Nukleīnskābju raksturojums

Dabā svarīgas nukleīnskābes ir dezoksiribonukleīnskābe jeb DNS un ribonukleīnskābe jeb RNS. Tos sauc par skābēm, jo ​​tie ir protonu (t.i., ūdeņraža atoma) donori, un tāpēc tiem ir negatīvs lādiņš.

Ķīmiski DNS un RNS ir polimēri, kas nozīmē, ka tie sastāv no atkārtotām vienībām, bieži vien ļoti daudzām no tām. Šīs vienības sauc nukleotīdi. Visi nukleotīdi savukārt satur trīs atšķirīgas ķīmiskās porcijas: pentozes cukuru, fosfātu grupu un slāpekļa bāzi.

DNS no RNS atšķiras trīs galvenajos veidos. Viens no tiem ir tas, ka cukurs, kas veido nukleīnskābes molekulas strukturālo "mugurkaulu", ir dezoksiriboze, turpretī RNS - riboze. Ja jūs vispār esat iepazinies ar ķīmisko vielu nomenklatūru, jūs atzīsit, ka tā ir neliela atšķirība kopējā strukturālajā shēmā; ribozei ir četras hidroksilgrupas (-OH), bet dezoksiribozei ir trīs.

Otra atšķirība ir tā, ka, lai gan viena no četrām DNS atrodamajām slāpekļa bāzēm ir timīns, RNS atbilstošā bāze ir uracils. Nukleīnskābju slāpekļa bāzes nosaka to galīgās īpašības molekulas, jo fosfātu un cukura daļas molekulās vai starp tām nav atšķirīgas tāda paša veida.

Visbeidzot, DNS ir divējāda, kas nozīmē, ka tā sastāv no divām garām nukleotīdu ķēdēm, kuras ķīmiski saista divas slāpekļa bāzes. DNS tiek savīts "dubultās spirāles" formā, piemēram, elastīgās kāpnes, kas savītas abos galos pretējos virzienos.

Dezoksiriboze sastāv no piecu atomu gredzena, četriem ogļiem un skābekļa, kas veidots kā piecstūris vai varbūt mājas plāksne beisbolā. Tā kā ogleklis veido četras saites, bet skābeklis - divus, uz četriem oglekļa atomiem paliek brīvas astoņas saistīšanās vietas, divas uz oglekļa, viena virs un viena zem gredzena. Trīs no šiem plankumiem aizņem hidroksilgrupas (-OH), bet piecās - ūdeņraža atomi.

Šī cukura molekula var saistīties ar vienu no četrām slāpekļa bāzēm: adenīnu, citozīnu, guanīnu un timīnu. Adenīns (A) un guanīns (G) ir purīni, savukārt citozīns (C) un timīns (T) ir pirimidīni. Purīni ir lielākas molekulas nekā pirimidīni; jo jebkuras pilnīgas DNS molekulas abus pavedienus pa vidu saista slāpekļa bāzes, šīs saites jāveido starp vienu purīnu un vienu pirimidīnu, lai aptuveni saglabātu abu bāzu kopējo izmēru visā molekulā nemainīgs. (Tas palīdz atsaukties uz jebkuru nukleīnskābju diagrammu lasīšanas laikā, piemēram, uz tām, kas atrodamas atsaucēs.) Kā tas notiek, A DNS saista tikai ar T, bet C tikai ar G.

Dezoksiribozi, kas saistīta ar slāpekļa bāzi, sauc par a nukleozīds. Kad deoksiribozei pie fosfāta grupas pie oglekļa atrodas divas vietas prom no vietas, kur piestiprināta bāze, veidojas pilnīgs nukleotīds. Attiecīgo elektroķīmisko lādiņu īpatnības uz dažādiem atomiem nukleotīdos ir atbildīgs par divkāršu DNS, kas dabiski veido spirālveida formu, un molekulā esošajiem diviem DNS pavedieniem tiek saukti papildu virzieni.

RNS esošais pentozes cukurs drīzāk ir riboze, nevis dezoksiriboze. Riboze ir identiska dezoksiribozei, izņemot to, ka gredzena struktūra ir saistīta ar četrām hidroksilgrupām (-OH) un četriem ūdeņraža atomiem attiecīgi trīs un piecu atomu vietā. Nukleotīda ribozes daļa ir saistīta ar fosfātu grupu un slāpekļa bāzi, tāpat kā ar DNS, ar mainīgiem fosfātiem un cukuri, kas veido RNS "mugurkaulu". Bāzes, kā minēts iepriekš, ietver A, C un G, bet otrais RIM pirimidīns drīzāk ir uracils (U) nekā T.

