Nukleinsavak: szerkezet, funkció, típusok és példák

Nukleinsavak a négy fő kategória egyikét képviselik biomolekulák, amelyek a sejteket alkotó anyagok. A többi fehérje, szénhidrát és lipid (vagy zsír).

Nukleinsavak, amelyek közé tartoznak DNS (dezoxiribonukleinsav) és RNS (ribonukleinsav), abban különböznek a másik három biomolekulától, hogy nem metabolizálódhatnak, hogy energiát szolgáltassanak az anyaszervezetnek.

(Ezért nem látja a "nukleinsavat" a táplálkozási információk címkéin.)

A DNS és az RNS feladata a genetikai információk tárolása. Saját DNS-ének teljes másolata megtalálható testének szinte minden sejtjének magjában, így a DNS ezen aggregációja - ún. kromoszómák ebben az összefüggésben - inkább, mint egy laptop számítógép merevlemezén.

Ebben a sémában egy ilyen típusú RNS-t hívunk messenger RNS csak egy fehérjetermék kódolt utasításait tartalmazza (vagyis egyetlen gént tartalmaz), és ezért inkább hasonlít egy "fontos meghajtóra", amely egyetlen fontos fájlt tartalmaz.

A DNS és az RNS nagyon szoros kapcsolatban állnak egymással. A hidrogénatom (–H) egyetlen helyettesítése a DNS-ben egy hidroxilcsoporttal (–OH), amely a az RNS-ben lévő megfelelő szénatom a kettő teljes kémiai és szerkezeti különbségét adja nukleinsavak.

Amint látni fogjátok, amint azonban a kémia területén oly gyakran előfordul, az atomi szintű apró különbségnek nyilvánvaló és mély gyakorlati következményei vannak.

A nukleinsavak nukleotidokból állnak, amelyek olyan anyagok, amelyek maguk három különálló kémiai csoportból állnak: a pentózcukor, egy-három foszfátcsoportok és a nitrogénes bázis.

Az RNS-ben található pentózcukor ribóz, míg a DNS-ben dezoxiribóz. A nukleinsavakban a nukleotidoknak csak egy foszfátcsoportja van. Az egyik példa egy jól ismert nukleotidra, amely több foszfátcsoporttal büszkélkedhet ATPvagy adenozin-trifoszfát. ADP (adenozin-difoszfát) ugyanabban a folyamatban vesz részt, mint az ATP.

A DNS egyetlen molekulája lehet rendkívül hosszú és egy teljes kromoszóma hosszáig terjedhet. Az RNS-molekulák mérete sokkal korlátozottabb, mint a DNS-molekuláké, de mégis makromolekuláknak minősülnek.

Ribóz (az RNS cukora) öt atomgyűrűvel rendelkezik, amely a cukorban lévő öt szénatom közül négyet tartalmaz. A többi közül hármat hidroxil- (–OH) csoportok foglalnak el, egyet hidrogénatom és egyet hidroxi-metil- (–CH2OH) csoport.

Az egyetlen különbség a dezoxiribóz (a DNS cukora) az, hogy a három hidroxilcsoport (a 2 szénatomot tartalmazó csoport) egyike eltűnik és helyébe hidrogénatom lép.

Továbbá, bár mind a DNS, mind az RNS tartalmaz nukleotidokat a négy lehetséges nitrogénbázis egyikével, ezek kissé eltérnek a két nukleinsav között. A DNS adenint (A), citozint (C), guanint (G) és timint tartalmaz. míg az RNS-nek A, C és G van, de uracil (U) a timin helyett.

A DNS és az RNS közötti funkcionális különbségek többsége a sejtekben kifejezetten eltérő szerepükhöz kapcsolódik. A DNS tárolja az élet genetikai kódját - nemcsak a szaporodást, hanem a mindennapi élet tevékenységeit is.

Az RNS vagy legalábbis az mRNS feladata ugyanazon információk összegyűjtése és a riboszómákba juttatása azon a magon kívül, ahol olyan fehérjék épülnek, amelyek lehetővé teszik a fent említett anyagcserét tevékenységek.

A nukleinsav bázisszekvenciája a specifikus üzeneteit hordozza, és a nitrogénatom a bázisok tehát elmondhatók, hogy végső soron felelősek az azonos fajba tartozó állatok különbségeiért - az az, ugyanazon vonás különböző megnyilvánulásai (pl. szemszín, testszőr minta).

A nukleinsavak bázisai közül kettő (A és G) purin, míg kettő (C és T a DNS-ben; C és U az RNS-ben) pirimidinek. A purinmolekulák két kondenzált gyűrűt tartalmaznak, míg a pirimidineknek csak egy van, és általában kisebbek. Amint hamarosan megtudja, a DNS-molekula az kettős szálú a nukleotidok a szomszédos szálakban.

