Nukleinsyrer: Struktur, funksjon, typer og eksempler

Nukleinsyrer representerer en av de fire hovedkategoriene av biomolekyler, som er stoffene som utgjør celler. De andre er proteiner, karbohydrater og lipider (eller fett).

Nukleinsyrer, som inkluderer DNA (deoksyribonukleinsyre) og RNA (ribonukleinsyre), skiller seg fra de tre andre biomolekylene ved at de ikke kan metaboliseres for å levere energi til moderorganismen.

(Derfor ser du ikke "nukleinsyre" på etikettene for ernæringsinformasjon.)

Funksjonen til DNA og RNA er å lagre genetisk informasjon. En komplett kopi av ditt eget DNA kan bli funnet i kjernen til nesten alle celler i kroppen din, noe som gjør denne aggregeringen av DNA - kalt kromosomer i denne sammenhengen - snarere som harddisken til en bærbar datamaskin.

I dette skjemaet kalles en lengde på RNA av den typen messenger RNA inneholder de kodede instruksjonene for bare ett proteinprodukt (dvs. det inneholder et enkelt gen) og er derfor mer som en "tommelfingerstasjon" som inneholder en enkelt viktig fil.

DNA og RNA er veldig nært beslektet. Den eneste substitusjonen av et hydrogenatom (–H) i DNA med en hydroksylgruppe (–OH) festet til tilsvarende karbonatom i RNA står for hele den kjemiske og strukturelle forskjellen mellom de to nukleinsyrer.

Som du ser, skjønt, som så ofte skjer i kjemi, har det som virker som en liten forskjell på atomnivå åpenbare og dype praktiske konsekvenser.

Nukleinsyrer består av nukleotider, som er stoffer som i seg selv består av tre forskjellige kjemiske grupper: a pentose sukker, en til tre fosfatgrupper og en nitrogenholdig base.

Pentosesukkeret i RNA er ribose, mens det i DNA er deoksyribose. I nukleinsyrer har nukleotider bare en fosfatgruppe. Et eksempel på et velkjent nukleotid som har flere fosfatgrupper er ATPeller adenosintrifosfat. ADP (adenosindifosfat) deltar i mange av de samme prosessene som ATP gjør.

Enkeltmolekyler av DNA kan være usedvanlig lang og kan strekke seg over lengden på et helt kromosom. RNA-molekyler er langt mer begrenset i størrelse enn DNA-molekyler, men kvalifiserer fortsatt som makromolekyler.

Ribose (RNA-sukkeret) har en fem-atomring som inkluderer fire av de fem karbonene i sukkeret. Tre av de andre er okkupert av hydroksyl (–OH) grupper, en av et hydrogenatom og en av en hydroksymetyl (–CH2OH) gruppe.

Den eneste forskjellen i deoksyribose (sukkeret av DNA) er at en av de tre hydroksylgruppene (den i 2-karbonposisjonen) er borte og erstattes av et hydrogenatom.

Mens både DNA og RNA har nukleotider med en av fire mulige nitrogenholdige baser inkludert, varierer disse også litt mellom de to nukleinsyrene. DNA har adenin (A), cytosin (C), guanin (G) og tymin. mens RNA har A, C og G men uracil (U) i stedet for tymin.

De fleste av de funksjonelle forskjellene mellom DNA og RNA er knyttet til deres markant forskjellige roller i celler. DNA er der den genetiske koden for å leve - ikke bare reproduksjon, men daglige livsaktiviteter - lagres.

RNA, eller i det minste mRNA, er ansvarlig for å samle den samme informasjonen og bringe den til ribosomene utenfor kjernen der proteiner er bygget som tillater gjennomføring av de nevnte metabolske stoffene aktiviteter.

Basesekvensen til en nukleinsyre er der dens spesifikke meldinger blir båret, og den nitrogenholdige baser kan altså sies å være til slutt ansvarlige for forskjeller i dyr av samme art - det er, forskjellige manifestasjoner av samme trekk (f.eks. øyenfarge, kroppshårmønster).

To av basene i nukleinsyrer (A og G) er puriner, mens to (C og T i DNA; C og U i RNA) er pyrimidiner. Purinmolekyler inneholder to smeltede ringer, mens pyrimidiner bare har en og generelt er mindre. Som du snart vil lære, er DNA-molekylet det dobbeltstrenget på grunn av binding mellom nukleotider i tilstøtende tråder.

