Kenmerken van nucleïnezuren

Belangrijke nucleïnezuren in de natuur omvatten deoxyribonucleïnezuur, of DNA, en ribonucleïnezuur, of RNA. Ze worden zuren genoemd omdat ze proton (d.w.z. waterstofatoom) donoren zijn, en daarom dragen ze een negatieve lading.

Chemisch gezien zijn DNA en RNA polymeren, wat betekent dat ze bestaan ​​uit herhalende eenheden, vaak een zeer groot aantal. Deze eenheden heten nucleotiden. Alle nucleotiden omvatten op hun beurt drie verschillende chemische delen: een pentosesuiker, een fosfaatgroep en een stikstofbase.

DNA verschilt op drie belangrijke manieren van RNA. Een daarvan is dat de suiker die de structurele "ruggengraat" van het nucleïnezuurmolecuul vormt, deoxyribose is, terwijl het in RNA ribose is. Als je al bekend bent met de chemische nomenclatuur, zul je herkennen dat dit een klein verschil is in het algemene structurele schema; ribose heeft vier hydroxyl (-OH) groepen, terwijl deoxyribose er drie heeft.

Het tweede verschil is dat terwijl een van de vier stikstofbasen die in DNA worden gevonden thymine is, de overeenkomstige base in RNA uracil is. De stikstofbasen van nucleïnezuren bepalen de uiteindelijke kenmerken hiervan moleculen, omdat de fosfaat- en suikerdelen niet variëren binnen of tussen moleculen van de zelfde type.

Ten slotte is DNA dubbelstrengs, wat betekent dat het bestaat uit twee lange ketens van nucleotiden die chemisch zijn gebonden door twee stikstofbasen. Het DNA is in een "dubbele helix"-vorm gewikkeld, als een flexibele ladder die aan beide uiteinden in tegengestelde richting is gedraaid.

Deoxyribose bestaat uit een ring met vijf atomen, vier koolstofatomen en een zuurstof, in de vorm van een vijfhoek of misschien een thuisplaat in honkbal. Omdat koolstof vier bindingen vormt en zuurstof twee, blijven er acht bindingsplaatsen vrij op de vier koolstofatomen, twee per koolstofatoom, één boven en één onder de ring. Drie van deze plekken worden ingenomen door hydroxyl (-OH) groepen en vijf worden geclaimd door waterstofatomen.

Dit suikermolecuul kan zich binden aan een van de vier stikstofbasen: adenine, cytosine, guanine en thymine. Adenine (A) en guanine (G) zijn purines, terwijl cytosine (C) en thymine (T) pyrimidinen zijn. Purines zijn grotere moleculen dan pyrimidines; omdat de twee strengen van een compleet DNA-molecuul in het midden zijn gebonden door hun stikstofbasen, deze bindingen moet vormen tussen één purine en één pyrimidine om de totale grootte van de twee basen over het molecuul ongeveer te houden constante. (Het helpt om bij het lezen naar elk diagram van nucleïnezuren te verwijzen, zoals die in de referenties.) Toevallig bindt A zich uitsluitend aan T in DNA, terwijl C zich uitsluitend aan G bindt.

Deoxyribose gebonden aan een stikstofbase wordt a. genoemd nucleoside. Wanneer een fosfaatgroep wordt toegevoegd aan deoxyribose op de koolstof twee plaatsen verwijderd van waar de base is bevestigd, wordt een compleet nucleotide gevormd. De eigenaardigheden van de respectieve elektrochemische ladingen op de verschillende atomen in nucleotiden zijn: verantwoordelijk voor dubbelstrengs DNA dat van nature een spiraalvorm vormt, en de twee DNA-strengen in het molecuul worden genoemd complementaire strengen.

De pentosesuiker in RNA is ribose in plaats van deoxyribose. Ribose is identiek aan deoxyribose behalve dat de ringstructuur is gebonden aan vier hydroxyl (-OH) groepen en vier waterstofatomen in plaats van respectievelijk drie en vijf. Het ribosegedeelte van een nucleotide is gebonden aan een fosfaatgroep en een stikstofbase, zoals bij DNA, met afwisselende fosfaten en suikers die de RNA-"ruggengraat" vormen. De basen, zoals hierboven vermeld, omvatten A, C en G, maar de tweede pyrimidine in RNA is uracil (U) in plaats van dan T.

