Nukleové kyseliny: štruktúra, funkcia, typy a príklady

Nukleové kyseliny predstavuje jednu zo štyroch hlavných kategórií biomolekuly, čo sú látky tvoriace bunky. Ostatné sú bielkoviny, sacharidy a lipidy (alebo tuky).

Nukleové kyseliny, ktoré zahŕňajú DNA (kyselina deoxyribonukleová) a RNA (kyselina ribonukleová), sa líšia od ostatných troch biomolekúl v tom, že ich nemožno metabolizovať, aby dodali energiu materskému organizmu.

(Preto na štítkoch s výživovými údajmi nevidíte výraz „nukleová kyselina“.)

Funkciou DNA a RNA je uchovávanie genetickej informácie. Úplnú kópiu vlastnej DNA nájdete v jadre takmer každej bunky v tele, vďaka čomu sa táto agregácia DNA - tzv. chromozómy v tejto súvislosti - skôr ako pevný disk prenosného počítača.

V tejto schéme je označená dĺžka RNA tohto druhu messenger RNA obsahuje kódované pokyny iba pre jeden proteínový produkt (t. j. obsahuje jediný gén), a preto pripomína skôr „jednotku flash“ obsahujúcu jeden dôležitý súbor.

DNA a RNA spolu veľmi úzko súvisia. Jednoduchá substitúcia atómu vodíka (–H) v DNA za hydroxylovú skupinu (–OH) pripojenú k zodpovedajúci atóm uhlíka v RNA predstavuje celý chemický a štrukturálny rozdiel medzi týmito dvoma atómami nukleové kyseliny.

Ako uvidíte, aj keď, ako sa to v chémii často stáva, to, čo sa javí ako malý rozdiel na atómovej úrovni, má zjavné a hlboké praktické dôsledky.

Nukleové kyseliny sú tvorené nukleotidmi, čo sú látky, ktoré samotné pozostávajú z troch odlišných chemických skupín: a pentózový cukor, jeden až tri fosfátové skupiny a a dusíkatá báza.

Pentózovým cukrom v RNA je ribóza, zatiaľ čo v DNA je deoxyribóza. Tiež v nukleových kyselinách majú nukleotidy iba jednu fosfátovú skupinu. Jedným z príkladov dobre známeho nukleotidu, ktorý sa môže pochváliť viacerými fosfátovými skupinami, je ATPalebo adenozíntrifosfát. ADP (adenozíndifosfát) sa podieľa na mnohých rovnakých procesoch ako ATP.

Jednotlivé molekuly DNA môžu byť mimoriadne dlho a môže sa rozprestierať po celú dĺžku celého chromozómu. Molekuly RNA majú oveľa menšiu veľkosť ako molekuly DNA, ale stále sa kvalifikujú ako makromolekuly.

Ribose (cukor RNA) má päťatómový kruh, ktorý obsahuje štyri z piatich uhlíkov v cukre. Tri z ďalších sú obsadené hydroxylovými (-OH) skupinami, jednou atómom vodíka a druhou hydroxymetylovou (-CH2OH) skupinou.

Jediný rozdiel v deoxyribóza (cukor DNA) je to, že jedna z troch hydroxylových skupín (tá v polohe 2-uhlík) je preč a je nahradená atómom vodíka.

Aj keď DNA aj RNA obsahujú nukleotidy s jednou zo štyroch možných dusíkatých báz, tieto sa medzi týmito dvoma nukleovými kyselinami mierne líšia. DNA obsahuje adenín (A), cytozín (C), guanín (G) a tymín. zatiaľ čo RNA má A, C a G ale uracil (U) namiesto tymínu.

Väčšina funkčných rozdielov medzi DNA a RNA súvisí s ich výrazne odlišnými úlohami v bunkách. DNA je miesto, kde je uložený genetický kód pre život - nielen reprodukcia, ale aj každodenné činnosti.

RNA alebo aspoň mRNA je zodpovedná za zhromažďovanie rovnakých informácií a ich prenos do ribozómov mimo jadra, kde sa vytvárajú proteíny, ktoré umožňujú vykonávanie vyššie spomenutých metabolických činnosti.

Základná sekvencia nukleovej kyseliny je tam, kde sa prenášajú jej špecifické správy, a je dusíkatá dá sa teda povedať, že základy sú v konečnom dôsledku zodpovedné za rozdiely u zvierat rovnakého druhu - to je, rôzne prejavy tej istej vlastnosti (napr. farba očí, vzor ochlpenia na tele).

Dve zo zásad v nukleových kyselinách (A a G) sú puríny, zatiaľ čo dve (C a T v DNA; C a U v RNA) sú pyrimidíny. Molekuly purínu obsahujú dva kondenzované kruhy, zatiaľ čo pyrimidíny majú iba jeden a sú všeobecne menšie. Ako sa čoskoro dozviete, molekula DNA je dvojvláknové z dôvodu väzby medzi nukleotidy v susedných prameňoch.