En purinbase kan bare binde seg til en pyrimidinbase, fordi to puriner vil ta for mye plass mellom tråder og to pyrimidiner for lite, med en purin-pyrimidin-kombinasjon som er akkurat den rette størrelse.

Men ting er faktisk tettere kontrollert enn dette: I nukleinsyrer, ENobligasjoner bare tilT (ellerU i RNA), mens C binder bare til G.

Den komplette beskrivelsen av DNA-molekylet som en dobbeltstrenget helix i 1953 av James Watson og Francis Crick tjente til slutt duoen en Nobelpris, selv om røntgendiffraksjonsarbeidet til Rosalind Franklin i årene som førte til denne prestasjonen var medvirkende til parets suksess og er ofte undervurdert i historiebøker.

I naturen, DNA eksisterer som en helix fordi dette er den mest energisk gunstige formen for det spesielle settet med molekyler det inneholder å ta.

Sidekjedene, basene og andre deler av DNA-molekylet opplever den rette blandingen av elektrokjemiske attraksjoner og elektrokjemiske frastøtinger slik at molekylet er mest "behagelig" i form av to spiraler, litt forskjøvet fra hverandre, som sammenvevd spiralstil trapper.

DNA-tråder består av vekslende fosfatgrupper og sukkerrester, med nitrogenholdige baser festet til en annen del av sukkerdelen. En DNA- eller RNA-streng forlenger seg takket være hydrogenbindinger dannet mellom fosfatgruppen i ett nukleotid og sukkerresten i det neste.

Spesielt er fosfatet ved nummer-5 karbon (ofte skrevet 5 ') av det innkommende nukleotidet festet i stedet for hydroksylgruppen på nummer-3 karbon (eller 3 ') av det voksende polynukleotidet (liten nuklein syre). Dette er kjent som en fosfodiester kobling.

I mellomtiden er alle nukleotidene med A-baser stilt opp med nukleotider med T-baser i DNA og nukleotider med U-baser i RNA; C pares unikt med G i begge.

De to trådene i et DNA-molekyl sies å være det utfyllende til hverandre, fordi basesekvensen til den ene kan bestemmes ved hjelp av basesekvensen til den andre takket være det enkle baseparingsskjemaet nukleinsyremolekyler observeres.

RNA, som nevnt, er ekstraordinært lik DNA på kjemisk nivå, med bare en nitrogenholdig base blant fire som er forskjellige og et enkelt "ekstra" oksygenatom i RNA-sukkeret. Åpenbart er disse tilsynelatende trivielle forskjellene tilstrekkelig til å sikre vesentlig forskjellig oppførsel mellom biomolekylene.

Spesielt er RNA det enkeltstrenget. Det vil si at du ikke vil se begrepet "komplementær streng" brukt i sammenheng med denne nukleinsyren. Ulike deler av den samme RNA-strengen kan imidlertid samhandle med hverandre, noe som betyr at RNA-formen faktisk varierer mer enn DNA-formen (alltid en dobbel helix). Følgelig er det mange forskjellige typer RNA.

• mRNA, eller messenger RNA, bruker komplementær baseparring for å overføre meldingen DNA gir den under transkripsjon til ribosomene, der den meldingen oversettes til proteinsyntese. Transkripsjon er beskrevet i detalj nedenfor.
• rRNA, eller ribosomalt RNA, utgjør en betydelig del av massen av ribosomer, strukturene i cellene som er ansvarlige for proteinsyntese. Resten av massen av ribosomer består av proteiner.
• tRNA, eller overføre RNA, spiller en kritisk rolle i translasjon ved å skyve aminosyrer bestemt for den voksende polypeptidkjeden til stedet der proteiner er samlet. Det er 20 aminosyrer i naturen, hver med sin egen tRNA.
  

Tenk deg å bli presentert med en streng av nukleinsyre med basesekvensen AAATCGGCATTA. Basert på denne informasjonen alene, bør du kunne konkludere med to ting raskt.

Den ene, at dette er DNA, ikke RNA, som avslørt av tilstedeværelsen av tymin (T). Den andre tingen du kan fortelle er at den komplementære strengen til dette DNA-molekylet har basesekvensen TTTAGCCGTAAT.

