Nucleïnezuren: structuur, functie, typen en voorbeelden

Nucleïnezuren vertegenwoordigen een van de vier hoofdcategorieën van biomoleculen, dat zijn de stoffen waaruit cellen bestaan. De andere zijn eiwitten, koolhydraten en lipiden (of vetten).

Nucleïnezuren, waaronder: DNA (deoxyribonucleïnezuur) en RNA (ribonucleïnezuur), verschillen van de andere drie biomoleculen doordat ze niet kunnen worden gemetaboliseerd om energie te leveren aan het ouderorganisme.

(Daarom ziet u "nucleïnezuur" niet op etiketten met voedingsinformatie.)

De functie van DNA en RNA is het opslaan van genetische informatie. Een volledige kopie van je eigen DNA kan worden gevonden in de kern van bijna elke cel in je lichaam, waardoor deze aggregatie van DNA – genaamd chromosomen in deze context – een beetje zoals de harde schijf van een laptopcomputer.

In dit schema is een lengte van RNA van het soort genaamd boodschapper RNA bevat de gecodeerde instructies voor slechts één eiwitproduct (d.w.z. het bevat een enkel gen) en lijkt daarom meer op een "duimschijf" met een enkel belangrijk bestand.

DNA en RNA zijn zeer nauw verwant. De enkele substitutie van een waterstofatoom (–H) in DNA voor een hydroxylgroep (–OH) gehecht aan de corresponderend koolstofatoom in RNA is verantwoordelijk voor het volledige chemische en structurele verschil tussen de twee nucleïnezuren.

Zoals je echter zult zien, zoals zo vaak gebeurt in de scheikunde, heeft wat een klein verschil op atomair niveau lijkt, duidelijke en diepgaande praktische gevolgen.

Nucleïnezuren zijn opgebouwd uit nucleotiden, dit zijn stoffen die zelf uit drie verschillende chemische groepen bestaan: a pentose suiker, één tot drie fosfaatgroepen en een Stikstofbasis.

De pentosesuiker in RNA is ribose, terwijl die in DNA deoxyribose is. Ook hebben nucleotiden in nucleïnezuren slechts één fosfaatgroep. Een voorbeeld van een bekend nucleotide met meerdere fosfaatgroepen is: ATPof adenosinetrifosfaat tri. ADP (adenosinedifosfaat) neemt deel aan veel van dezelfde processen die ATP doet.

Enkele moleculen van DNA kunnen buitengewoon lang en kan zich uitstrekken over de lengte van een heel chromosoom. RNA-moleculen zijn veel beperkter in grootte dan DNA-moleculen, maar kwalificeren nog steeds als macromoleculen.

Ribose (de suiker van RNA) heeft een ring met vijf atomen die vier van de vijf koolstofatomen in de suiker bevat. Drie van de andere worden ingenomen door hydroxyl (-OH) groepen, één door een waterstofatoom en één door een hydroxymethyl (-CH2OH) groep.

Het enige verschil in deoxyribose (de suiker van DNA) is dat een van de drie hydroxylgroepen (die op de 2-koolstofpositie) is verdwenen en is vervangen door een waterstofatoom.

Hoewel zowel DNA als RNA nucleotiden hebben met een van de vier mogelijke stikstofbasen, variëren deze ook enigszins tussen de twee nucleïnezuren. DNA bevat adenine (A), cytosine (C), guanine (G) en thymine. terwijl RNA A, C en G but. heeft uracil (U) in plaats van thymine.

De meeste functionele verschillen tussen DNA en RNA hebben betrekking op hun duidelijk verschillende rollen in cellen. DNA is waar de genetische code voor het leven - niet alleen reproductie, maar ook dagelijkse activiteiten - wordt opgeslagen.

RNA, of op zijn minst mRNA, is verantwoordelijk voor het verzamelen van dezelfde informatie en het naar de ribosomen brengen buiten de kern waar eiwitten worden gebouwd die de uitvoering van de bovengenoemde metabole mogelijk maken activiteiten.

De basenvolgorde van een nucleïnezuur is waar de specifieke boodschappen worden overgebracht, en de stikstofhoudende basen kan dus worden gezegd dat ze uiteindelijk verantwoordelijk zijn voor verschillen in dieren van dezelfde soort - dat is, verschillende manifestaties van dezelfde eigenschap (bijv. oogkleur, lichaamshaarpatroon).

Twee van de basen in nucleïnezuren (A en G) zijn purines, terwijl twee (C en T in DNA; C en U in RNA) zijn pyrimidinen. Purinemoleculen bevatten twee gefuseerde ringen, terwijl pyrimidines er maar één hebben en over het algemeen kleiner zijn. Zoals je snel zult leren, is het DNA-molecuul dubbelstrengs vanwege de binding tussen de nucleotiden in aangrenzende strengen.

