Ważne kwasy nukleinowe występujące w naturze obejmują kwas dezoksyrybonukleinowy lub DNA i kwas rybonukleinowy lub RNA. Nazywa się je kwasami, ponieważ są dawcami protonów (tj. atomów wodoru), a zatem mają ładunek ujemny.
Z chemicznego punktu widzenia DNA i RNA są polimerami, co oznacza, że składają się z powtarzających się jednostek, często bardzo dużej ich liczby. Jednostki te nazywają się nukleotydy. Wszystkie nukleotydy z kolei zawierają trzy odrębne części chemiczne: cukier pentozowy, grupę fosforanową i zasadę azotową.
DNA różni się od RNA na trzy podstawowe sposoby. Jednym z nich jest to, że cukier, który tworzy strukturalny „szkielet” cząsteczki kwasu nukleinowego, to dezoksyryboza, podczas gdy w RNA jest to ryboza. Jeśli jesteś w ogóle zaznajomiony z nomenklaturą chemiczną, zauważysz, że jest to niewielka różnica w ogólnym schemacie strukturalnym; ryboza ma cztery grupy hydroksylowe (-OH), podczas gdy deoksyryboza ma trzy.
Druga różnica polega na tym, że podczas gdy jedną z czterech zasad azotowych występujących w DNA jest tymina, odpowiadającą jej zasadą w RNA jest uracyl. Zasady azotowe kwasów nukleinowych decydują o ich ostatecznych cechach cząsteczki, ponieważ części fosforanowe i cukrowe nie różnią się w obrębie lub między cząsteczkami taki sam typ.
Wreszcie DNA jest dwuniciowy, co oznacza, że składa się z dwóch długich łańcuchów nukleotydów związanych chemicznie przez dwie zasady azotowe. DNA jest zwinięte w kształt „podwójnej helisy”, jak elastyczna drabina skręcona w przeciwnych kierunkach na obu końcach.
Ogólna charakterystyka DNA
Deoksyryboza składa się z pięcioatomowego pierścienia, czterech węgli i tlenu, w kształcie pięciokąta lub być może płyty domowej w baseballu. Ponieważ węgiel tworzy cztery wiązania, a tlen dwa, pozostawia osiem wolnych miejsc wiązania na czterech atomach węgla, po dwa na węgiel, jedno powyżej i jedno poniżej pierścienia. Trzy z tych miejsc są zajęte przez grupy hydroksylowe (-OH), a pięć jest zajętych przez atomy wodoru.
Ta cząsteczka cukru może wiązać się z jedną z czterech zasad azotowych: adeniną, cytozyną, guaniną i tyminą. Adenina (A) i guanina (G) to puryny, natomiast cytozyna (C) i tymina (T) to pirymidyny. Puryny są większymi cząsteczkami niż pirymidyny; ponieważ dwie nici każdej kompletnej cząsteczki DNA są związane w środku przez swoje zasady azotowe, wiązania te musi tworzyć się między jedną puryną a jedną pirymidyną, aby z grubsza utrzymać całkowity rozmiar dwóch zasad w cząsteczce stały. (Pomaga odniesienie się do dowolnego schematu kwasów nukleinowych podczas czytania, takiego jak te w Odniesieniach.) Tak się składa, że A wiąże się wyłącznie z T w DNA, podczas gdy C wiąże się wyłącznie z G.
Deoksyryboza związana z zasadą azotową nazywa się a nukleozyd. Gdy grupa fosforanowa jest dodawana do dezoksyrybozy przy węglu dwa miejsca od miejsca przyłączenia zasady, tworzy się kompletny nukleotyd. Osobliwością odpowiednich ładunków elektrochemicznych na różnych atomach w nukleotydach są odpowiedzialny za dwuniciowe DNA tworzące naturalnie helikalny kształt oraz dwie nici DNA w cząsteczce są nazywane uzupełniające się wątki.
Ogólna charakterystyka RNA
Cukier pentozowy w RNA to raczej ryboza niż dezoksyryboza. Ryboza jest identyczna z dezoksyrybozą, z tym wyjątkiem, że struktura pierścienia jest związana z czterema grupami hydroksylowymi (-OH) i czterema atomami wodoru zamiast odpowiednio trzech i pięciu. Część rybozy nukleotydu jest związana z grupą fosforanową i zasadą azotową, tak jak w przypadku DNA, z naprzemiennymi fosforanami i cukry tworzące „szkielet” RNA. Zasady, jak wspomniano powyżej, obejmują A, C i G, ale drugą pirymidyną w RNA jest raczej uracyl (U). niż T.
