A nukleinsavak jellemzői

Fontos nukleinsavak a természetben a dezoxiribonukleinsav vagy DNS, és a ribonukleinsav vagy az RNS. Savaknak nevezik őket, mert proton (azaz hidrogénatom) donorok, ezért negatív töltést hordoznak.

Kémiailag a DNS és az RNS polimerek, vagyis ismétlődő egységekből állnak, gyakran nagyon nagy számban. Ezeket az egységeket hívjuk nukleotidok. Az összes nukleotid viszont három különálló kémiai részt tartalmaz: egy pentózcukrot, egy foszfátcsoportot és egy nitrogén bázist.

A DNS három primer módon különbözik az RNS-től. Az egyik az, hogy a nukleinsavmolekula szerkezeti "gerincét" alkotó cukor dezoxiribóz, míg az RNS-ben ribóz. Ha egyáltalán ismeri a kémiai nómenklatúrát, felismeri, hogy ez egy kis különbség a teljes szerkezeti rendszerben; a ribóznak négy hidroxil (-OH) csoportja van, míg a dezoxiribóznak három.

A második különbség az, hogy míg a DNS-ben található négy nitrogén bázis egyike a timin, addig az RNS megfelelő bázisa uracil. A nukleinsavak nitrogénbázisai határozzák meg ezek végső jellemzőit molekulák, mivel a foszfát és a cukor részei nem változnak a molekulákon belül vagy között azonos típusú.

Végül a DNS kettős szálú, ami azt jelenti, hogy két hosszú nukleotidláncból áll, amelyeket két nitrogénbázis kémiailag köt meg. A DNS-t "kettős spirál" alakúra tekerjük, mint egy rugalmas létra, amely mindkét végén ellentétes irányba van csavarva.

A dezoxiribóz öt atomból álló gyűrűből, négy szénatomból és egy oxigénből áll, amelyek olyan formájúak, mint egy ötszög vagy esetleg a baseball otthoni lapja. Mivel a szén négy kötést, az oxigén kettőt alkot, ezáltal a négy szénatomon nyolc kötési hely marad szabadon, kettő szénenként, egy a gyűrű felett és egy a gyűrű alatt. E foltok közül hármat hidroxil (-OH) csoportok foglalnak el, ötöt hidrogénatomok.

Ez a cukormolekula a négy nitrogénbázis egyikéhez kötődhet: adenin, citozin, guanin és timin. Az adenin (A) és a guanin (G) purin, míg a citozin (C) és a timin (T) pirimidin. A purinok nagyobb molekulák, mint a pirimidinek; mert bármely komplett DNS-molekula két szálát középen megköti nitrogénbázisuk, ezek a kötések egy purin és egy pirimidin között kell kialakulnia, hogy a két bázis teljes mérete nagyjából megmaradjon a molekulán állandó. (Olvasás során segít a nukleinsavak bármely diagramjára hivatkozni, például a Referenciákban.) Ahogy előfordul, A kizárólag a T-hez kötődik a DNS-ben, míg C kizárólag G-hez.

A nitrogénbázishoz kötött dezoxiribózt a-nak nevezzük nukleozid. Ha egy foszfátcsoportot adunk a dezoxiribózhoz a szénnél két folttól a bázis kapcsolódási helyétől, teljes nukleotid képződik. A nukleotidokban található különféle atomok elektrokémiai töltésének sajátosságai felelős a kettős szálú DNS-ből, amely természetesen spirális alakú, és a molekulában található két DNS-szálért hívják kiegészítő szálak.

Az RNS-ben lévő pentózcukor inkább ribóz, mint dezoxiribóz. A ribóz azonos a dezoxiribózzal, azzal az eltéréssel, hogy a gyűrű szerkezete négy hidroxil (-OH) csoporthoz és négy hidrogénatomhoz kötődik három és öt helyett. A nukleotid ribózrésze foszfátcsoporthoz és nitrogénbázishoz kötődik, akárcsak a DNS, váltakozó foszfátokkal és az RNS "gerincét" alkotó cukrok. A bázisok, amint azt fentebb megjegyeztük, A, C és G, de az RNS második pirimidinje inkább uracil (U), mint T.