Een purinebase kan alleen binden met een pyrimidinebase, omdat twee purines te veel ruimte zouden innemen tussen strengen en twee pyrimidines te weinig, waarbij een purine-pyrimidine combinatie precies goed is grootte.

Maar de dingen worden eigenlijk strenger gecontroleerd dan dit: in nucleïnezuren, EENobligaties alleen omT (ofU in RNA), terwijl C bindt alleen aan G.

De volledige beschrijving van het DNA-molecuul als a dubbelstrengs helix in 1953 door James Watson en Francis Crick leverde het duo uiteindelijk een Nobelprijs op, hoewel het röntgendiffractiewerk van Rosalind Franklin was in de jaren die leidden tot deze prestatie een belangrijke factor in het succes van het paar en wordt vaak ingetogen in geschiedenisboeken.

In de natuur, DNA bestaat als een helix omdat dit de energetisch meest gunstige vorm is voor de specifieke set moleculen die het bevat om aan te nemen.

De zijketens, basen en andere delen van het DNA-molecuul ervaren de juiste mix van elektrochemische aantrekkingskracht en elektrochemische afstoting zodat het molecuul het meest "comfortabel" is in de vorm van twee spiralen, enigszins verschoven van elkaar, zoals verweven spiraalvormig trappen.

DNA-strengen bestaan ​​uit afwisselende fosfaatgroepen en suikerresten, waarbij de stikstofbasen aan een ander deel van het suikergedeelte zijn bevestigd. Een DNA- of RNA-streng wordt langer dankzij waterstofbruggen die gevormd worden tussen de fosfaatgroep van het ene nucleotide en het suikerresidu van het volgende.

In het bijzonder is het fosfaat op koolstofnummer 5 (vaak geschreven als 5') van het binnenkomende nucleotide bevestigd in plaats van de hydroxylgroep op de nummer-3 koolstof (of 3') van het groeiende polynucleotide (kleine nucleïnezuur zuur). Dit staat bekend als a fosfodiester koppeling link.

Ondertussen zijn alle nucleotiden met A-basen opgesteld met nucleotiden met T-basen in DNA en nucleotiden met U-basen in RNA; C paren uniek met G in beide.

Van de twee strengen van een DNA-molecuul wordt gezegd dat ze complementair naar elkaar, omdat de basenvolgorde van de ene kan worden bepaald met behulp van de basenvolgorde van de andere dankzij het eenvoudige basenpaarschema dat nucleïnezuurmoleculen observeren.

RNA, zoals opgemerkt, is buitengewoon vergelijkbaar met DNA op chemisch niveau, met slechts één stikstofhoudende base van vier die anders is en een enkel "extra" zuurstofatoom in de suiker van RNA. Het is duidelijk dat deze schijnbaar triviale verschillen voldoende zijn om substantieel verschillend gedrag tussen de biomoleculen te garanderen.

Met name is RNA enkelstrengs. Dat wil zeggen, u zult de term "complementaire streng" niet zien gebruikt in de context van dit nucleïnezuur. Verschillende delen van dezelfde RNA-streng kunnen echter met elkaar interageren, wat betekent dat de vorm van RNA eigenlijk meer varieert dan de vorm van DNA (steevast een dubbele helix). Dienovereenkomstig zijn er tal van verschillende soorten RNA.

• mRNA, of boodschapper-RNA, gebruikt complementaire basenparen om de boodschap te dragen die DNA het tijdens transcriptie naar de ribosomen geeft, waar die boodschap wordt vertaald in eiwitsynthese. Transcriptie wordt hieronder in detail beschreven.
• rRNA, of ribosomaal RNA, vormt een aanzienlijk deel van de massa van ribosomen, de structuren in cellen die verantwoordelijk zijn voor eiwitsynthese. De rest van de massa ribosomen bestaat uit eiwitten.
• tRNA, of transfer-RNA, speelt een cruciale rol bij translatie door aminozuren die bestemd zijn voor de groeiende polypeptideketen naar de plek te brengen waar eiwitten worden geassembleerd. Er zijn 20 aminozuren in de natuur, elk met zijn eigen tRNA.
  

Stel je voor dat je een streng nucleïnezuur krijgt aangeboden met de basensequentie AAATCGGCATTA. Alleen al op basis van deze informatie zou je snel twee dingen moeten kunnen concluderen.

Eén, dat dit DNA is, geen RNA, zoals blijkt uit de aanwezigheid van thymine (T). Het tweede dat je kunt zien, is dat de complementaire streng van dit DNA-molecuul de basenvolgorde TTTAGCGTAAT heeft.