Podczas gdy DNA zajmuje się tylko przechowywaniem informacji (gen to po prostu nić DNA, która koduje pojedyncze białko), różne typy RNA przyjmują różne funkcje. Komunikator RNA lub mRNA powstaje z DNA, gdy zwykle dwuniciowy DNA dzieli się na dwie pojedyncze nici w celu transkrypcji. Powstałe mRNA ostatecznie trafia do części komórek, w których zachodzi produkcja białka, niosąc instrukcje dotyczące tego procesu dostarczane przez DNA. Drugi rodzaj RNA, transferowy RNA (tRNA), bierze udział w produkcji białek. Dzieje się tak na organellach komórkowych zwanych rybosomami, a same rybosomy składają się głównie z trzeciego typu RNA zwanego, trafnie, rybosomalnym RNA (rRNA).
Zasady azotowe
Pięć zasad azotowych – adenina (A), cytozyna (C), guanina (G) i tymina (T) w DNA oraz pierwsze trzy plus uracyl (U) w RNA – to części kwasów nukleinowych, które są ostatecznie odpowiedzialne za różnorodność produktów genów w organizmach żyjących rzeczy. Części cukrowe i fosforanowe są niezbędne, ponieważ zapewniają strukturę i rusztowanie, ale kody są generowane przez podstawy. Jeśli myślisz o laptopie jako o kwasie nukleinowym lub przynajmniej ciągu nukleotydów, sprzęt (np. napędy dysków, monitor ekran, mikroprocesor) jest analogiczny do cukrów i fosforanów, podczas gdy jakiekolwiek oprogramowanie i aplikacje, z których korzystasz, są jak azot baz, ponieważ unikalny asortyment programów, które załadowałeś do swojego systemu, sprawia, że Twój komputer jest jedyny w swoim rodzaju "organizm."
Jak opisano wcześniej, zasady azotowe są klasyfikowane jako puryny (A i G) lub pirymidyny (C, T i U). A zawsze paruje w nici DNA z T, a C zawsze paruje z G. Co ważne, gdy nić DNA jest używana jako matryca do syntezy RNA (transkrypcji), w każdym punkcie wzdłuż rosnącej cząsteczki RNA, nukleotyd RNA, który jest tworzony z „rodzicielskiego” nukleotydu DNA zawiera zasadę, która jest tą, którą „rodzicielska” zasada zawsze wiąże do. Zostało to omówione w dalszej części.
Puryny składają się z sześcioczłonowego pierścienia azotowo-węglowego i pięcioczłonowego pierścienia azotowo-węglowego, jak sześciokąt i pięciokąt, które mają wspólny bok. Synteza puryn obejmuje chemiczne podkręcanie cukru rybozy, a następnie dodanie amin (-NH2) grupy. Pirymidyny mają również sześcioczłonowy pierścień azotowo-węglowy, jak puryny, ale nie mają pięcioczłonowego pierścienia azotowo-węglowego puryn. Puryny mają zatem większą masę cząsteczkową niż pirymidyny.
Synteza nukleotydów zawierających pirymidyny i synteza nukleotydów zawierających puryny przebiega w odwrotnej kolejności w jednym kluczowym etapie. W pirymidynach część zasadowa jest składana jako pierwsza, a reszta cząsteczki jest później modyfikowana w nukleotyd. W purynach część, która ostatecznie staje się adeniną lub guaniną, jest modyfikowana pod koniec tworzenia nukleotydów.
Transkrypcja i tłumaczenie
Transkrypcja to tworzenie nici mRNA z matrycy DNA, niosącej te same instrukcje (tj. kod genetyczny) do tworzenia konkretnego białka, co matryca. Proces zachodzi w jądrze komórkowym, gdzie znajduje się DNA. Kiedy dwuniciowa cząsteczka DNA rozdziela się na pojedyncze nici i postępuje transkrypcja, mRNA generowany z jednego nić „rozpakowanej” pary DNA jest identyczna z DNA drugiej nici rozpakowanego DNA, z tym wyjątkiem, że mRNA zawiera U zamiast T. (Ponownie, przydatne jest odwoływanie się do diagramu; patrz odnośniki.) Po zakończeniu mRNA opuszcza jądro przez pory w błonie jądrowej. Po opuszczeniu jądra mRNA przyłącza się do rybosomu.