Tā kā DNS attiecas tikai uz informācijas glabāšanu (gēns ir vienkārši DNS virkne, kas kodē vienu olbaltumvielu), dažāda veida RNS uzņemas dažādas funkcijas. Messenger RNS jeb mRNS tiek izgatavota no DNS, kad parasti divšķautņaina DNS transkripcijas nolūkā sadalās divās atsevišķās virknēs. Iegūtā mRNS galu galā virzās uz šūnu daļām, kur notiek olbaltumvielu ražošana, nesot šī procesa instrukcijas, ko nodrošina DNS. Olbaltumvielu ražošanā piedalās otrais RNS veids, RNS (tRNS). Tas notiek uz šūnu organoīdiem, ko sauc par ribosomām, un pašas ribosomas galvenokārt sastāv no trešā veida RNS, ko pareizi sauc par ribosomu RNS (rRNS).

Piecas slāpekļa bāzes - adenīns (A), citozīns (C), guanīns (G) un timīns (T) DNS un pirmie trīs plus uracils (U) RNS - ir nukleīnskābju daļas, kas galu galā ir atbildīgas par gēnu produktu daudzveidību visā dzīvībā lietas. Cukura un fosfāta porcijas ir būtiskas, jo tās nodrošina struktūru un sastatnes, bet kodi tiek veidoti bāzēs. Ja jūs domājat par savu klēpjdatoru kā nukleīnskābi vai vismaz virkni nukelotīdu, aparatūra (piem., Diskdziņi, monitors ekrāns, mikroprocesors) ir analogs cukuriem un fosfātiem, turpretī jebkura programmatūra un lietotnes, kuras izmantojat, ir kā slāpekļa bāzes, jo unikālais programmu sortiments, ko esat ielādējis sistēmā, efektīvi padara jūsu datoru par unikālu "organisms".

Kā aprakstīts iepriekš, slāpekļa bāzes tiek klasificētas vai nu kā purīni (A un G), vai pirimidīni (C, T un U). A vienmēr pārī DNS virknē ar T, un C vienmēr pārī ar G. Svarīgi ir tas, ka, ja DNS virkne tiek izmantota kā RNS sintēzes (transkripcijas) šablons katrā gar augošās RNS molekulas punktu, RNS nukleotīds, kas izveidots no "vecāku" DNS nukleotīda, ietver bāzi, kuru "vecāku" bāze vienmēr saista uz. Tas ir izpētīts nākamajā sadaļā.

Purīni sastāv no sešu locekļu slāpekļa un oglekļa gredzena un piecu locekļu slāpekļa un oglekļa gredzena, piemēram, sešstūra un piecstūra, kuriem ir kopīga puse. Purīna sintēze ietver ribozes cukura ķīmisko pielāgošanu, kam seko amino (-NH₂) grupas. Pirimidīniem ir arī sešu locekļu slāpekļa un oglekļa gredzens, tāpat kā purīniem, taču tiem nav piecu locekļu purīnu slāpekļa un oglekļa gredzena. Tāpēc purīniem ir lielāka molekulmasa nekā pirimidīniem.

Pirimidīnus saturošu nukleotīdu un purīnus saturošu nukleotīdu sintēze notiek pretējā secībā vienā izšķirošā posmā. Pirimidīnos vispirms tiek samontēta bāzes daļa, un atlikusī molekula vēlāk tiek pārveidota par nukleotīdu. Purīnos daļa, kas galu galā kļūst par adenīnu vai guanīnu, tiek modificēta nukleotīdu veidošanās beigās.

Transkripcija ir mRNS virknes izveidošana no DNS šablona, ​​kurā ir tās pašas instrukcijas (t.i., ģenētiskais kods) konkrēta proteīna iegūšanai, kā to dara matrica. Process notiek šūnas kodolā, kur atrodas DNS. Kad divvirzienu DNS molekula atdalās atsevišķās virknēs un notiek transkripcija, mRNS, kas rodas no vienas "nesavienotas" DNS pāra virkne ir identiska citas sasaistītās DNS virknes DNS, izņemot to, ka mRNS satur U, nevis T. (Atkal atsauce uz diagrammu ir noderīga; skat. Atsauces.) Pēc pabeigšanas mRNS iziet caur kodolu caur porām kodola membrānā. Pēc tam, kad mRNS atstāj kodolu, tā piestiprinās pie ribosomas.