Terwijl DNA zich alleen bezighoudt met informatieopslag (een gen is gewoon een DNA-streng die codeert voor een enkel eiwit), nemen verschillende soorten RNA verschillende functies over. Messenger-RNA, of mRNA, wordt gemaakt van DNA wanneer het gewoonlijk dubbelstrengs DNA zich splitst in twee enkele strengen voor transcriptie. Het resulterende mRNA vindt uiteindelijk zijn weg naar de delen van cellen waar eiwitproductie plaatsvindt, met de instructies voor dit proces geleverd door DNA. Een tweede type RNA, transfer-RNA (tRNA), neemt deel aan de aanmaak van eiwitten. Dit gebeurt op celorganellen die ribosomen worden genoemd, en ribosomen zelf bestaan ​​voornamelijk uit een derde type RNA dat, toepasselijk, ribosomaal RNA (rRNA) wordt genoemd.

De vijf stikstofbasen - adenine (A), cytosine (C), guanine (G) en thymine (T) in DNA en de eerste drie plus uracil (U) in RNA - zijn de delen van nucleïnezuren die uiteindelijk verantwoordelijk zijn voor de diversiteit van genproducten in het leven dingen. De suiker- en fosfaatdelen zijn essentieel omdat ze structuur en ondersteuning bieden, maar de basis is waar de codes worden gegenereerd. Als u uw laptopcomputer ziet als een nucleïnezuur of op zijn minst een reeks nucleotiden, kan de hardware (bijv. scherm, microprocessor) is analoog aan de suikers en fosfaten, terwijl welke software en apps je ook gebruikt, stikstofhoudend zijn omdat het unieke assortiment programma's dat u op uw systeem hebt geladen, uw computer in feite een unieke "organisme."

Zoals eerder beschreven, worden stikstofbasen geclassificeerd als purines (A en G) of pyrimidinen (C, T en U). A koppelt altijd in een DNA-streng met T, en C koppelt altijd met G. Belangrijk is dat wanneer een DNA-streng wordt gebruikt als een sjabloon voor RNA-synthese (transcriptie), op elk punt langs het groeiende RNA-molecuul, het RNA-nucleotide dat is gemaakt van het "ouder" DNA-nucleotide omvat de base die de "ouder" base altijd bindt naar. Dit wordt in een volgende sectie onderzocht.

Purines bestaan ​​uit een zesdelige stikstof-en-koolstofring en een vijfdelige stikstof-en-koolstofring, zoals een zeshoek en een vijfhoek die een zijde delen. Purinesynthese omvat chemische aanpassing van een ribosesuiker, gevolgd door de toevoeging van amino (-NH₂) groepen. Pyrimidinen hebben ook een zesledige stikstof-en-koolstofring, zoals purines, maar missen de vijfledige stikstof-en-koolstofring van purines. Purines hebben daarom een ​​hogere molecuulmassa dan pyrimidinen.

De synthese van nucleotiden die pyrimidinen bevatten en de synthese van nucleotiden die purines bevatten, vinden in een cruciale stap in omgekeerde volgorde plaats. Bij pyrimidinen wordt het basisgedeelte eerst geassembleerd en wordt de rest van het molecuul later gemodificeerd tot een nucleotide. In purines wordt het deel dat uiteindelijk adenine of guanine wordt, gemodificeerd tegen het einde van de nucleotidevorming.

Transcriptie is de creatie van een mRNA-streng uit een DNA-matrijs, die dezelfde instructies (d.w.z. genetische code) draagt ​​voor het maken van een bepaald eiwit als de mal. Het proces vindt plaats in de celkern, waar het DNA zich bevindt. Wanneer een dubbelstrengs DNA-molecuul uiteenvalt in enkele strengen en de transcriptie doorgaat, wordt het mRNA dat uit één streng van het "uitgepakte" DNA-paar is identiek aan het DNA van de andere streng uitgepakt DNA, behalve dat mRNA U bevat in plaats van T. (Nogmaals, verwijzen naar een diagram is nuttig; zie de referenties.) Het mRNA verlaat, eenmaal voltooid, de kern via poriën in het kernmembraan. Nadat het mRNA de kern verlaat, hecht het zich aan een ribosoom.

Enzymen hechten zich vervolgens aan het ribosomale complex en helpen bij het translatieproces. Translatie is de omzetting van de instructie van het mRNA in eiwitten. Dit gebeurt wanneer aminozuren, de subeenheden van eiwitten, worden gegenereerd uit drie-nucleotide "codons" op de mRNA-streng. Het proces omvat ook rRNA (omdat translatie plaatsvindt op ribsomen) en tRNA (dat helpt bij het samenstellen van aminozuren).