A purinbázis csak egy pirimidinbázissal tud kötődni, mert két purin túl sok helyet foglalna el a szálak és a két pirimidin között túl kevés a purin-pirimidin kombináció méret.

De a dolgokat ennél szigorúbban ellenőrzik: A nukleinsavakban Acsak ahhoz kötT (vagyU az RNS-ben), míg C csak G-hez kötődik.

A DNS-molekula teljes leírása a kettős szálú spirál James Watson és Francis Crick 1953-ban végül Nobel-díjat nyert a duónak, bár a röntgendiffrakciós munkája Rosalind Franklin az eléréshez vezető években meghatározó szerepet játszott a páros sikerében, és gyakran alábecsülik történelemkönyvek.

A természetben, A DNS spirálként létezik mert ez az energetikailag legkedvezőbb forma az általa tartalmazott adott molekulakészlet számára.

A DNS-molekula oldalláncai, bázisai és egyéb részei az elektrokémiai vonzerők és az elektrokémiai anyagok megfelelő keverékét tapasztalják taszításokat, hogy a molekula a legkényelmesebb legyen két spirál alakjában, kissé eltolva egymástól, mint az összefonódott spirál lépcsőházak.

A DNS-szálak váltakozó foszfátcsoportokból és cukormaradványokból állnak, és a nitrogénbázisok a cukor részének egy másik részéhez kapcsolódnak. Egy DNS- vagy RNS-szál megnyúlik az egyik nukleotid foszfátcsoportja és a másik cukorcsoportja között kialakult hidrogénkötéseknek köszönhetően.

Pontosabban, a bejövő nukleotid 5-ös szénatomján (gyakran 5'-számon írva) található foszfát kapcsolódik a növekvő polinukleotid (kis nukleinsav) 3-os szénatomján (vagy 3'-ján) lévő hidroxilcsoport helyett sav). Ez a foszfodiészter kötés.

Eközben az összes A-bázissal rendelkező nukleotid fel van sorolva a DNS-ben lévő T-bázissal rendelkező nukleotidokkal és az RNS-ben az U-bázisú nukleotidokkal; C párosul egyedülállóan G-vel.

A DNS-molekula két szálát állítólag kiegészítő egymáshoz, mert az egyik bázissorrendje meghatározható a másik bázissorrendjével, az egyszerű bázispárosítási sémának köszönhetően a nukleinsavmolekulák megfigyelik.

Az RNS, amint megjegyeztük, kémiai szinten rendkívül hasonló a DNS-hez, a négy közül csak egy nitrogéntartalmú bázis különbözik, és az RNS cukorában egyetlen "extra" oxigénatom található. Nyilvánvalóan ezek a triviálisnak tűnő különbségek elegendőek a biomolekulák közötti lényegesen eltérő viselkedés biztosításához.

Nevezetesen az RNS az egyszálú. Vagyis nem fogja látni a "komplementer szál" kifejezést, amelyet ezzel a nukleinsavval összefüggésben használnak. Ugyanazon RNS-szál különböző részei kölcsönhatásba léphetnek egymással, ami azt jelenti, hogy az RNS alakja valójában jobban változik, mint a DNS alakja (változatlanul kettős spirál). Ennek megfelelően számos különböző típusú RNS létezik.

• mRNSvagy messenger RNS komplementer bázispárosítást használ az üzenet hordozásához. A DNS a riboszómákba történő transzkripció során adja azt, ahol ez az üzenet fehérjeszintézissé alakul. Az átírást az alábbiakban részletesen ismertetjük.
• rRNSvagy riboszomális RNS alkotja a riboszómák tömegének jelentős részét, a fehérjék szintéziséért felelős sejtek struktúráit. A riboszómák tömegének fennmaradó része fehérjékből áll.
• tRNSvagy transzfer RNS kritikus szerepet játszik a transzlációban azáltal, hogy a növekvő polipeptidláncnak szánt aminosavakat a fehérjék összeállítási helyére tolja. A természetben 20 aminosav található, mindegyiknek megvan a maga tRNS-je.
  

Képzelje el, hogy az AAATCGGCATTA bázisszekvenciájú nukleinsavszálat mutatják be nekünk. Önmagában ezen információk alapján két dolgot kell gyorsan levonni.

Az egyik, hogy ez DNS, nem RNS, amint azt a timin (T) jelenléte mutatja. A második dolog, amiről elmondhatja, hogy ennek a DNS-molekulának a komplementer szálának a TTTAGCCGTAAT bázisszekvenciája van.

