploče u bejzbolu. Budući da ugljik tvori četiri veze, a kisik dvije, to ostavlja osam vezanih mjesta slobodna na četiri atoma ugljika, dva po ugljiku, jedno iznad i jedno ispod prstena. Tri od tih mjesta zauzimaju hidroksilne (-OH) skupine, a pet atomi vodika.

Ova molekula šećera može se vezati za jednu od četiri dušične baze: adenin, citozin, gvanin i timin. Adenin (A) i gvanin (G) su purini, dok su citozin (C) i timin (T) pirimidini. Purini su veće molekule od pirimidina; jer su dvije niti bilo koje cjelovite molekule DNA u sredini povezane svojim dušičnim bazama, tim vezama mora nastati između jednog purina i jednog pirimidina kako bi ukupna veličina dviju baza u molekuli približno ostala konstantno. (Pomaže pri pozivanju na bilo koji dijagram nukleinskih kiselina, poput onih u Literaturi.) Kako se to događa, A se veže isključivo za T u DNA, dok se C veže isključivo za G.

Deoksiriboza vezana za dušičnu bazu naziva se a nukleozid. Kada se fosfatna skupina doda u deoksiribozu na ugljiku na dva mjesta od mjesta na koje je vezana baza, nastaje cjeloviti nukleotid. Osobitosti elektrokemijskih naboja na različitim atomima nukleotida su odgovoran za dvolančanu DNA koja prirodno tvori spiralni oblik i dva lanca DNA u molekuli se zovu komplementarne niti.

Šećer u pentozi u RNA je riboza, a ne deoksiriboza. Riboza je identična deoksiribozi, osim što je prstenasta struktura vezana za četiri hidroksilne (-OH) skupine i četiri atoma vodika umjesto za tri, odnosno za pet. Dio riboze nukleotida vezan je za fosfatnu skupinu i dušičnu bazu, kao i kod DNA, s izmjeničnim fosfatima i šećeri koji čine RNA "okosnicu". Baze, kao što je gore spomenuto, uključuju A, C i G, ali drugi pirimidin u RNA je uracil (U) nego T.

Dok se DNA bavi samo pohranom podataka (gen je jednostavno lanac DNA koji kodira jedan protein), različite vrste RNA preuzimaju različite funkcije. Glasnička RNA ili mRNA nastaje od DNK kada se obično dvolančana DNA podijeli u dvije pojedinačne niti u svrhu transkripcije. Rezultirajuća mRNA na kraju se usmjerava prema dijelovima stanica u kojima se događa proizvodnja proteina, noseći upute za taj postupak koje daje DNA. Druga vrsta RNA, prijenos RNA (tRNA), sudjeluje u proizvodnji proteina. To se događa na organelama stanica koje se nazivaju ribosomi, a sami se ribosomi uglavnom sastoje od treće vrste RNA koja se naziva, prikladno, ribosomska RNA (rRNA).

Pet dušičnih baza - adenin (A), citozin (C), gvanin (G) i timin (T) u DNA i prve tri plus uracil (U) u RNA - su dijelovi nukleinskih kiselina koji su u konačnici odgovorni za raznolikost genskih proizvoda u čitavom životu stvari. Dijelovi šećera i fosfata neophodni su jer pružaju strukturu i skele, ali baze su mjesta na kojima se generiraju kodovi. Ako svoje prijenosno računalo smatrate nukleinskom kiselinom ili barem nizom nucelotida, hardver (npr. Diskovni pogoni, monitor zaslon, mikroprocesor) analogan je šećerima i fosfatima, dok su bilo koji softver i aplikacije koje koristite poput dušika baze, jer jedinstveni asortiman programa koje ste učitali u svoj sustav učinkovito čini vaše računalo jedinstvenim "organizam."

Kao što je ranije opisano, dušične baze klasificirane su ili kao purini (A i G) ili kao pirimidini (C, T i U). A uvijek se u DNA lancu s T, a C uvijek s G. Važno je da se kada se DNA lanac koristi kao predložak za sintezu RNA (transkripcija), u svakoj točki duž rastuće molekule RNA, nukleotid RNA koji je stvoren od "matičnog" DNA nukleotida uključuje bazu koja je ona koju "matična" baza uvijek veže do. Ovo se istražuje u daljnjem odjeljku.

Purini se sastoje od šesteročlanog prstena dušika i ugljika i petočlana prstena dušika i ugljika, poput šesterokuta i peterokuta koji dijele bočnu stranu. Sinteza purina uključuje kemijsko ugađanje šećera riboze, nakon čega slijedi dodavanje amino (-NH₂) grupe. Pirimidini također imaju šesteročlani prsten dušika i ugljika, poput purina, ali im nedostaje petočlani prsten dušika i ugljika purina. Purini stoga imaju veću molekularnu masu od pirimidina.

Sinteza nukleotida koji sadrže pirimidine i sinteza nukleotida koji sadrže purine događaju se u suprotnom redoslijedu u jednom presudnom koraku. U pirimidinima se osnovni dio prvo sastavi, a ostatak molekule kasnije modificira u nukleotid. U purinima se dio koji na kraju postane adenin ili gvanin modificira prema kraju stvaranja nukleotida.