Pēc tam fermenti pievienojas ribosomu kompleksam un palīdz tulkošanas procesā. Tulkošana ir mRNS instrukcijas pārveidošana olbaltumvielās. Tas notiek, kad amrīnskābes, olbaltumvielu apakšvienības, rodas no trīs nukleotīdu "kodoniem" uz mRNS virknes. Process ietver arī rRNS (jo tulkošana notiek ribsomās) un tRNS (kas palīdz savākt aminoskābes).

Saistīto faktoru saplūšanas dēļ DNS pavedieni tiek savākti dubultā spirālē. Viens no tiem ir ūdeņraža saites, kas dabiski nonāk dažādās molekulas daļās. Veidojoties spirālei, slāpekļa bāzu savienojošie pāri ir perpendikulāri dubultās spirāles asij kopumā. Katrā pilnā pagriezienā kopā ir apmēram 10 bāzes-bāzes savienoti pāri. To, ko varētu saukt par DNS “sāniem”, izkārtojot kā “kāpnes”, tagad sauc par dubultās spirāles “ķēdēm”. Tās gandrīz pilnībā sastāv no nukleotīdu ribozes un fosfāta daļām, kuru bāzes atrodas iekšpusē. Tiek teikts, ka spirālei ir gan galvenās, gan mazākās rievas, kas nosaka tā galu galā stabilu formu.

Lai gan hromosomas var raksturot kā ļoti garus DNS pavedienus, tas ir rupjš vienkāršojums. Ir taisnība, ka konkrētu hromosomu teorētiski varētu atritināt, lai atklātu vienu nesalauztu DNS molekulu, taču tas nenorāda uz sarežģīto tinumu, spolēšanu un kopu veidošanu, ko DNS veic ceļā uz a veidošanos hromosomu. Vienā hromosomā ir miljoniem DNS bāzes pāru, un, ja visa DNS tiktu izstiepta, nesalaužot spirāli, tās garums būtu no dažiem milimetriem līdz vairāk nekā centimetram. Patiesībā DNS ir daudz vairāk kondensēts. Olbaltumvielas, ko sauc par histoniem, veidojas no četriem apakšvienību olbaltumvielu pāriem (kopā astoņas apakšvienības). Šis oktamers kalpo kā sava veida spole, lai DNS dubultā spirāle divreiz aptītos kā diegs. Šo struktūru, oktameru un ap to aptīto DNS, sauc par nukleosomu. Kad hromosoma ir daļēji atritināta virknē, ko sauc par hromatīdu, šīs nukleosomas mikroskopijā parādās kā krelles uz auklas. Bet virs nukleosomu līmeņa notiek turpmāka ģenētiskā materiāla saspiešana, lai gan precīzais mehānisms joprojām ir nenotverams.

Tiek apsvērta DNS, RNS un olbaltumvielas biopolimēri jo tās ir atkārtotas informācijas un aminoskābju secības, kas saistītas ar dzīvajām būtnēm ("bio" nozīmē "dzīve"). Molekulārie biologi šodien atzīst, ka DNS un RNS kaut kādā formā ir pirms dzīves parādīšanās Zeme, taču no 2018. gada neviens nebija izdomājis ceļu no agrīnajiem biopolimēriem uz vienkāršu dzīvi lietas. Daži ir izvirzījuši teoriju, ka RNS kaut kādā veidā bija visu šo lietu, ieskaitot DNS, sākotnējais avots. Šī ir "RNS pasaules hipotēze". Tomēr tas piedāvā sava veida vistas un olu scenāriju biologiem, jo pietiekami lielas RNS molekulas šķietami nevarēja parādīties ar citiem līdzekļiem, izņemot transkripcija. Jebkurā gadījumā zinātnieki ar pieaugošu vēlmi patlaban pēta RNS kā mērķi pirmajai sevi replikējošajai molekulai.

Ķimikālijas, kas atdarina nukleīnskābju sastāvdaļas, mūsdienās tiek izmantotas kā narkotikas, šajā jomā notiek turpmāka attīstība. Piemēram, resnās zarnas karcinomas ārstēšanai gadu desmitiem ilgi tika izmantota nedaudz modificēta uracila forma 5-fluoruracils (5-FU). Tas tiek darīts, pietiekami cieši atdarinot patieso slāpekļa bāzi, lai tā nonāktu jaunizgatavotajā DNS. Tas galu galā noved pie olbaltumvielu sintēzes sadalīšanās.

Nukleozīdu imitatori (kas, iespējams, atceraties, ir ribozes cukurs plus slāpekļa bāze) ir izmantoti antibakteriālās un pretvīrusu terapijās. Dažreiz tā ir nukleozīda bāzes daļa, kas tiek modificēta, un citreiz zāles mērķē uz cukura daļu.