Charakteristika nukleových kyselín

Medzi dôležité nukleové kyseliny v prírode patrí deoxyribonukleová kyselina alebo DNA a ribonukleová kyselina alebo RNA. Kyseliny sa nazývajú preto, lebo sú donormi protónov (t. J. Atóm vodíka), a preto nesú negatívny náboj.

Chemicky sú DNA a RNA polyméry, čo znamená, že pozostávajú z opakujúcich sa jednotiek, často z veľmi veľkého počtu. Tieto jednotky sa nazývajú nukleotidy. Všetky nukleotidy zase obsahujú tri odlišné chemické časti: pentózový cukor, fosfátovú skupinu a dusíkatú bázu.

DNA sa líši od RNA tromi primárnymi spôsobmi. Jedným z nich je, že cukrom, ktorý tvorí štrukturálny „hlavný reťazec“ molekuly nukleovej kyseliny, je deoxyribóza, zatiaľ čo v RNA je to ribóza. Ak ste vôbec oboznámení s chemickou nomenklatúrou, zistíte, že ide o malý rozdiel v celkovej štrukturálnej schéme; ribóza má štyri hydroxylové skupiny (-OH), zatiaľ čo deoxyribóza má tri.

Druhým rozdielom je, že zatiaľ čo jednou zo štyroch dusíkatých báz, ktoré sa nachádzajú v DNA, je tymín, zodpovedajúcou bázou v RNA je uracil. Konečné vlastnosti týchto látok sú ovplyvňované dusíkatými bázami nukleových kyselín molekuly, pretože fosfátové a cukrové časti sa nelíšia v molekulách molekuly rovnakého typu.

Nakoniec je DNA dvojvláknová, čo znamená, že pozostáva z dvoch dlhých reťazcov nukleotidov chemicky viazaných dvoma dusíkatými bázami. DNA je navinutá do tvaru „dvojzávitnice“, ako pružný rebrík skrútený na oboch koncoch v opačných smeroch.

Deoxyribóza sa skladá z päťatómového kruhu, štyroch uhlíkov a kyslíka v tvare päťuholníka alebo možno základnej dosky v bejzbale. Pretože uhlík vytvára štyri väzby a kyslík dve, zostáva štyri väzbové miesta voľné na štyroch atómoch uhlíka, dve na uhlíku, jedno nad a jedno pod kruhom. Tri z týchto škvŕn sú obsadené hydroxylovými (-OH) skupinami a päť je nárokovaných atómami vodíka.

Táto molekula cukru sa môže viazať na jednu zo štyroch dusíkatých báz: adenín, cytozín, guanín a tymín. Adenín (A) a guanín (G) sú puríny, zatiaľ čo cytozín (C) a tymín (T) sú pyrimidíny. Puríny sú väčšie molekuly ako pyrimidíny; pretože dva reťazce ktorejkoľvek kompletnej molekuly DNA sú viazané v strede svojimi dusíkatými bázami, tieto väzby musí tvoriť medzi jedným purínom a jedným pyrimidínom, aby sa zhruba zachovala celková veľkosť dvoch báz v molekule konštantný. (Pomáha to pri čítaní odkazovať na akýkoľvek diagram nukleových kyselín, napríklad na diagramy v odkazoch.) A ako to býva, A sa viaže výlučne na T v DNA, zatiaľ čo C sa viaže výlučne na G.

Deoxyribóza naviazaná na dusíkatú bázu sa nazýva a nukleozid. Keď sa k deoxyribóze pridá fosfátová skupina na uhlíku o dve miesta ďalej od miesta, kde je pripojená báza, vytvorí sa kompletný nukleotid. Zvláštnosti príslušných elektrochemických nábojov na rôznych atómoch v nukleotidoch sú zodpovedný za dvojvláknovú DNA, ktorá prirodzene vytvára špirálovitý tvar, a dva reťazce DNA v molekule sa volajú doplnkové pramene.

Pentózový cukor v RNA je skôr ribóza ako deoxyribóza. Ribóza je identická s deoxyribózou, až na to, že kruhová štruktúra je viazaná na štyri hydroxylové skupiny (-OH) a štyri atómy vodíka namiesto troch, respektíve piatich. Ribózová časť nukleotidu je naviazaná na fosfátovú skupinu a dusíkatú bázu, ako je to v prípade DNA, so striedaním fosfátov a cukry tvoriace RNA „chrbticu“. Bázy, ako je uvedené vyššie, zahŕňajú A, C a G, ale druhým pyrimidínom v RNA je skôr uracil (U) ako T.

