Kwasy nukleinowe: struktura, funkcja, rodzaje i przykłady

Kwasy nukleinowe reprezentują jedną z czterech głównych kategorii biomolekuły, które są substancjami tworzącymi komórki. Pozostałe to białka, węglowodany i lipidy (lub tłuszcze).

Kwasy nukleinowe, w tym DNA (kwas dezoksyrybonukleinowy) i RNA (kwas rybonukleinowy), różnią się od pozostałych trzech biocząsteczek tym, że nie mogą być metabolizowane w celu dostarczenia energii do organizmu macierzystego.

(Dlatego nie widzisz „kwasu nukleinowego” na etykietach z informacjami o wartości odżywczej.)

Funkcją DNA i RNA jest przechowywanie informacji genetycznej. Kompletną kopię twojego własnego DNA można znaleźć w jądrze prawie każdej komórki w twoim ciele, tworząc tę ​​agregację DNA – zwaną chromosomy w tym kontekście – raczej jak dysk twardy laptopa.

W tym schemacie długość RNA rodzaju zwanego posłańca RNA zawiera zakodowane instrukcje tylko dla jednego produktu białkowego (tj. zawiera jeden gen) i dlatego jest bardziej jak „napęd kciuka” zawierający jeden ważny plik.

DNA i RNA są bardzo blisko spokrewnione. Pojedyncze podstawienie atomu wodoru (–H) w DNA na grupę hydroksylową (–OH) przyłączoną do odpowiedni atom węgla w RNA odpowiada za całą chemiczną i strukturalną różnicę między nimi kwasy nukleinowe.

Jak jednak zobaczysz, jak to często bywa w chemii, to, co wydaje się drobną różnicą na poziomie atomowym, ma oczywiste i głębokie konsekwencje praktyczne.

Kwasy nukleinowe składają się z nukleotydów, które są substancjami, które same składają się z trzech odrębnych grup chemicznych: a cukier pentozowy, od jednego do trzech grupy fosforanowe i zasada azotowa.

Cukier pentozowy w RNA to ryboza, podczas gdy ten w DNA to dezoksyryboza. Również w kwasach nukleinowych nukleotydy mają tylko jedną grupę fosforanową. Jednym z przykładów dobrze znanego nukleotydu, który zawiera wiele grup fosforanowych, jest: ATPlub trifosforan adenozyny. ADP (adenozynodifosforan) uczestniczy w wielu z tych samych procesów, co ATP.

Pojedyncze cząsteczki DNA mogą być niezwykle długo i może rozciągać się na długość całego chromosomu. Cząsteczki RNA mają znacznie bardziej ograniczony rozmiar niż cząsteczki DNA, ale nadal kwalifikują się jako makrocząsteczki.

Ryboza (cukier RNA) ma pięcioatomowy pierścień, który zawiera cztery z pięciu atomów węgla w cukrze. Trzy pozostałe są zajęte przez grupy hydroksylowe (–OH), jedną przez atom wodoru i jedną przez grupę hydroksymetylową (–CH2OH).

Jedyna różnica w dezoksyryboza (cukier DNA) jest to, że jedna z trzech grup hydroksylowych (ta w pozycji 2-węglowej) zniknęła i została zastąpiona atomem wodoru.

Ponadto, chociaż zarówno DNA, jak i RNA zawierają nukleotydy z jedną z czterech możliwych zasad azotowych, różnią się one nieznacznie między tymi dwoma kwasami nukleinowymi. DNA zawiera adeninę (A), cytozynę (C), guaninę (G) i tyminę. podczas gdy RNA ma A, C i G ale uracyl (U) w miejsce tyminy.

Większość różnic funkcjonalnych między DNA i RNA dotyczy ich znacznie odmiennych ról w komórkach. DNA to miejsce, w którym przechowywany jest kod genetyczny do życia – nie tylko reprodukcji, ale codziennych czynności życiowych.

RNA, a przynajmniej mRNA, odpowiada za zbieranie tych samych informacji i dostarczanie ich do rybosomów poza jądrem, gdzie budowane są białka, które umożliwiają przeprowadzanie wyżej wymienionych procesów metabolicznych zajęcia.

Sekwencja zasad kwasu nukleinowego jest miejscem, w którym przenoszone są jego specyficzne wiadomości, a azotowy można zatem powiedzieć, że podstawy są ostatecznie odpowiedzialne za różnice między zwierzętami tego samego gatunku – to jest, różne przejawy tej samej cechy (np. kolor oczu, wzór włosów na ciele).

Dwie z zasad w kwasach nukleinowych (A i G) to puryny, a dwie (C i T w DNA; C i U w RNA) to pirymidyny. Cząsteczki puryn zawierają dwa skondensowane pierścienie, podczas gdy pirymidyny mają tylko jeden i są ogólnie mniejsze. Jak wkrótce się dowiesz, cząsteczka DNA to dwuniciowy z powodu wiązania między nukleotydy w sąsiednich pasmach.

