Характеристики нуклеиновых кислот

Важные в природе нуклеиновые кислоты включают дезоксирибонуклеиновую кислоту или ДНК и рибонуклеиновую кислоту или РНК. Их называют кислотами, потому что они являются донорами протонов (т. Е. Атома водорода) и поэтому несут отрицательный заряд.

Химически ДНК и РНК представляют собой полимеры, что означает, что они состоят из повторяющихся единиц, часто очень большого количества из них. Эти единицы называются нуклеотиды. Все нуклеотиды, в свою очередь, включают три различных химических части: пентозный сахар, фосфатную группу и азотистое основание.

ДНК отличается от РНК по трем основным причинам. Во-первых, сахар, составляющий структурный «каркас» молекулы нуклеиновой кислоты, представляет собой дезоксирибозу, тогда как в РНК это рибоза. Если вы хоть немного знакомы с химической номенклатурой, вы поймете, что это небольшое различие в общей структурной схеме; рибоза имеет четыре гидроксильные (-ОН) группы, а дезоксирибоза - три.

Второе отличие состоит в том, что в то время как одно из четырех азотистых оснований, обнаруженных в ДНК, является тимином, соответствующее основание в РНК - урацил. Азотистые основания нуклеиновых кислот определяют их окончательные характеристики. молекул, потому что доли фосфата и сахара не меняются внутри или между молекулами того же типа.

Наконец, ДНК двухцепочечная, что означает, что она состоит из двух длинных цепочек нуклеотидов, химически связанных двумя азотистыми основаниями. ДНК свернута в форму «двойной спирали», похожей на гибкую лестницу, скрученную в противоположных направлениях с обоих концов.

Дезоксирибоза состоит из пятиатомного кольца, четырех атомов углерода и кислорода, имеющего форму пятиугольника или, возможно, домашней пластины в бейсболе. Поскольку углерод образует четыре связи, а кислород - две, это оставляет восемь мест связывания на четырех атомах углерода, по два на углерод, один выше и один ниже кольца. Три из этих пятен заняты гидроксильными (-ОН) группами, а пять - атомами водорода.

Эта молекула сахара может связываться с одним из четырех азотистых оснований: аденином, цитозином, гуанином и тимином. Аденин (A) и гуанин (G) - пурины, а цитозин (C) и тимин (T) - пиримидины. Пурины - более крупные молекулы, чем пиримидины; поскольку две цепи любой полной молекулы ДНК связаны в середине своими азотистыми основаниями, эти связи должны образовываться между одним пурином и одним пиримидином, чтобы общий размер двух оснований в молекуле был примерно постоянный. (Это помогает ссылаться на любую диаграмму нуклеиновых кислот при чтении, например, в Справочных материалах.) Как это происходит, A связывается исключительно с T в ДНК, в то время как C связывается исключительно с G.

Дезоксирибоза, связанная с азотистым основанием, называется нуклеозид. Когда фосфатная группа добавляется к дезоксирибозе в двух точках углерода от места присоединения основания, образуется полный нуклеотид. Особенности соответствующих электрохимических зарядов на различных атомах в нуклеотидах следующие: отвечает за двухцепочечную ДНК, естественно образующую спиральную форму, и две цепи ДНК в молекуле называются дополнительные пряди.

Пентозный сахар в РНК представляет собой скорее рибозу, чем дезоксирибозу. Рибоза идентична дезоксирибозе, за исключением того, что кольцевая структура связана с четырьмя гидроксильными (-ОН) группами и четырьмя атомами водорода вместо трех и пяти соответственно. Рибозная часть нуклеотида связана с фосфатной группой и азотистым основанием, как и в ДНК, с чередующимися фосфатами и сахара, образующие «основу» РНК. Основания, как указано выше, включают A, C и G, но вторым пиримидином в РНК является урацил (U), а не чем Т.

В то время как ДНК занимается только хранением информации (ген - это просто цепь ДНК, которая кодирует один белок), разные типы РНК выполняют разные функции. Информационная РНК, или мРНК, образуется из ДНК, когда обычно двухцепочечная ДНК расщепляется на две одиночные цепи с целью транскрипции. Полученная мРНК в конечном итоге попадает в те части клеток, где происходит производство белка, неся инструкции для этого процесса, доставляемые ДНК. Второй тип РНК, транспортная РНК (тРНК), принимает участие в производстве белков. Это происходит на клеточных органеллах, называемых рибосомами, а сами рибосомы состоят в основном из третьего типа РНК, который называется рибосомальной РНК (рРНК).

Пять азотистых оснований - аденин (A), цитозин (C), гуанин (G) и тимин (T) в ДНК и первые три плюс урацил (U) в РНК - это части нуклеиновых кислот, которые в конечном итоге отвечают за разнообразие генных продуктов в живых вещи. Части сахара и фосфата важны, поскольку они обеспечивают структуру и основу, но основы - это то место, где генерируются коды. Если вы думаете о своем портативном компьютере как о нуклеиновой кислоте или, по крайней мере, о цепочке нуцелотидов, аппаратное обеспечение (например, дисководы, монитор экран, микропроцессор) аналогичен сахару и фосфату, тогда как любое программное обеспечение и приложения, которые вы запускаете, похожи на азотистые баз, потому что уникальный набор программ, которые вы загрузили в свою систему, эффективно делает ваш компьютер уникальным "организм."

Как описано ранее, азотистые основания подразделяются на пурины (A и G) или пиримидины (C, T и U). A всегда соединяется в цепи ДНК с T, а C всегда соединяется с G. Важно отметить, что когда цепь ДНК используется в качестве матрицы для синтеза (транскрипции) РНК, в каждой точке растущей молекулы РНК, нуклеотид РНК, созданный из «родительского» нуклеотида ДНК, включает в себя основание, которое всегда связывает «родительское» основание к. Это рассматривается в следующем разделе.

