Viktige nukleinsyrer i naturen inkluderer deoksyribonukleinsyre, eller DNA, og ribonukleinsyre, eller RNA. De kalles syrer fordi de er protongivere (dvs. hydrogenatom), og derfor bærer de en negativ ladning.
Kjemisk er DNA og RNA polymerer, noe som betyr at de består av gjentatte enheter, ofte et veldig stort antall av dem. Disse enhetene kalles nukleotider. Alle nukleotider inkluderer igjen tre forskjellige kjemiske deler: et pentosesukker, en fosfatgruppe og en nitrogenholdig base.
DNA skiller seg fra RNA på tre primære måter. Den ene er at sukkeret som utgjør den strukturelle "ryggraden" i nukleinsyremolekylet er deoksyribose, mens det i RNA er ribose. Hvis du i det hele tatt er kjent med kjemisk nomenklatur, vil du innse at dette er en liten forskjell i den generelle strukturelle ordningen; ribose har fire hydroksyl (-OH) grupper, mens deoksyribose har tre.
Den andre forskjellen er at mens en av de fire nitrogenholdige basene som finnes i DNA er tymin, er den tilsvarende basen i RNA uracil. De nitrogenholdige basene av nukleinsyrer er det som dikterer de ultimate egenskapene til disse molekyler, fordi fosfat- og sukkerdelene ikke varierer innenfor eller mellom molekylene i samme type.
Til slutt er DNA dobbeltstrenget, noe som betyr at det består av to lange kjeder av nukleotider som er kjemisk bundet av to nitrogenholdige baser. DNA er viklet i en "dobbel helix" -form, som en fleksibel stige vridd i motsatt retning i begge ender.
Generelle egenskaper ved DNA
Deoxyribose består av en fematomring, fire karbonatomer og et oksygen, formet som en femkant eller kanskje hjemmeplate i baseball. Fordi karbon danner fire bindinger og oksygen to, etterlater dette åtte bindingssteder fri på de fire karbonatomer, to per karbon, en over og en under ringen. Tre av disse flekkene er okkupert av hydroksyl- (-OH) -grupper, og fem hevdes av hydrogenatomer.
Dette sukkermolekylet kan binde seg til en av fire nitrogenholdige baser: adenin, cytosin, guanin og tymin. Adenin (A) og guanin (G) er puriner, mens cytosin (C) og tymin (T) er pyrimidiner. Puriner er større molekyler enn pyrimidiner; fordi de to strengene av et hvilket som helst komplett DNA-molekyl er bundet i midten av sine nitrogenholdige baser, disse bindingene må dannes mellom en purin og en pyrimidin for å holde den totale størrelsen på de to basene over molekylet omtrent konstant. (Det hjelper å referere til et hvilket som helst diagram av nukleinsyrer når du leser, slik som i referansene.) Når det skjer, binder A seg utelukkende til T i DNA, mens C binder utelukkende til G.
Deoksyribose bundet til en nitrogenholdig base kalles a nukleosid. Når en fosfatgruppe blir tilsatt til deoksyribose ved karbonet to flekker unna der basen er festet, dannes et komplett nukleotid. Det særegne ved de respektive elektrokjemiske ladningene på de forskjellige atomene i nukleotider er ansvarlig for dobbeltstrenget DNA som naturlig danner en spiralform, og de to DNA-strengene i molekylet er kalt komplementære tråder.
Generelle egenskaper ved RNA
Pentosesukkeret i RNA er ribose i stedet for deoksyribose. Ribose er identisk med deoksyribose bortsett fra at ringstrukturen er bundet til fire hydroksyl (-OH) grupper og fire hydrogenatomer i stedet for henholdsvis tre og fem. Ribosedelen av et nukleotid er bundet til en fosfatgruppe og en nitrogenholdig base, som med DNA, med vekslende fosfater og sukker som danner RNA-ryggraden. Basene, som nevnt ovenfor, inkluderer A, C og G, men det andre pyrimidinet i RNA er uracil (U) heller enn T.