Zasada purynowa może wiązać się tylko z zasadą pirymidynową, ponieważ dwie puryny zajęłyby zbyt dużo miejsca między nitkami a dwiema pirymidynami za mało, a kombinacja puryna-pirymidyna jest w sam raz rozmiar.

Ale w rzeczywistości rzeczy są ściślej kontrolowane niż to: w kwasach nukleinowych ZAobligacje tylko doT (lubU w RNA), podczas gdy C wiąże się tylko z G.

Pełny opis cząsteczki DNA jako spirala dwuniciowa w 1953 przez Jamesa Watsona i Francisa Cricka ostatecznie przyznano duetowi Nagrodę Nobla, chociaż praca z dyfrakcji rentgenowskiej Rosalind Franklin w latach prowadzących do tego osiągnięcia odegrała kluczową rolę w sukcesie pary i często jest niedoceniana w książki historyczne.

W naturze, DNA istnieje jako helisa ponieważ jest to najbardziej korzystna energetycznie forma dla określonego zestawu cząsteczek, które zawiera.

Łańcuchy boczne, zasady i inne części cząsteczki DNA doświadczają odpowiedniego połączenia elektrochemicznych przyciągań i elektrochemii odpychanie tak, aby cząsteczka była jak najbardziej „komfortowa” w kształcie dwóch spiral, lekko przesuniętych względem siebie, niczym spleciona spirala schody.

Nici DNA składają się z naprzemiennych grup fosforanowych i reszt cukrowych, z zasadami azotowymi przyłączonymi do innej części części cukrowej. Nić DNA lub RNA wydłuża się dzięki wiązaniom wodorowym utworzonym między grupą fosforanową jednego nukleotydu a resztą cukrową drugiego.

W szczególności przyłączony jest fosforan przy węglu numer 5 (często zapisywany jako 5') przychodzącego nukleotydu w miejsce grupy hydroksylowej na węglu numer 3 (lub 3') rosnącego polinukleotydu (mały nukleinowy kwas). Jest to znane jako wiązanie fosfodiestrowe.

Tymczasem wszystkie nukleotydy z zasadami A są ustawione w linii z nukleotydami z zasadami T w DNA i nukleotydami z zasadami U w RNA; C par jednoznacznie z G w obu.

Mówi się, że dwie nici cząsteczki DNA to: uzupełniający do siebie, ponieważ sekwencja zasad jednego może być określona przy użyciu sekwencji zasad drugiego dzięki prostemu schematowi parowania zasad obserwowane cząsteczki kwasu nukleinowego.

Jak zauważono, RNA jest niezwykle podobny do DNA na poziomie chemicznym, z tylko jedną zasadą azotową spośród czterech różniących się i pojedynczym „dodatkowym” atomem tlenu w cukrze RNA. Oczywiście te pozornie błahe różnice są wystarczające, aby zapewnić zasadniczo odmienne zachowanie między biocząsteczkami.

Warto zauważyć, że RNA to jednoniciowy. Oznacza to, że nie zobaczysz terminu „nić komplementarna” użytego w kontekście tego kwasu nukleinowego. Różne części tej samej nici RNA mogą jednak oddziaływać ze sobą, co oznacza, że ​​kształt RNA w rzeczywistości różni się bardziej niż kształt DNA (niezmiennie podwójna helisa). W związku z tym istnieje wiele różnych typów RNA.

• mRNARNA, czyli informacyjny RNA, wykorzystuje komplementarne parowanie zasad do przenoszenia wiadomości przekazywanej przez DNA podczas transkrypcji do rybosomów, gdzie ta wiadomość jest tłumaczona na syntezę białek. Transkrypcja została szczegółowo opisana poniżej.
• rRNA, czyli rybosomalny RNA, stanowi znaczną część masy rybosomów, struktur w komórkach odpowiedzialnych za syntezę białek. Pozostała część masy rybosomów składa się z białek.
• tRNARNA, czyli transferowy RNA, odgrywa kluczową rolę w translacji poprzez przemieszczanie aminokwasów przeznaczonych dla rosnącego łańcucha polipeptydowego do miejsca, w którym składają się białka. W przyrodzie występuje 20 aminokwasów, każdy z własnym tRNA.
  

Wyobraź sobie, że jesteś prezentowany z nicią kwasu nukleinowego o sekwencji zasad AAATCGGCATTA. Na podstawie samych tych informacji powinieneś być w stanie szybko dojść do dwóch rzeczy.

Po pierwsze, że jest to DNA, a nie RNA, na co wskazuje obecność tyminy (T). Drugą rzeczą, którą możesz powiedzieć, jest to, że komplementarna nić tej cząsteczki DNA ma sekwencję zasad TTTAGCCGTAAT.