Пурины состоят из шестичленного азотно-углеродного кольца и пятичленного азотно-углеродного кольца, такого как шестиугольник и пятиугольник, которые имеют общую сторону. Синтез пурина включает химическую настройку сахара рибозы с последующим добавлением амино (-NH₂) группы. Пиримидины также имеют шестичленное азотно-углеродное кольцо, как пурины, но не имеют пятичленного азотно-углеродного кольца пуринов. Следовательно, пурины имеют более высокую молекулярную массу, чем пиримидины.

Синтез нуклеотидов, содержащих пиримидины, и синтез нуклеотидов, содержащих пурины, происходят в противоположном порядке на одном решающем этапе. В пиримидинах сначала собирается основная часть, а позже остальная часть молекулы модифицируется в нуклеотид. В пуринах часть, которая в конечном итоге становится аденином или гуанином, модифицируется к концу образования нуклеотидов.

Транскрипция - это создание цепи мРНК из матрицы ДНК, несущей те же инструкции (т. Е. Генетический код) для создания определенного белка, что и матрица. Процесс происходит в ядре клетки, где расположена ДНК. Когда двухцепочечная молекула ДНК разделяется на одноцепочечные и продолжается транскрипция, мРНК, генерируемая из одной цепь "распакованной" пары ДНК идентична ДНК другой цепи распакованной ДНК, за исключением того, что мРНК содержит U вместо Т. (Опять же, полезно обратиться к диаграмме; см. Ссылки.) После завершения мРНК покидает ядро ​​через поры в ядерной мембране. После того, как мРНК покидает ядро, она прикрепляется к рибосоме.

Затем ферменты присоединяются к рибосомному комплексу и помогают в процессе трансляции. Трансляция - это преобразование инструкции мРНК в белки. Это происходит, когда аминокислоты, субъединицы белков, генерируются из трехнуклеотидных «кодонов» на цепи мРНК. В этом процессе также участвует рРНК (поскольку трансляция происходит на рибсомах) и тРНК (которая помогает собирать аминокислоты).

Нити ДНК собираются в двойную спираль из-за стечения родственных факторов. Одна из них - водородные связи, которые естественным образом встают на свои места в разных частях молекулы. По мере формирования спирали связывающие пары азотистых оснований перпендикулярны оси двойной спирали в целом. Каждый полный оборот включает в себя в общей сложности около 10 пар соединения основание-основание. То, что можно было бы назвать «сторонами» ДНК, если расположить ее в виде «лестницы», теперь называют «цепями» двойной спирали. Они почти полностью состоят из рибозной и фосфатной частей нуклеотидов, причем основания находятся внутри. Говорят, что спираль имеет как большие, так и второстепенные канавки, которые определяют ее в конечном итоге стабильную форму.

Хотя хромосомы можно описать как очень длинные цепи ДНК, это грубое упрощение. Верно, что данная хромосома теоретически может быть раскручена, чтобы выявить единственную непрерывную молекулу ДНК, но это не указывает на сложную намотку, намотку и кластеризацию, которые ДНК делает на пути к формированию хромосома. Одна хромосома содержит миллионы пар оснований ДНК, и если бы всю ДНК растянуть без разрыва спирали, ее длина увеличилась бы от нескольких миллиметров до более сантиметра. На самом деле ДНК гораздо более сжатая. Белки, называемые гистонами, образуются из четырех пар субъединичных белков (всего восемь субъединиц). Этот октамер служит своеобразной катушкой для двойной спирали ДНК, которая дважды оборачивается вокруг себя, как нить. Эта структура, октамер плюс ДНК, обернутая вокруг него, называется нуклеосомой. Когда хромосома частично разматывается в нить, называемую хроматидой, эти нуклеосомы при микроскопии выглядят как бусинки на нити. Но выше уровня нуклеосом происходит дальнейшее сжатие генетического материала, хотя точный механизм остается неуловимым.

Считаются ДНК, РНК и белки биополимеры потому что они представляют собой повторяющиеся последовательности информации и аминокислот, которые связаны с живыми существами («био» означает «жизнь»). Сегодня молекулярные биологи признают, что ДНК и РНК в той или иной форме предшествовали возникновению жизни на Земля, но по состоянию на 2018 год никто не выяснил, как от ранних биополимеров к простой жизни. вещи. Некоторые предполагают, что РНК в той или иной форме была изначальным источником всего этого, включая ДНК. Это «гипотеза мира РНК». Однако это представляет собой своего рода сценарий курицы и яйца для биологов. потому что достаточно большие молекулы РНК, казалось бы, не могли возникнуть никаким другим способом, кроме транскрипция. В любом случае ученые с возрастающим рвением в настоящее время исследуют РНК как мишень для первой самовоспроизводящейся молекулы.

Химические вещества, имитирующие составные части нуклеиновых кислот, сегодня используются в качестве лекарств, и в этой области ведутся дальнейшие разработки. Например, слегка модифицированная форма урацила, 5-фторурацил (5-FU), десятилетиями использовалась для лечения рака толстой кишки. Он делает это, достаточно точно имитируя истинное азотистое основание, чтобы оно могло быть вставлено во вновь созданную ДНК. В конечном итоге это приводит к нарушению синтеза белка.

Имитаторы нуклеозидов (которые, как вы помните, представляют собой сахар рибозы и азотистое основание) использовались в антибактериальной и противовирусной терапии. Иногда модифицируется основная часть нуклеозида, а иногда лекарство нацелено на сахарную часть.