Transkripcija je stvaranje lanca mRNA iz DNA predloška, ​​koji nosi iste upute (tj. Genetski kod) za stvaranje određenog proteina kao i predložak. Proces se događa u staničnoj jezgri, gdje se nalazi DNK. Kada se dvolančana molekula DNA odvoji u pojedinačne lance i nastavi se transkripcija, mRNA koja se generira iz jedne lanac "unzipped" DNK para identičan je DNA drugog lanca unzipirane DNA, osim što mRNA sadrži U umjesto T. (Opet je korisno pozivanje na dijagram; vidi reference.) MRNA, nakon što završi, napušta jezgru kroz pore u nuklearnoj membrani. Nakon što mRNA napusti jezgru, ona se veže za ribosom.

Enzimi se zatim vežu za ribosomski kompleks i pomažu u procesu prevođenja. Prijevod je pretvaranje uputa mRNA u proteine. To se događa kada se aminokiseline, podjedinice proteina, generiraju iz tricukleotidnih "kodona" na lancu mRNA. Proces također uključuje rRNA (budući da se prevođenje odvija na rebsomima) i tRNA (koja pomaže u sastavljanju aminokiselina).

Lanci DNA okupljaju se u dvostruku zavojnicu zbog spleta srodnih čimbenika. Jedna od njih su vodikove veze koje se prirodno postavljaju na različite dijelove molekule. Kako se spirala formira, parovi vezivanja dušičnih baza okomiti su na os dvostruke zavojnice u cjelini. Svaki puni zavoj uključuje ukupno oko 10 vezanih parova baza-baza. Ono što bi se moglo nazvati "stranama" DNK kada su postavljene kao "ljestve", sada se nazivaju "lanci" dvostruke zavojnice. Oni se sastoje gotovo u potpunosti od dijelova nukleotida i riboze i fosfata, s bazama koje su unutra. Kaže se da zavojnica ima i glavne i sporedne žljebove koji određuju njezin krajnje stabilan oblik.

Iako se kromosomi mogu opisati kao vrlo dugi lanci DNA, to je veliko pojednostavljenje. Istina je da bi se dati kromosom u teoriji mogao odmotati da bi otkrio jednu neprekinutu molekulu DNA, ali to ne ukazuje na zamršeno namotavanje, namotavanje i nakupljanje koje DNA čini na putu do stvaranja a kromosom. Jedan kromosom sadrži milijune DNK parova baza, a kada bi se sva DNK razvukla bez prekida spirale, duljina bi se protezala od nekoliko milimetara do preko centimetra. U stvarnosti je DNA daleko zgusnutija. Proteini nazvani histoni nastaju iz četiri para proteina podjedinice (ukupno osam podjedinica). Ovaj oktamer služi kao vrsta kalema za dvostruku spiralu DNA koja se dvaput omota, poput konca. Ta se struktura, oktamer i DNA omotana oko nje, naziva nukleosomom. Kad se kromosom djelomično odmota u nit nazvanu kromatida, ti se nukleosomi na mikroskopiji pojavljuju kao zrnca na žici. No, iznad razine nukleosoma dolazi do daljnjeg sabijanja genetskog materijala, iako precizan mehanizam ostaje nedostižan.

U obzir se uzimaju DNA, RNA i proteini biopolimeri jer su to ponovljeni slijed informacija i aminokiselina koji su povezani sa živim bićima ("bio" znači "život"). Molekularni biolozi danas prepoznaju da DNA i RNA u nekom obliku prethode nastanku života Zemlje, ali od 2018. godine nitko nije shvatio put od ranih biopolimera do jednostavnog življenja stvari. Neki su teoretizirali da je RNA u nekom obliku izvorni izvor svih tih stvari, uključujući DNK. Ovo je "RNA svjetska hipoteza". Međutim, ovo predstavlja svojevrsni scenarij piletine i jaja za biologe, jer se dovoljno velike molekule RNA naoko nisu mogle pojaviti ni na koji drugi način transkripcija. U svakom slučaju, znanstvenici, sa sve većom željom, trenutno istražuju RNA kao metu za prvu samoreplicirajuću molekulu.

Kemikalije koje oponašaju sastojke nukleinskih kiselina danas se koriste kao lijekovi, s daljnjim razvojem na ovom području. Na primjer, blago modificirani oblik uracila, 5-fluorouracil (5-FU), desetljećima se koristi za liječenje karcinoma debelog crijeva. To čini imitirajući istinsku dušikovu bazu dovoljno usko da se ona ubaci u novoproizvedenu DNA. To u konačnici dovodi do sloma u sintezi proteina.

Oponašatelji nukleozida (koji su, sjećate se, šećer riboze i dušikova baza) korišteni su u antibakterijskim i antivirusnim terapijama. Ponekad je osnovni dio nukleozida podvrgnut modifikaciji, a ponekad lijek cilja na dio šećera.