Purínová báza sa môže viazať iba s pyrimidínovou bázou, pretože dva puríny by zaberali príliš veľa miesta medzi vláknami a dvoma pyrimidínmi príliš málo, pričom kombinácia purín-pyrimidín je správna veľkosť.

Ale veci sú v skutočnosti prísnejšie kontrolované ako toto: V nukleových kyselinách Adlhopisy iba doT (aleboU v RNA), zatiaľ čo C sa viaže iba na G.

Kompletný popis molekuly DNA ako a dvojvláknová špirála v roku 1953 James Watson a Francis Crick nakoniec získali duo Nobelovu cenu, hoci röntgenová difrakčná práca Rosalind Franklinová v rokoch vedúcich k tomuto úspechu pomohla pri úspechu páru a je často podceňovaná historické knihy.

V prírode, DNA existuje ako špirála pretože toto je energeticky najpriaznivejšia forma pre konkrétnu sadu molekúl, ktorú obsahuje.

Bočné reťazce, bázy a ďalšie časti molekuly DNA majú správnu zmes elektrochemických atrakcií a elektrochemických látok odpudzovanie, takže molekula je „najpohodlnejšia“ v tvare dvoch špirál, mierne odsadených od seba, ako prepletená špirála schodištia.

Vlákna DNA pozostávajú zo striedajúcich sa fosfátových skupín a zvyškov cukru, s dusíkatými bázami pripojenými k inej časti cukrovej časti. Vlákno DNA alebo RNA sa predlžuje vďaka vodíkovým väzbám vytvoreným medzi fosfátovou skupinou jedného nukleotidu a zvyškom cukru nasledujúceho.

Konkrétne je pripojený fosfát na uhlíku číslo 5 (často napísaný ako 5 ') prichádzajúceho nukleotidu namiesto hydroxylovej skupiny na uhlíku číslo 3 (alebo 3 ') rastúceho polynukleotidu (malá nukleová kyselina). Toto sa nazýva a fosfodiesterová väzba.

Medzitým sú všetky nukleotidy s bázami A spojené s nukleotidmi s T bázami v DNA a nukleotidmi s U bázami v RNA; C sa spája jedinečne s G v oboch.

Hovorí sa, že sú to dva reťazce molekuly DNA doplnkové medzi sebou, pretože bázovú sekvenciu jedného možno určiť pomocou sekvencie báz druhého vďaka jednoduchej schéme párovania báz, ktorú pozorujú molekuly nukleovej kyseliny.

RNA, ako je uvedené, je mimoriadne podobná DNA na chemickej úrovni, pričom iba jedna dusíkatá báza je rozdielna medzi štyrmi a jeden „extra“ atóm kyslíka v cukre RNA. Je zrejmé, že tieto zdanlivo malicherné rozdiely sú dostatočné na zabezpečenie podstatne odlišného správania medzi biomolekulami.

Pozoruhodné je, že RNA je Jednovláknové. To znamená, že neuvidíte termín „komplementárne vlákno“ používaný v súvislosti s touto nukleovou kyselinou. Rôzne časti toho istého reťazca RNA však môžu navzájom interagovať, čo znamená, že tvar RNA sa v skutočnosti líši viac ako tvar DNA (vždy dvojitá špirála). V súlade s tým existuje veľa rôznych druhov RNA.

• mRNAalebo messenger RNA využíva komplementárne párovanie báz na prenos správy, ktorú jej DNA dáva počas transkripcie na ribozómy, kde sa táto správa preloží do syntézy proteínov. Prepis je podrobne opísaný nižšie.
• rRNAalebo ribozomálna RNA, tvorí značnú časť hmotnosti ribozómov, štruktúr v bunkách zodpovedných za syntézu proteínov. Zvyšok hmoty ribozómov tvoria bielkoviny.
• tRNAalebo transfer RNA, zohráva rozhodujúcu úlohu v translácii tým, že zastavuje aminokyseliny určené pre rastúci polypeptidový reťazec na miesto, kde sú zhromaždené proteíny. V prírode existuje 20 aminokyselín, každá s vlastnou tRNA.
  

Predstavte si, že sa jedná o vlákno nukleovej kyseliny so zásadou AAATCGGCATTA. Len na základe týchto informácií by ste mali byť schopní rýchlo uzavrieť dve veci.

Jeden, že toto je DNA, nie RNA, ako vyplýva z prítomnosti tymínu (T). Druhá vec, ktorú môžete povedať, je, že komplementárne vlákno tejto molekuly DNA má základnú sekvenciu TTTAGCCGTAAT.