U kunt ook zeker zijn van de mRNA-streng die het gevolg zou zijn van deze DNA-streng die RNA-transcriptie ondergaat. Het zou hetzelfde hebben opeenvolging van basen als de complementaire DNA streng, waarbij eventuele gevallen van thymine (T) worden vervangen door uracil (U).

Dit komt omdat DNA-replicatie en RNA-transcriptie op dezelfde manier werken, in die zin dat de streng gemaakt van de sjabloonstreng is geen duplicaat van die streng, maar zijn complement of het equivalent in RNA.

Om een ​​DNA-molecuul een kopie van zichzelf te laten maken, moeten de twee strengen van de dubbele helix scheiden in de buurt van het kopiëren. Dit komt omdat elke streng afzonderlijk wordt gekopieerd (gerepliceerd) en omdat de enzymen en andere moleculen die eraan deelnemen, DNA-replicatie ruimte nodig hebben om te interageren, wat een dubbele helix niet biedt. Dus de twee strengen worden fysiek gescheiden, en er wordt gezegd dat het DNA gedenatureerd.

Elke gescheiden DNA-streng maakt een nieuwe streng die complementair is aan zichzelf en blijft eraan gebonden. Dus in zekere zin is er niets anders in elk nieuw dubbelstrengs molecuul van zijn ouder. Chemisch gezien hebben ze de dezelfde moleculaire samenstelling. Maar een van de strengen in elke dubbele helix is ​​gloednieuw, terwijl de andere is overgebleven van de replicatie zelf.

Wanneer DNA-replicatie gelijktijdig plaatsvindt langs gescheiden complementaire strengen, vindt de synthese van de nieuwe strengen eigenlijk in tegengestelde richtingen plaats. Aan de ene kant groeit de nieuwe streng gewoon in de richting van het DNA dat wordt "uitgepakt" terwijl het wordt gedenatureerd.

Aan de andere kant worden echter kleine fragmenten van nieuw DNA gesynthetiseerd weg vanuit de richting van de strengscheiding. Dit worden Okazaki-fragmenten genoemd en worden na het bereiken van een bepaalde lengte door enzymen met elkaar verbonden. Deze twee nieuwe DNA-strengen zijn: antiparallel naar elkaar.

RNA-transcriptie is vergelijkbaar met DNA-replicatie in die zin dat het ontkoppelen van DNA-strengen nodig is om te beginnen. mRNA wordt gemaakt langs de DNA-matrijs door de opeenvolgende toevoeging van RNA-nucleotiden door het enzym RNA-polymerase.

Dit initiële transcript van RNA gemaakt van het DNA creëert wat we noemen pre-mRNA. Deze pre-mRNA-streng bevat beide introns en exons. Introns en exons zijn secties in het DNA/RNA die wel of niet coderen voor delen van het genproduct.

intronen zijn niet-coderende secties (ook wel "interfering secties") terwijl exonen zijn codeersecties (ook wel "exgeperste secties").

Voordat deze mRNA-streng de kern verlaat om te worden vertaald in een eiwit, snijden enzymen in de kern de introns uit, oftewel uitgesneden, omdat ze nergens voor coderen in dat specifieke gen. Enzymen verbinden vervolgens de resterende intronsequenties om u de laatste mRNA-streng te geven.

Eén mRNA-streng bevat meestal precies de basensequentie die nodig is om één uniek eiwit stroomafwaarts in de te assembleren vertaling proces, wat betekent dat één mRNA-molecuul typisch de informatie voor één gen. Een gen is een DNA-sequentie die codeert voor een bepaald eiwitproduct.

Zodra de transcriptie is voltooid, wordt de mRNA-streng uit de kern geëxporteerd via poriën in de nucleaire envelop. (RNA-moleculen zijn te groot om eenvoudig door het kernmembraan te diffunderen, net als water en andere kleine moleculen). Het "dockt" dan met ribosomen in het cytoplasma of in bepaalde organellen, en eiwitsynthese wordt gestart.

Nucleïnezuren kunnen niet worden gemetaboliseerd tot brandstof, maar ze kunnen worden gemaakt van zeer kleine moleculen of worden afgebroken vanuit hun volledige vorm in zeer kleine delen. Nucleotiden worden gesynthetiseerd door anabole reacties, vaak van nucleosiden, die nucleotiden zijn minus eventuele fosfaatgroepen (dat wil zeggen, een nucleoside is een ribosesuiker plus een stikstofbase).

DNA en RNA kunnen ook worden afgebroken: van nucleotiden tot nucleosiden, vervolgens tot stikstofbasen en uiteindelijk tot urinezuur.

Afbraak van nucleïnezuren is belangrijk voor algemene gezondheid. Het onvermogen om purines af te breken is bijvoorbeeld gekoppeld aan jicht, een pijnlijke ziekte die sommige gewrichten aantast dankzij de afzetting van uraatkristallen op die locaties.