Zatiaľ čo DNA sa zameriava iba na ukladanie informácií (gén je jednoducho reťazec DNA, ktorý kóduje jeden proteín), rôzne typy RNA preberajú rôzne funkcie. Messenger RNA alebo mRNA sa vyrába z DNA, keď sa zvyčajne dvojvláknová DNA na účely transkripcie rozdelí na dva jednoduché reťazce. Výsledná mRNA sa nakoniec dostane do tých častí buniek, kde dochádza k výrobe proteínov, pričom nesie pokyny pre tento proces dodávané DNA. Na výrobe proteínov sa podieľa druhý typ RNA, transferová RNA (tRNA). K tomu dochádza na bunkových organelách nazývaných ribozómy a samotné ribozómy pozostávajú hlavne z tretieho typu RNA, ktorý sa nazýva trefne ribozomálna RNA (rRNA).

Päť dusíkatých báz - adenín (A), cytozín (C), guanín (G) a tymín (T) v DNA a prvé tri plus uracil (U) v RNA - sú časti nukleových kyselín, ktoré sú v konečnom dôsledku zodpovedné za rozmanitosť génových produktov naprieč živými veci. Cukor a fosfátové časti sú nevyhnutné v tom, že poskytujú štruktúru a lešenie, ale základy sú tam, kde sú generované kódy. Ak si myslíte, že váš prenosný počítač je nukleová kyselina alebo aspoň reťazec nukleotidov, hardvér (napr. Diskové jednotky, monitor obrazovka, mikroprocesor) je analogický s cukrami a fosfátmi, zatiaľ čo akýkoľvek softvér a aplikácie, ktoré používate, sú ako dusíkaté látky základne, pretože jedinečný sortiment programov, ktoré ste do systému načítali, robí váš počítač jedinečným. „organizmus.“

Ako je opísané skôr, dusíkaté zásady sú klasifikované buď ako puríny (A a G) alebo pyrimidíny (C, T a U). A sa vždy páruje v reťazci DNA s T a C sa vždy páruje s G. Dôležité je, že keď sa reťazec DNA použije ako šablóna pre syntézu RNA (transkripciu), v každom bode pozdĺž rastúcej molekuly RNA RNA nukleotid, ktorý je vytvorený z „pôvodného“ nukleotidu DNA, obsahuje bázu, ktorá je základnou bázou vždy do. Toto je preskúmané v ďalšej časti.

Puríny pozostávajú zo šesťčlenného kruhu dusíka a uhlíka a päťčlenného kruhu dusíka a uhlíka, ako šesťuholník a päťuholník, ktoré majú spoločnú stranu. Syntéza purínov zahrnuje chemické doladenie ribózového cukru, po ktorom nasleduje pridanie amino (-NH)₂) skupiny. Pyrimidíny majú tiež šesťčlenný dusíkový a uhlíkový kruh, ako sú puríny, ale chýba im päťčlenný dusíkový a uhlíkový kruh purínov. Puríny majú preto vyššiu molekulovú hmotnosť ako pyrimidíny.

Syntéza nukleotidov obsahujúcich pyrimidíny a syntéza nukleotidov obsahujúcich puríny sa uskutočňujú v jednom rozhodujúcom kroku v opačnom poradí. V pyrimidínoch sa najskôr zostaví bázická časť a zvyšok molekuly sa neskôr modifikuje na nukleotid. V purínoch sa časť, ktorá sa nakoniec stane adenínom alebo guanínom, modifikuje ku koncu tvorby nukleotidov.

Transkripcia je vytvorenie vlákna mRNA z templátu DNA nesúceho rovnaké pokyny (t.j. genetický kód) na výrobu konkrétneho proteínu ako templát. Proces prebieha v bunkovom jadre, kde sa nachádza DNA. Keď sa dvojvláknová molekula DNA rozdelí na jednotlivé vlákna a pokračuje transkripcia, mRNA, ktorá sa generuje z jedného vlákno „rozbaleného“ páru DNA je identické s DNA druhého vlákna rozbalenej DNA, až na to, že mRNA obsahuje namiesto T. (Opäť je odkaz na diagram užitočný; mRNA, akonáhle je úplná, opúšťa jadro cez póry v jadrovej membráne. Potom, čo mRNA opustí jadro, sa pripojí k ribozómu.