DNA-strengen assembleren tot een dubbele helix dankzij een samenvloeiing van verwante factoren. Een daarvan zijn de waterstofbruggen die van nature op hun plaats vallen over verschillende delen van het molecuul. Terwijl de helix zich vormt, staan ​​​​de bindingsparen van stikstofbasen loodrecht op de as van de dubbele helix als geheel. Elke volledige beurt omvat in totaal ongeveer 10 base-base gebonden paren. Wat de "zijkanten" van het DNA zou kunnen worden genoemd toen het als een "ladder" was opgesteld, worden nu de "kettingen" van de dubbele helix genoemd. Deze bestaan ​​bijna volledig uit de ribose- en fosfaatdelen van nucleotiden, met de basen aan de binnenkant. Er wordt gezegd dat de helix zowel grote als kleine groeven heeft die zijn uiteindelijk stabiele vorm bepalen.

Hoewel chromosomen kunnen worden beschreven als zeer lange DNA-strengen, is dit een grove vereenvoudiging. Het is waar dat een bepaald chromosoom in theorie zou kunnen worden afgewikkeld om een ​​enkel ongebroken DNA-molecuul te onthullen, maar dit geeft niet het ingewikkelde oprollen, spoelen en clusteren aan dat DNA doet op weg naar het vormen van a chromosoom. Eén chromosoom bevat miljoenen DNA-basenparen, en als al het DNA zou worden uitgerekt zonder de helix te breken, zou de lengte ervan variëren van enkele millimeters tot meer dan een centimeter. In werkelijkheid is DNA veel compacter. Eiwitten die histonen worden genoemd, worden gevormd uit vier paren subeenheid-eiwitten (acht subeenheden in totaal). Dit octameer dient als een soort spoel voor de dubbele DNA-helix om zichzelf twee keer rond te wikkelen, zoals een draad. Deze structuur, het octameer plus het DNA eromheen, wordt een nucleosoom genoemd. Wanneer een chromosoom gedeeltelijk wordt afgewikkeld in een streng die een chromatide wordt genoemd, verschijnen deze nucleosomen op microscopie als kralen aan een touwtje. Maar boven het niveau van nucleosomen vindt verdere compressie van het genetische materiaal plaats, hoewel het precieze mechanisme ongrijpbaar blijft.

DNA, RNA en eiwitten worden beschouwd biopolymeren omdat het herhaalde opeenvolgingen van informatie en aminozuren zijn die worden geassocieerd met levende wezens ("bio" betekent "leven"). Moleculaire biologen erkennen tegenwoordig dat DNA en RNA in een of andere vorm dateren van vóór het ontstaan ​​van leven aarde, maar vanaf 2018 had niemand de weg van vroege biopolymeren naar eenvoudig leven bedacht dingen. Sommigen hebben getheoretiseerd dat RNA in een of andere vorm de oorspronkelijke bron was van al deze dingen, inclusief DNA. Dit is de 'RNA-wereldhypothese'. Dit levert echter een soort kip-en-ei-scenario op voor biologen, omdat voldoende grote RNA-moleculen schijnbaar op geen enkele andere manier konden zijn ontstaan transcriptie. In ieder geval onderzoeken wetenschappers momenteel met toenemende gretigheid RNA als doelwit voor het eerste zelfreplicerende molecuul.

Chemicaliën die de bestanddelen van nucleïnezuren nabootsen, worden tegenwoordig als medicijnen gebruikt, en er zijn verdere ontwikkelingen op dit gebied aan de gang. Een licht gewijzigde vorm van uracil, 5-fluorouracil (5-FU), wordt bijvoorbeeld al tientallen jaren gebruikt om carcinoom van de dikke darm te behandelen. Het doet dit door een echte stikstofbase nauw genoeg na te bootsen zodat het in nieuw vervaardigd DNA wordt ingevoegd. Dit leidt uiteindelijk tot een afbraak van de eiwitsynthese.

Imitators van nucleosiden (die, zoals u zich misschien herinnert, een ribosesuiker plus een stikstofbase zijn) zijn gebruikt in antibacteriële en antivirale therapieën. Soms is het het basisgedeelte van het nucleoside dat modificatie ondergaat, en op andere momenten richt het medicijn zich op het suikergedeelte.