Nukleinske kisline: zgradba, delovanje, tipi in primeri

Nukleinska kislina predstavljajo eno od štirih glavnih kategorij biomolekule, ki so snovi, ki tvorijo celice. Ostali so beljakovine, ogljikovi hidrati in lipidi (ali maščobe).

Nukleinske kisline, ki vključujejo DNA (deoksiribonukleinska kislina) in RNA (ribonukleinska kislina), se od ostalih treh biomolekul razlikujejo po tem, da jih ni mogoče presnavljati za oskrbo matičnega organizma z energijo.

(Zato na oznakah s podatki o hranilni vrednosti ne vidite "nukleinske kisline".)

Funkcija DNA in RNA je shranjevanje genetskih informacij. Popolno kopijo lastne DNK lahko najdemo v jedru skoraj vseh celic v telesu, zaradi česar je to združevanje DNK - imenovano kromosomi v tem kontekstu - prej kot trdi disk prenosnega računalnika.

V tej shemi se imenuje dolžina vrste RNA sel RNA vsebuje kodirana navodila za samo en beljakovinski izdelek (tj. vsebuje en gen) in je zato bolj podoben "palčnemu pogonu", ki vsebuje eno samo pomembno datoteko.

DNA in RNA sta si zelo povezani. Enkratna substitucija vodikovega atoma (–H) v DNA za hidroksilno skupino (–OH), pritrjeno na ustrezen atom ogljika v RNA predstavlja celotno kemijsko in strukturno razliko med obema nukleinska kislina.

Kot boste videli, ima, kot se to pogosto dogaja v kemiji, nekaj, kar se zdi majhna razlika na atomski ravni, očitne in globoke praktične posledice.

Nukleinske kisline so sestavljene iz nukleotidov, ki so snovi, ki so same sestavljene iz treh različnih kemičnih skupin: a pentozni sladkor, ena do tri fosfatne skupine in a dušikova baza.

Pentozni sladkor v RNA je riboza, medtem ko je v DNA deoksiriboza. V nukleinskih kislinah imajo nukleotidi samo eno fosfatno skupino. Primer dobro znanega nukleotida, ki se ponaša z več fosfatnimi skupinami, je ATPali adenozin trifosfat. ADP (adenozin difosfat) sodeluje v mnogih istih procesih, kot jih ima ATP.

Posamezne molekule DNA so lahko izredno dolgo in se lahko razširi na dolžino celotnega kromosoma. Molekule RNA so veliko bolj omejene kot molekule DNA, vendar se še vedno štejejo za makromolekule.

Riboza (sladkor RNA) ima petatomski obroč, ki vključuje štiri od petih ogljikov v sladkorju. Tri ostale zasedajo hidroksilne (–OH) skupine, eno vodikov atom in eno hidroksimetilna skupina (–CH2OH).

Edina razlika v deoksiriboza (sladkor DNA) je, da ena od treh hidroksilnih skupin (tista na položaju 2-ogljik) ni več in jo nadomesti atom vodika.

Čeprav imajo DNA in RNA nukleotide z eno od štirih možnih dušikovih baz, se te med obema nukleinskima kislinama nekoliko razlikujejo. DNA vsebuje adenin (A), citozin (C), gvanin (G) in timin. ker ima RNA A, C in G, vendar uracil (U) namesto timina.

Večina funkcionalnih razlik med DNA in RNA je povezana z njihovimi izrazito različnimi vlogami v celicah. DNK je tam, kjer je shranjena genetska koda za življenje - ne le razmnoževanje, ampak vsakodnevne življenjske dejavnosti.

RNA ali vsaj mRNA je odgovorna za zbiranje istih informacij in njihovo pripeljenje do ribosomov zunaj jedra, kjer so zgrajene beljakovine, ki omogočajo izvajanje zgoraj omenjene presnove dejavnosti.

Osnovno zaporedje nukleinske kisline je tisto, kjer se prenašajo njena posebna sporočila, in dušik za baze lahko torej rečemo, da so končno odgovorne za razlike pri živalih iste vrste - to je, različne manifestacije iste lastnosti (npr. barva oči, vzorec dlake na telesu).

Dve bazi v nukleinskih kislinah (A in G) so purini, dve (C in T v DNA; C in U v RNA) sta pirimidini. Molekule purina vsebujejo dva spojena obroča, medtem ko imajo pirimidini le enega in so na splošno manjši. Kot boste kmalu izvedeli, je molekula DNA dvoverižna zaradi vezi med nukleotidi v sosednjih pramenih.

Purinska baza se lahko veže le na pirimidinsko bazo, ker bi dva purina zavzela preveč prostora med pramenoma in dvema pirimidinama premalo, kombinacija purin-pirimidin pa je ravno prava velikost.