Enzýmy sa potom pripájajú k ribozomálnemu komplexu a pomáhajú pri procese prekladu. Preklad je premena inštrukcie mRNA na proteíny. K tomu dochádza, keď sa aminokyseliny, podjednotky proteínov, generujú z troj-nukleotidových „kodónov“ na vlákne mRNA. Tento proces tiež zahrnuje rRNA (pretože translácia sa uskutočňuje na ribzómoch) a tRNA (ktorá pomáha zhromažďovať aminokyseliny).

Vlákna DNA sa spájajú do dvojzávitnice v dôsledku sútoku súvisiacich faktorov. Jednou z nich sú vodíkové väzby, ktoré prirodzene padajú na svoje miesto v rôznych častiach molekuly. Keď sa vytvorí špirála, väzobné páry dusíkatých báz sú kolmé na os dvojitej špirály ako celku. Každé úplné otočenie obsahuje celkom asi 10 párov báz-báza. To, čo sa dalo nazvať „stranami“ DNA, ak sú usporiadané ako „rebrík“, sa dnes nazýva „reťaze“ dvojitej špirály. Pozostávajú takmer úplne z ribózy a fosfátov časti nukleotidov, pričom bázy sú zvnútra. Špirála má údajne veľké aj menšie drážky, ktoré určujú jej nakoniec stabilný tvar.

Aj keď možno chromozómy označiť ako veľmi dlhé reťazce DNA, jedná sa o veľké zjednodušenie. Je pravda, že daný chromozóm by sa teoreticky mohol odmotať, aby odhalil jednu neprerušenú molekulu DNA, ale to neindikuje zložité navíjanie, cievkovanie a zhromažďovanie, ktoré DNA robí na ceste k vytvoreniu a chromozóm. Jeden chromozóm obsahuje milióny párov báz DNA a ak by sa všetka DNA natiahla bez zlomenia špirály, jeho dĺžka by sa tiahla od niekoľkých milimetrov do viac ako centimetra. V skutočnosti je DNA oveľa kondenzovanejšia. Proteíny nazývané históny sa tvoria zo štyroch párov podjednotkových proteínov (celkovo osem podjednotiek). Tento oktamér slúži ako cievka pre dvojitú špirálu DNA, ktorá sa obklopí dvakrát ako niť. Táto štruktúra, oktamér plus DNA obalená okolo nej, sa nazýva nukleozóm. Keď sa chromozóm čiastočne odvinie do vlákna nazývaného chromatid, tieto nukleozómy sa pri mikroskopii javia ako guľôčky na šnúrke. Ale nad úrovňou nukleozómov dochádza k ďalšej kompresii genetického materiálu, aj keď presný mechanizmus zostáva nepolapiteľný.

Uvažuje sa o DNA, RNA a proteínoch biopolyméry pretože sú to opakované sekvencie informácií a aminokyselín, ktoré sú spojené so živými bytosťami („bio“ znamená „život“). Molekulárni biológovia dnes uznávajú, že DNA a RNA v určitej forme predchádza vzniku života Zem, ale od roku 2018 nikto neprišiel na cestu od raných biopolymérov k jednoduchému životu veci. Niektorí sa domnievali, že RNA v určitej forme bola pôvodným zdrojom všetkých týchto vecí, vrátane DNA. Toto je „svetová hypotéza RNA“. To však pre biológov predstavuje akýsi scenár slepačích vajec a vajec, pretože dostatočne veľké molekuly RNA zdanlivo nemohli vzniknúť iným spôsobom ako prepis. V každom prípade vedci v súčasnosti so zvyšujúcou sa dychtivosťou v súčasnosti skúmajú RNA ako cieľ pre prvú samoreplikujúcu sa molekulu.

Chemikálie, ktoré napodobňujú zložky nukleových kyselín, sa dnes používajú ako liečivá a v tejto oblasti prebieha ďalší vývoj. Napríklad mierne upravená forma uracilu, 5-fluóruracil (5-FU), sa po celé desaťročia používa na liečbu karcinómu hrubého čreva. Robí to tak, že dostatočne blízko napodobňuje skutočnú dusíkatú bázu, aby sa mohla vložiť do novo vyrobenej DNA. To nakoniec vedie k poruche syntézy bielkovín.

Imitátory nukleozidov (čo si možno pamätáte, sú ribózový cukor plus dusíkatá báza) sa používali pri antibakteriálnych a antivírusových terapiách. Niekedy je to základná časť nukleozidu, ktorá prechádza modifikáciou, a inokedy je liek zameraný na časť cukru.