Biztos lehet abban az mRNS-szálban is, amely az RNS-transzkripción áteső DNS ezen szálából származna. Ugyanez lenne bázisok sorrendje mint a komplementer DNS-szál, a timint (T) bármely esetben az uracil (U) helyettesíti.

Ennek oka, hogy a DNS-replikáció és az RNS-transzkripció hasonlóan működik, mint a templátszálból készített szál nem annak a szálnak a duplikátuma, de annak komplementje vagy ennek megfelelője az RNS-ben.

Annak érdekében, hogy egy DNS-molekula másolatot készítsen magáról, a kettős spirál két szálának el kell különülnie a másolás közelében. Ez azért van, mert minden szálat külön másolnak (replikálnak), és mert az enzimek és más molekulák, amelyek részt vesznek benne DNS replikáció szükség van helyre az interakcióhoz, amelyet a kettős spirál nem nyújt. Így a két szál fizikailag elválik egymástól, és azt mondják, hogy a DNS denaturált.

A DNS minden szétválasztott szála új szálat komplementerít és önmagához kötődik. Tehát bizonyos értelemben semmi sem különbözik minden új kettős szálú molekulában a szülőtől. Kémiailag megvan azonos molekuláris összetételű. De minden kettős spirál egyik szála vadonatúj, míg a másik magából a replikációból marad.

Amikor a DNS-replikáció egyidejűleg történik az elválasztott komplementer szálak mentén, az új szálak szintézise valójában ellentétes irányban történik. Az egyik oldalon az új szál egyszerűen abba az irányba növekszik, amelyben a DNS denaturálva "kicsomagolódik".

A másik oldalon azonban új DNS kis töredékei szintetizálódnak el a szálak elválasztásának irányából. Ezeket Okazaki-fragmenseknek nevezzük, és bizonyos hosszúság elérése után enzimek kötik össze őket. Ez a két új DNS-szál nem párhuzamos egymáshoz.

RNS transzkripció hasonló a DNS-replikációhoz, mivel a DNS-szálak szétválasztása szükséges annak elindításához. Az mRNS-t a DNS-templát mentén állítjuk elő RNS-nukleotidok RNS-polimeráz enzim általi szekvenciális hozzáadásával.

A DNS-ből létrehozott RNS ezen eredeti átirata létrehozza azt, amit hívunk pre-mRNS. Ez az pre-mRNS szál mindkettőt tartalmazza intronok és exonok. Az intronok és az exonok a DNS / RNS szakaszai, amelyek vagy kódolják, vagy nem kódolják a géntermék egyes részeit.

Intronok nem kódoló szakaszok (más néven "intszakaszok feltárása ") közben exonok kódoló szakaszok (más néven "voltpréselt szakaszok ").

Mielőtt az mRNS ezen szála elhagyná a magot, hogy fehérjévé alakuljon, a magban levő enzimek kivágják az intronokat, vagyis kivágják az intronokat, mivel nem kódolnak semmit az adott génben. Ezután az enzimek összekapcsolják a fennmaradó intronszekvenciákat, hogy megkapják a végső mRNS-szálat.

Az egyik mRNS-szál általában pontosan azt a bázissorrendet tartalmazza, amely szükséges egy egyedi fehérje összegyűjtéséhez az áramlási irányban fordítás folyamat, ami azt jelenti, hogy egy mRNS molekula tipikusan hordozza az információt egy számára gén. A gén egy DNS-szekvencia, amely egy adott fehérjeterméket kódol.

Miután a transzkripció befejeződött, az mRNS-szál a mag burkolatának pórusain keresztül exportálódik a magból. (Az RNS-molekulák túl nagyok ahhoz, hogy egyszerűen diffundáljanak a magmembránon, akárcsak a víz és más kismolekulák). Ezután "dokkol" riboszómák - a citoplazmában vagy bizonyos organellákon belül, és - protein szintézis kezdeményezik.

A nukleinsavak nem metabolizálhatók üzemanyagként, de nagyon kicsi molekulákból létrehozhatók, vagy teljes formájukból nagyon apró részekre bonthatók. A nukleotidok anabolikus reakciók útján szintetizálódnak, gyakran nukleozidokból, amelyek nukleotidok, levonva az esetleges foszfátcsoportokat (vagyis a nukleozidok ribózcukor plusz nitrogén bázisok).

A DNS és az RNS is lebontható: nukleotidokból nukleozidokká, majd nitrogénbázisokká és végül húgysavvá.

A nukleinsavak lebontása fontos a Általános egészségi állapot. Például a purinok lebontásának képtelensége köszvényhez kapcsolódik, amely fájdalmas betegség az ízületek egy részét érinti, az ezekben a helyeken található urátkristály-lerakódásoknak köszönhetően.