Míg a DNS csak az információ tárolásával foglalkozik (a gén egyszerűen egy DNS-szál, amely egyetlen fehérjét kódol), a különböző típusú RNS-ek különböző funkciókat töltenek be. A Messenger RNS vagy mRNS DNS-ből készül, amikor a szokásos kettős szálú DNS két egyszeres szálra oszlik átírás céljából. A kapott mRNS végső soron a sejtek azon részei felé tart, ahol fehérjagyártás történik, hordozva a DNS által adott utasításokat ehhez a folyamathoz. Az RNS második típusa, a transzfer RNS (tRNS) részt vesz a fehérjék előállításában. Ez az riboszómának nevezett sejtorganellákon fordul elő, és maguk a riboszómák is főleg egy harmadik típusú RNS-ből állnak, amelyet találóan riboszomális RNS-nek (rRNS) neveznek.

Az öt nitrogénbázis - adenin (A), citozin (C), guanin (G) és timin (T) a DNS-ben, és az első három plusz uracil (U) az RNS-ben - a nukleinsavak azon részei, amelyek végső soron felelősek a géntermékek sokféleségéért az élet során dolgokat. A cukor és a foszfát részek elengedhetetlenek, mivel struktúrát és állványzatot biztosítanak, de a kódok keletkezésének alapja. Ha laptopját nukleinsavnak vagy legalább egy sor nukelotidnak gondolja, akkor a hardver (pl. Lemezmeghajtók, monitor) képernyő, mikroprocesszor) analóg a cukrokkal és foszfátokkal, míg bármilyen szoftver vagy alkalmazás fut, olyanok, mint a nitrogén alapjait, mert a rendszerre betöltött egyedi programválaszték hatékonyan teszi a számítógépet egyedülállóvá "szervezet."

Amint azt korábban leírtuk, a nitrogénbázisokat purineknek (A és G) vagy pirimidineknek (C, T és U) sorolják. Az A mindig egy DNS-szálban párosul T-vel, és C mindig párosul G-vel. Fontos, hogy ha egy DNS-szálat használunk templátként az RNS-szintézishez (transzkripcióhoz), a növekvő RNS-molekula mentén minden ponton, a "szülő" DNS nukleotidból létrehozott RNS nukleotid magában foglalja azt a bázist, amelyet a "szülő" bázis mindig köt. nak nek. Ezt egy további szakaszban tárjuk fel.

A purinok hattagú nitrogén- és széngyűrűből és öt tagú nitrogén- és széngyűrűből állnak, mint egy hatszög és egy ötszög, amelyeknek az oldala közös. A purinszintézis magában foglalja a ribózcukor kémiai módosítását, majd amino (-NH₂) csoportok. A pirimidineknek szintén van hattagú nitrogén- és széngyűrűje, mint a purinoknak, de hiányzik a purinek öttagú nitrogén- és széngyűrűje. A purinok molekulatömege tehát nagyobb, mint a pirimidineké.

A pirimidint tartalmazó nukleotidok szintézise és a purinokat tartalmazó nukleotidok szintézise ellentétes sorrendben történik egy döntő lépésben. A pirimidinekben először a bázisrész kerül összeállításra, és a molekula többi része később nukleotiddá módosul. A purinokban az a rész, amely végül adeninné vagy guaninná válik, a nukleotidképződés vége felé módosul.

A transzkripció egy mRNS-szál létrehozása egy DNS templátból, ugyanazokat az utasításokat (azaz genetikai kódot) hordozva egy adott fehérje előállításához, mint a templát. A folyamat a sejtmagban történik, ahol a DNS található. Amikor egy kettős szálú DNS-molekula szétválik egyetlen szálra, és a transzkripció folytatódik, az egyikből keletkező mRNS A "kicsomagolt" DNS-pár szála megegyezik a kicsomagolt DNS másik szálának DNS-ével, azzal a különbséggel, hogy az mRNS U helyett T. (Ismét hasznos egy diagramra hivatkozni; lásd az Irodalomjegyzéket.) Az mRNS, miután elkészült, a sejtmag pórusain keresztül távozik a magból. Miután az mRNS elhagyta a magot, egy riboszómához kapcsolódik.