Du kan også være sikker på mRNA-strengen som vil være resultatet av denne DNA-strengen som gjennomgår RNA-transkripsjon. Det ville ha det samme rekkefølge av baser som komplementær DNA-streng, med eventuelle forekomster av tymin (T) erstattet av uracil (U).

Dette er fordi DNA-replikering og RNA-transkripsjon fungerer på samme måte ved at strengen laget av malstrengen er ikke en duplikat av den strengen, men dens komplement eller tilsvarende i RNA.

For at et DNA-molekyl skal kunne lage en kopi av seg selv, må de to strengene i dobbel helix skilles i nærheten av kopiering. Dette er fordi hver streng kopieres (replikeres) separat, og fordi enzymene og andre molekyler som deltar i DNA-replikasjon trenger rom for å samhandle, som en dobbel helix ikke gir. Dermed blir de to strengene fysisk skilt, og DNA sies å være det denaturert.

Hver separerte DNA-streng gjør en ny streng komplementær til seg selv, og forblir bundet til den. Så på en måte er ingenting annerledes i hvert nye dobbeltstrengede molekyl fra foreldrene. Kjemisk har de samme molekylære sammensetning. Men en av strengene i hver dobbeltspiral er helt ny, mens den andre er igjen fra replikasjonen selv.

Når DNA-replikasjon skjer samtidig langs adskilte komplementære tråder, oppstår syntesen av de nye strengene i motsatt retning. På den ene siden vokser den nye strengen rett og slett i retning av at DNA blir "pakket ut" når den denatureres.

På den andre siden syntetiseres imidlertid små fragmenter av nytt DNA borte fra retning av strengseparasjon. Disse kalles Okazaki-fragmenter, og blir sammenføyet av enzymer etter å ha nådd en viss lengde. Disse to nye DNA-strengene er antiparallell til hverandre.

RNA-transkripsjon ligner DNA-replikasjon ved at det er nødvendig å koble fra DNA-tråder for at den skal starte. mRNA lages langs DNA-malen ved sekvensiell tilsetning av RNA-nukleotider av enzymet RNA-polymerase.

Denne første transkripsjonen av RNA opprettet fra DNA skaper det vi kaller pre-mRNA. Denne pre-mRNA-strengen inneholder begge deler introner og eksoner. Introns og exons er seksjoner i DNA / RNA som enten gjør eller ikke koder for deler av genproduktet.

Introns er ikke-kodende seksjoner (også kalt "intutsette seksjoner ") mens eksoner er kodende seksjoner (også kalt "ekspressede seksjoner ").

Før denne mRNA-strengen forlater kjernen for å bli oversatt til et protein, avbrytes enzymer i kjernen, også kuttet ut, intronene siden de ikke koder for noe i det spesielle genet. Enzymer kobler deretter de resterende intronsekvensene for å gi deg den endelige mRNA-strengen.

En mRNA-streng inkluderer vanligvis nøyaktig basesekvensen som er nødvendig for å samle ett unikt protein nedstrøms i oversettelse prosess, som betyr at ett mRNA-molekyl vanligvis bærer informasjonen for en gen. Et gen er en DNA-sekvens som koder for et bestemt proteinprodukt.

Når transkripsjonen er fullført, eksporteres mRNA-strengen ut av kjernen gjennom porene i kjernekonvolutten. (RNA-molekyler er for store til å bare diffundere gjennom kjernemembranen, i likhet med vann og andre små molekyler). Den "legger til" med ribosomer i cytoplasma eller i visse organeller, og protein syntese er igangsatt.

Nukleinsyrer kan ikke metaboliseres for drivstoff, men de kan opprettes fra veldig små molekyler eller brytes ned fra deres fullstendige form til veldig små deler. Nukleotider syntetiseres gjennom anabole reaksjoner, ofte fra nukleosider, som er nukleotider minus eventuelle fosfatgrupper (det vil si at et nukleosid er et ribosesukker pluss en nitrogenholdig base).

DNA og RNA kan også nedbrytes: fra nukleotider til nukleosider, deretter til nitrogenholdige baser og til slutt til urinsyre.

Nedbrytning av nukleinsyrer er viktig for generell helse. For eksempel er manglende evne til å bryte ned puriner knyttet til gikt, en smertefull sykdom som rammer noen av leddene takket være uratkrystallavsetninger på disse stedene.