Enzymy przyłączają się następnie do kompleksu rybosomalnego i pomagają w procesie translacji. Translacja to przekształcenie instrukcji mRNA w białka. Dzieje się tak, gdy aminokwasy, podjednostki białek, są generowane z trzynukleotydowych „kodonów” na nici mRNA. Proces ten obejmuje również rRNA (ponieważ translacja zachodzi na rybosomach) i tRNA (który pomaga w montażu aminokwasów).
Od nici DNA do chromosomów
Nici DNA łączą się w podwójną helisę dzięki zbiegowi powiązanych czynników. Jednym z nich są wiązania wodorowe, które naturalnie układają się w różnych częściach cząsteczki. Gdy tworzy się helisa, pary wiążące zasad azotowych są prostopadłe do osi podwójnej helisy jako całości. Każdy pełny obrót zawiera łącznie około 10 par związanych zasada-zasada. To, co można by nazwać „bokami” DNA, gdy zostało ułożone jako „drabina”, teraz nazywa się „łańcuchami” podwójnej helisy. Składają się one prawie wyłącznie z części rybozy i fosforanu nukleotydów, z zasadami znajdującymi się wewnątrz. Mówi się, że helisa ma zarówno duże, jak i mniejsze rowki, które określają jej ostatecznie stabilny kształt.
Chociaż chromosomy można opisać jako bardzo długie nici DNA, jest to duże uproszczenie. Prawdą jest, że dany chromosom mógłby teoretycznie zostać rozwinięty, aby ujawnić pojedynczą nieprzerwaną cząsteczkę DNA, ale to nie wskazuje na skomplikowane zwijanie się, nawijanie i grupowanie, które DNA robi w drodze do utworzenia a chromosom. Jeden chromosom zawiera miliony par zasad DNA, a gdyby cały DNA został rozciągnięty bez przerwania helisy, jego długość wzrosłaby od kilku milimetrów do ponad centymetra. W rzeczywistości DNA jest znacznie bardziej skondensowane. Białka zwane histonami tworzą cztery pary podjednostek białek (w sumie osiem podjednostek). Ten oktamer służy jako rodzaj szpuli dla podwójnej helisy DNA, która owija się dwukrotnie, jak nić. Ta struktura, oktamer plus owinięte wokół niej DNA, nazywana jest nukleosomem. Kiedy chromosom jest częściowo rozwinięty w nić zwaną chromatydą, te nukleosomy pojawiają się pod mikroskopem jako kulki na sznurku. Jednak powyżej poziomu nukleosomów następuje dalsza kompresja materiału genetycznego, choć dokładny mechanizm pozostaje nieuchwytny.
Kwasy nukleinowe i pojawienie się życia
Uwzględniane są DNA, RNA i białka biopolimery ponieważ są to powtarzające się sekwencje informacji i aminokwasów, które są związane z żywymi istotami ("bio"oznacza "życie"). Biolodzy molekularni uznają dziś, że DNA i RNA w jakiejś formie poprzedzają pojawienie się życia Ziemia, ale od 2018 roku nikt nie wymyślił drogi od wczesnych biopolimerów do prostego życia rzeczy. Niektórzy wysunęli teorię, że RNA w jakiejś formie było pierwotnym źródłem wszystkich tych rzeczy, w tym DNA. To jest „hipoteza świata RNA”. Przedstawia to jednak rodzaj scenariusza kurczaka i jajka dla biologów, ponieważ pozornie wystarczająco duże cząsteczki RNA nie mogły powstać w żaden inny sposób niż transkrypcja. W każdym razie naukowcy z rosnącym zapałem badają obecnie RNA jako cel dla pierwszej samoreplikującej się cząsteczki.
Terapie medyczne
Substancje chemiczne, które naśladują składniki kwasów nukleinowych, są dziś używane jako leki, a dalsze prace w tej dziedzinie są w toku. Na przykład, nieznacznie zmodyfikowana forma uracylu, 5-fluorouracyl (5-FU), była stosowana od dziesięcioleci w leczeniu raka okrężnicy. Czyni to poprzez naśladowanie prawdziwej zasady azotowej na tyle ściśle, że zostaje wstawiona do nowo wytworzonego DNA. To ostatecznie prowadzi do załamania syntezy białek.
W terapiach przeciwbakteryjnych i przeciwwirusowych stosowano imitatory nukleozydów (które, jak pamiętasz, są cukrem rybozowym i bazą azotową). Czasami to podstawowa część nukleozydu ulega modyfikacji, a innym razem lek jest ukierunkowany na część cukrową.