Mens DNA bare er opptatt av informasjonslagring (et gen er ganske enkelt en DNA-streng som koder for et enkelt protein), antar forskjellige typer RNA forskjellige funksjoner. Messenger RNA, eller mRNA, er laget av DNA når det vanligvis dobbeltstrengede DNAet deles i to enkle tråder for transkripsjon. Det resulterende mRNA tar til slutt vei mot de delene av cellene der det produseres protein, og bærer instruksjonene for denne prosessen levert av DNA. En annen type RNA, transfer RNA (tRNA), deltar i produksjonen av proteiner. Dette skjer på celleorganeller kalt ribosomer, og ribosomer i seg selv består hovedsakelig av en tredje type RNA kalt, passende, ribosomalt RNA (rRNA).
Nitrogenous Bases
De fem nitrogenholdige basene - adenin (A), cytosin (C), guanin (G) og tymin (T) i DNA og de tre første pluss uracil (U) i RNA - er delene av nukleinsyrer som til slutt er ansvarlige for mangfoldet av genprodukter over hele livet tingene. Sukker- og fosfatdelene er essensielle fordi de gir struktur og stillas, men basene er der kodene genereres. Hvis du tenker på den bærbare datamaskinen som en nukleinsyre eller i det minste en streng med nukelotider, kan maskinvaren (f.eks. skjerm, mikroprosessor) er analog med sukker og fosfater, mens programvare og apper du kjører, er som nitrogenholdige baser, fordi det unike utvalget av programmer du har lastet inn på systemet ditt effektivt gjør datamaskinen din enestående "organisme."
Som beskrevet tidligere klassifiseres nitrogenholdige baser som enten puriner (A og G) eller pyrimidiner (C, T og U). A pares alltid i en DNA-streng med T, og C pares alltid med G. Det er viktigere at når en DNA-streng brukes som en mal for RNA-syntese (transkripsjon), på hvert punkt langs det voksende RNA-molekylet, RNA-nukleotidet som er opprettet fra "foreldre" DNA-nukleotidet inkluderer basen som er den "foreldre" -basen alltid binder til. Dette blir utforsket i en ytterligere seksjon.
Puriner består av en seks-leders nitrogen-og-karbonring og en fem-leders nitrogen-og-karbonring, som en sekskant og en femkant som deler en side. Purinsyntese innebærer kjemisk tilpasning av et ribosesukker, etterfulgt av tilsetning av amino (-NH2) grupper. Pyrimidiner har også en seks-leders nitrogen-og-karbonring, som puriner, men mangler den fem-leders nitrogen-og-karbonringen av puriner. Puriner har derfor høyere molekylvekt enn pyrimidiner.
Syntesen av nukleotider som inneholder pyrimidiner og syntesen av nukleotider som inneholder puriner, skjer i motsatt rekkefølge i ett avgjørende trinn. I pyrimidiner blir basedelen samlet først, og resten av molekylet blir modifisert til et nukleotid senere. I puriner blir den delen som til slutt blir adenin eller guanin modifisert mot slutten av nukleotiddannelse.
Transkripsjon og oversettelse
Transkripsjon er dannelsen av en streng av mRNA fra en DNA-mal, som bærer de samme instruksjonene (dvs. genetisk kode) for å lage et bestemt protein som malen gjør. Prosessen skjer i cellekjernen, der DNA er lokalisert. Når et dobbeltstrenget DNA-molekyl skiller seg inn i enkeltstrenger og transkripsjon fortsetter, vil mRNA som genereres fra en streng av det "utpakket" DNA-paret er identisk med DNAet til den andre delen av utpakket DNA, bortsett fra at mRNA inneholder U i stedet for T. (Igjen er det nyttig å henvise til et diagram; se referansene.) Når mRNA er ferdig, forlater det kjernen gjennom porene i kjernemembranen. Etter at mRNA forlater kjernen, fester den seg til et ribosom.