Môžete si tiež byť istí reťazcom mRNA, ktorý by vznikol z tohto reťazca DNA, ktorý prechádza transkripciou RNA. Malo by to rovnaké postupnosť báz ako komplementárne vlákno DNA, pričom všetky prípady tymínu (T) sú nahradené uracilom (U).

Je to preto, že replikácia DNA a transkripcia RNA fungujú podobne v tom, že je to vlákno vyrobené z templátového vlákna nie duplikát tohto vlákna, ale jeho komplement alebo ekvivalent v RNA.

Aby si mohla molekula DNA vytvoriť svoju kópiu, musia sa v blízkosti kopírovania oddeliť dva reťazce dvojitej špirály. Je to tak preto, lebo každý reťazec sa kopíruje (replikuje) osobitne a pretože sa ho zúčastňujú enzýmy a ďalšie molekuly Replikácia DNA potrebujú priestor na interakciu, čo dvojitá špirála neposkytuje. Takto sa tieto dva reťazce fyzicky oddelia a hovorí sa o DNA denaturovaný.

Každé oddelené vlákno DNA robí nové vlákno komplementárnym so sebou a zostáva s ním spojené. Takže v istom zmysle sa nič nelíši v každej novej dvojvláknovej molekule od pôvodnej. Chemicky majú rovnaké molekulárne zloženie. Ale jeden z prameňov v každej dvojzávitnici je úplne nový, zatiaľ čo druhý zostáva zo samotnej replikácie.

Keď dôjde k replikácii DNA súčasne pozdĺž oddelených komplementárnych reťazcov, syntéza nových vlákien sa skutočne deje v opačných smeroch. Na jednej strane nový reťazec jednoducho rastie v smere DNA, ktorá je „rozbalená“, pretože je denaturovaná.

Na druhej strane sú však syntetizované malé fragmenty novej DNA preč zo smeru oddeľovania prameňov. Nazývajú sa fragmenty Okazaki a po dosiahnutí určitej dĺžky sú spojené enzýmami. Tieto dva nové reťazce DNA sú antiparalelný medzi sebou.

Transkripcia RNA je podobná replikácii DNA v tom, že na jej spustenie je potrebné zrušiť párovanie reťazcov DNA. mRNA sa vyrába pozdĺž templátu DNA postupným pridávaním nukleotidov RNA enzýmom RNA polymeráza.

Tento počiatočný prepis RNA vytvorený z DNA vytvára to, čo nazývame pre-mRNA. Toto vlákno pre-mRNA obsahuje obidve intróny a exóny. Intróny a exóny sú oddiely v DNA / RNA, ktoré buď kódujú, alebo nekódujú časti génového produktu.

Introny sú nekódujúce sekcie (nazývané tiež „intsekcie ") zatiaľ čo exóny sú sekcie kódovania (nazývané tiež „naprlisované úseky “).

Predtým, ako toto vlákno mRNA opustí jadro, ktoré sa má preložiť na proteín, enzýmy v jadre vystrihnú, inak povedané, vystrihnú, intróny, pretože nekódujú nič v konkrétnom géne. Enzýmy potom spoja zvyšné intrónové sekvencie, aby vám poskytli konečné vlákno mRNA.

Jeden reťazec mRNA zvyčajne obsahuje presne základnú sekvenciu potrebnú na zostavenie jedného jedinečného proteínu po smere v DNA preklad proces, čo znamená, že jedna molekula mRNA obvykle nesie informácie pre jednu gen. Gén je sekvencia DNA, ktorá kóduje konkrétny proteínový produkt.

Po dokončení transkripcie je vlákno mRNA exportované z jadra cez póry v jadrovom obale. (Molekuly RNA sú príliš veľké na to, aby jednoducho difundovali cez jadrovú membránu, rovnako ako voda a iné malé molekuly). Potom sa „dokuje“ s ribozómy v cytoplazme alebo v určitých organelách a Syntézy bielkovín je zahájená.

Nukleové kyseliny nemôžu byť metabolizované na palivo, ale môžu byť vytvorené z veľmi malých molekúl alebo rozdelené z úplnej formy na veľmi malé časti. Nukleotidy sa syntetizujú prostredníctvom anabolických reakcií, často z nukleozidov, ktoré sú nukleotidmi bez akýchkoľvek fosfátových skupín (to znamená, že nukleozid je ribózový cukor plus dusíkatá zásada).

Môže sa tiež odbúravať DNA a RNA: z nukleotidov na nukleozidy, potom na dusíkaté zásady a nakoniec na kyselinu močovú.

Štiepenie nukleových kyselín je dôležité pre celkové zdravie. Napríklad neschopnosť štiepiť puríny súvisí s dnou, bolestivým ochorením postihujúcim niektoré kĺby vďaka usadeninám urátových kryštálov na týchto miestach.