Możesz również być pewien, że nić mRNA powstałaby z tej nici DNA poddanej transkrypcji RNA. Miałoby to samo sekwencja zasad jak komplementarna nić DNA, przy czym wszelkie przypadki tyminy (T) zostały zastąpione uracylem (U).

Dzieje się tak, ponieważ replikacja DNA i transkrypcja RNA działają podobnie, ponieważ nić wykonana z nici matrycy jest nie duplikat tego pasma, ale jego uzupełnienie lub odpowiednik w RNA.

Aby cząsteczka DNA mogła wykonać swoją kopię, dwie nici podwójnej helisy muszą się rozdzielić w pobliżu kopiowania. Dzieje się tak dlatego, że każda nić jest kopiowana (replikowana) oddzielnie, a enzymy i inne cząsteczki biorące udział w replikacja DNA potrzebują miejsca do interakcji, czego nie zapewnia podwójna helisa. W ten sposób dwie nici zostają fizycznie rozdzielone, a DNA ma być zdenaturowany.

Każda oddzielona nić DNA tworzy nową nić komplementarną do siebie i pozostaje z nią związana. Tak więc w pewnym sensie nic nie różni się w każdej nowej dwuniciowej cząsteczce od jej rodzica. Chemicznie mają have ten sam skład cząsteczkowy. Ale jedna z nici w każdej podwójnej helisie jest zupełnie nowa, podczas gdy druga pozostała z samej replikacji.

Kiedy replikacja DNA zachodzi jednocześnie wzdłuż oddzielonych komplementarnych nici, synteza nowych nici w rzeczywistości zachodzi w przeciwnych kierunkach. Z jednej strony nowa nić po prostu rośnie w kierunku „rozpakowanego” DNA, gdy jest denaturowane.

Z drugiej jednak strony syntetyzowane są małe fragmenty nowego DNA z dala od kierunku separacji pasm. Są to tak zwane fragmenty Okazaki, które po osiągnięciu określonej długości są łączone przez enzymy. Te dwie nowe nici DNA to antyrównoległy do siebie.

Transkrypcja RNA jest podobny do replikacji DNA pod tym względem, że do jej rozpoczęcia wymagane jest sparowanie nici DNA. mRNA powstaje wzdłuż matrycy DNA przez kolejne dodawanie nukleotydów RNA przez enzym polimerazę RNA.

Ten początkowy transkrypt RNA utworzony z DNA tworzy to, co nazywamy pre-mRNA. Ta nić pre-mRNA zawiera oba: introny i egzony. Introny i egzony to sekcje w obrębie DNA/RNA, które albo kodują, albo nie kodują części produktu genu.

Introny są sekcjami niekodującymi (zwanymi również „interferowanie sekcji"), podczas gdy egzony są sekcjami kodującymi (zwanymi również "dawnyprasowane sekcje").

Zanim ta nić mRNA opuści jądro, aby przekształcić się w białko, enzymy w jądrze wycinają introny, ponieważ nie kodują niczego w tym konkretnym genie. Enzymy następnie łączą pozostałe sekwencje intronów, aby uzyskać ostateczną nić mRNA.

Jedna nić mRNA zwykle zawiera dokładnie sekwencję zasad niezbędną do złożenia jednego unikalnego białka w dół w tłumaczenie proces, co oznacza, że ​​jedna cząsteczka mRNA zazwyczaj niesie informacje dla jednej gen. Gen to sekwencja DNA, która koduje określony produkt białkowy.

Po zakończeniu transkrypcji nić mRNA jest eksportowana z jądra przez pory w otoczce jądrowej. (Cząsteczki RNA są zbyt duże, aby po prostu dyfundować przez błonę jądrową, podobnie jak woda i inne małe cząsteczki). Następnie „dokuje” z rybosomy w cytoplazmie lub w niektórych organellach oraz synteza białek jest zainicjowany.

Kwasy nukleinowe nie mogą być metabolizowane na paliwo, ale mogą być tworzone z bardzo małych cząsteczek lub rozkładane z pełnej formy na bardzo małe części. Nukleotydy są syntetyzowane w reakcjach anabolicznych, często z nukleozydów, które są nukleotydami bez grup fosforanowych (tj. nukleozyd to cukier rybozy plus zasada azotowa).

DNA i RNA mogą również ulec degradacji: od nukleotydów do nukleozydów, następnie do zasad azotowych i ostatecznie do kwasu moczowego.

Rozkład kwasów nukleinowych jest ważny dla ogólny stan zdrowia. Na przykład, niezdolność do rozkładania puryn wiąże się z dną moczanową, bolesną chorobą dotykającą niektóre stawy z powodu złogów kryształów moczanów w tych miejscach.