Enzymer festes deretter til det ribosomale komplekset og hjelper i prosessen med oversettelse. Oversettelse er konvertering av mRNAs instruksjon til proteiner. Dette skjer når aminosyrer, underenhetene til proteiner, genereres fra tre-nukleotid "kodoner" på mRNA-strengen. Prosessen involverer også rRNA (siden oversettelse foregår på ribsomer) og tRNA (som hjelper til med å montere aminosyrer).
Fra DNA-tråder til kromosomer
DNA-tråder samles i en dobbel helix på grunn av en sammenløp av relaterte faktorer. En av disse er hydrogenbindinger som naturlig faller på plass over forskjellige deler av molekylet. Når spiralen dannes, er bindingsparene av nitrogenholdige baser vinkelrett på akselen til den dobbelte helixen. Hver hel sving inkluderer totalt ca 10 basebaserte par. Det som kan ha blitt kalt DNA-sidene når det ble lagt ut som en "stige", kalles nå "kjedene" til den dobbelte helixen. Disse består nesten utelukkende av ribose- og fosfatdelene av nukleotider, med basene på innsiden. Helixen sies å ha både store og mindre spor som bestemmer den til slutt stabile formen.
Mens kromosomer kan beskrives som veldig lange DNA-tråder, er dette en grov forenkling. Det er sant at et gitt kromosom i teorien kunne vikles ut for å avsløre et enkelt ubrutt DNA-molekyl, men dette indikerer ikke den intrikate viklingen, spolingen og klyngingen som DNA gjør på vei til å danne en kromosom. Ett kromosom har millioner av DNA-basepar, og hvis alt DNA ble strukket ut uten å bryte spiralen, ville lengden strekke seg fra noen få millimeter til over en centimeter. I virkeligheten er DNA langt mer fortettet. Proteiner som kalles histoner, dannes fra fire par underenhetsproteiner (i alt åtte underenheter). Denne oktameren fungerer som en slags spole for DNA-dobbeltspiralen for å vikle seg rundt to ganger, som en tråd. Denne strukturen, oktameren pluss DNA som er viklet rundt den, kalles et nukleosom. Når et kromosom delvis vikles ut i en streng som kalles kromatid, ser disse nukleosomene ut i mikroskopi som perler på en streng. Men over nivået av nukleosomer, skjer ytterligere kompresjon av genetisk materiale, selv om den presise mekanismen forblir unnvikende.
Nukleinsyrer og fremveksten av liv
DNA, RNA og proteiner blir vurdert biopolymerer fordi de er gjentatte informasjonssekvenser og aminosyrer som er forbundet med levende ting ("bio" betyr "liv"). Molekylære biologer i dag anerkjenner at DNA og RNA i en eller annen form er forut for fremveksten av liv Jorden, men fra og med 2018 hadde ingen funnet ut veien fra tidlige biopolymerer til enkel livsstil tingene. Noen har teoretisert at RNA i en eller annen form var den opprinnelige kilden til alle disse tingene, inkludert DNA. Dette er "RNA-verdenshypotesen." Dette presenterer imidlertid et slags kylling-og-egg-scenario for biologer, fordi tilstrekkelig store RNA-molekyler tilsynelatende ikke kunne ha kommet fram på noen annen måte enn transkripsjon. Uansett undersøker forskere, med økende iver, for tiden RNA som et mål for det første selvrepliserende molekylet.
Medisinske terapier
Kjemikalier som etterligner bestanddelene av nukleinsyrer blir brukt som medikamenter i dag, med videre utvikling i dette området på gang. For eksempel har en litt modifisert form av uracil, 5-fluorouracil (5-FU), blitt brukt i flere tiår for å behandle karsinom i tykktarmen. Den gjør dette ved å imitere en ekte nitrogenholdig base nært nok til at den blir satt inn i nyprodusert DNA. Dette fører til slutt til en sammenbrudd i proteinsyntese.
Imitatorer av nukleosider (som du kanskje husker er et ribosesukker pluss en nitrogenholdig base) har blitt brukt i antibakterielle og antivirale behandlinger. Noen ganger er det basedelen av nukleosidet som gjennomgår modifikasjon, og til andre ganger retter stoffet seg mot sukkerdelen.