Az enzimek ezután a riboszomális komplexhez kapcsolódnak, és segítenek a fordítás folyamatában. A transzláció az mRNS utasításának átalakítása fehérjékké. Ez akkor fordul elő, amikor az aminosavak, a fehérjék alegységei keletkeznek az mRNS-szál három nukleotid "kodonjából". A folyamat magában foglalja az rRNS-t is (mivel a transzláció ribsomákon megy végbe) és a tRNS-t (amely segíti az aminosavak összeállítását).

A DNS-szálak a kapcsolódó tényezők összefolyása következtében kettős spirálokká alakulnak össze. Ezek egyike a hidrogénkötések, amelyek természetesen a helyükre kerülnek a molekula különböző részein. A spirál kialakulásakor a nitrogénbázisok kötőpárjai merőlegesek a kettős spirál egészére. Minden teljes körben összesen körülbelül 10 bázis-bázis kötött pár található. Amit "létrának" helyezve a DNS "oldalainak" nevezhetünk, azokat ma a kettős spirál "láncainak" nevezik. Ezek szinte teljes egészében a nukleotidok ribóz- és foszfát-részeiből állnak, a bázisok belül vannak. A spirálnak állítólag vannak nagyobb és kisebb hornyai, amelyek meghatározzák végső formáját.

Míg a kromoszómákat a DNS nagyon hosszú szálaként lehet leírni, ez nagy egyszerűség. Igaz, hogy egy adott kromoszóma elméletileg letekerhető egyetlen töretlen DNS-molekula feltárására, de ez nem jelzi azt a bonyolult tekercselést, tekercselést és csoportosulást, amelyet a DNS az a kialakulásához vezet kromoszóma. Az egyik kromoszómában több millió DNS-bázispár található, és ha az összes DNS-t kinyújtanák a spirál megszakadása nélkül, annak hossza néhány milliméterről centiméterre terjedne. A valóságban a DNS sokkal sűrűbb. A hisztonnak nevezett fehérjék négy alegységfehérjepárból (összesen nyolc alegységből) állnak. Ez az oktámer egyfajta orsóként szolgál ahhoz, hogy a DNS kettős spirál kétszer körbetekerje magát, akár egy menet. Ezt a szerkezetet, az oktamert és a köré fonódó DNS-t nukleoszómának nevezzük. Amikor a kromoszóma részben letekerik a kromatid nevű szálat, ezek a nukleoszómák mikroszkóppal úgy tűnnek, hogy gyöngyök egy húron. De a nukleoszómák szintje felett a genetikai anyag további összenyomódása következik be, bár a pontos mechanizmus továbbra is megfoghatatlan.

A DNS-t, az RNS-t és a fehérjéket figyelembe vesszük biopolimerek mert ezek az információk és aminosavak ismételt szekvenciái, amelyek az élőlényekhez kapcsolódnak (a "bio" jelentése "élet"). A molekuláris biológusok ma felismerik, hogy a DNS és az RNS valamilyen formában megelőzi az élet megjelenését A Föld, de 2018-tól még senki sem találta ki a korai biopolimerek és az egyszerű élet útját dolgokat. Néhányan azt állították, hogy az RNS valamilyen formában mindezek eredete volt, beleértve a DNS-t is. Ez az "RNS-világ hipotézise". Ez azonban egyfajta csirke-tojás forgatókönyvet mutat be a biológusok számára, mert a kellően nagy RNS-molekulák látszólag nem keletkezhettek más módon, mint átírás. Mindenesetre a tudósok fokozott lelkesedéssel vizsgálják az RNS-t, mint az első önreplikáló molekula célpontját.

A nukleinsavak alkotóelemeit utánzó vegyszereket ma gyógyszerként használják, ezen a területen további fejlesztések folynak. Például az uracil kissé módosított formáját, az 5-fluorouracilt (5-FU) évtizedek óta használják a vastagbél karcinóma kezelésére. Ezt úgy teszi meg, hogy a valódi nitrogénes bázist elég szorosan utánozza, és így beépül az újonnan előállított DNS-be. Ez végül a fehérjeszintézis lebontásához vezet.

A nukleozidok utánzóit (amelyek emlékezhetnek arra, hogy ribózcukor plusz nitrogén bázis) antibakteriális és vírusellenes terápiákban alkalmazták. Előfordul, hogy a nukleozid alaprésze módosul, és máskor a gyógyszer megcélozza a cukorrészt.