Toda stvari so dejansko strožje nadzorovane od tega: v nukleinskih kislinah Aobveznice samo zaT (aliU v RNA), medtem ko C veže samo na G.

Popoln opis molekule DNA kot a dvojno vijačna vijačnica leta 1953 James Watson in Francis Crick sta dvojcu sčasoma prinesla Nobelovo nagrado, čeprav je rentgensko difrakcijsko delo Rosalind Franklin je v letih, ki so vodila do tega dosežka, pripomogla k uspehu para in je pogosto podcenjena zgodovinske knjige.

V naravi, DNA obstaja kot vijačnica ker je to energetsko najbolj ugodna oblika za določen nabor molekul, ki jih vsebuje.

Stranske verige, baze in drugi deli molekule DNA doživljajo pravo mešanico elektrokemičnih privlačnosti in elektrokemičnih odboji, tako da je molekula najbolj "udobna" v obliki dveh spiral, rahlo odmaknjenih drug od drugega, kot prepleteni spiralni slog stopnišča.

Verige DNA sestavljajo izmenične fosfatne skupine in ostanki sladkorja, pri čemer so dušikove baze pritrjene na drug del sladkorja. Veriga DNA ali RNA se podaljša zaradi vodikovih vezi, ki nastanejo med fosfatno skupino enega nukleotida in ostanki sladkorja drugega.

Natančneje, pritrjen je fosfat na ogljiku številka 5 (pogosto zapisano 5 ') prihajajočega nukleotida namesto hidroksilne skupine na ogljiku številka 3 (ali 3 ') rastočega polinukleotida (majhen nukleinski kislina). To je znano kot fosfodiesterska povezava.

Medtem so vsi nukleotidi z bazami A poravnani z nukleotidi z bazami T v DNA in nukleotidi z bazami U v RNA; C se v obeh enotno ujema z G.

Oba veriga molekule DNA naj bi bila komplementarne drug drugemu, ker lahko osnovno zaporedje enega določimo z uporabo osnovnega zaporedja drugega, zahvaljujoč preprosti shemi spajanja baz, ki jo opazujejo molekule nukleinskih kislin.

Kot smo že omenili, je RNA na kemični ravni izjemno podobna DNA, le ena dušikova baza med štirimi je drugačna in en sam "dodaten" atom kisika v sladkorju RNA. Očitno te na videz nepomembne razlike zadoščajo za zagotovitev bistveno drugačnega vedenja med biomolekulami.

Predvsem RNA je enojni. To pomeni, da ne boste videli izraza "komplementarna veriga", uporabljenega v okviru te nukleinske kisline. Različni deli iste verige RNA pa lahko medsebojno vplivajo, kar pomeni, da se oblika RNA dejansko spreminja bolj kot oblika DNA (vedno dvojna vijačnica). V skladu s tem obstaja veliko različnih vrst RNA.

• mRNA, ali messenger RNA, uporablja komplementarno parjenje baz, da prenese sporočilo, ki ga DNA dobi med transkripcijo v ribosome, kjer se to sporočilo prevede v sintezo beljakovin. Prepis je podrobno opisan spodaj.
• rRNAali ribosomska RNA, tvori precejšen del mase ribosomov, struktur znotraj celic, ki so odgovorne za sintezo beljakovin. Preostanek mase ribosomov sestavljajo beljakovine.
• tRNAali prenos RNA, igra ključno vlogo pri prevajanju, tako da aminokisline, namenjene rastoči polipeptidni verigi, premakne do mesta, kjer se sestavijo beljakovine. V naravi je 20 aminokislin, vsaka s svojo tRNA.
  

Predstavljajte si, da vam predstavljajo verigo nukleinske kisline z baznim zaporedjem AAATCGGCATTA. Samo na podlagi teh informacij bi lahko hitro sklepali dve stvari.

Ena, da je to DNA, ne RNA, kar razkriva prisotnost timina (T). Druga stvar, ki jo lahko ugotovite, je, da ima komplementarna veriga te molekule DNA osnovno zaporedje TTTAGCCGTAAT.

Prav tako ste lahko prepričani o verigi mRNA, ki bi nastala zaradi te verige DNA, ki je v transkripciji RNA. Imelo bi enako zaporedje baz kot komplementarna veriga DNA, pri čemer se vsi primeri timina (T) nadomestijo z uracilom (U).

To je zato, ker replikacija DNA in transkripcija RNA delujeta podobno kot veriga, narejena iz matrične verige ne dvojnik tega sklopa, ampak njegov komplement ali ekvivalent v RNA.

Da bi molekula DNA naredila kopijo samega sebe, se morata dve verigi dvojne vijačnice ločiti v bližini kopiranja. To je zato, ker se vsaka veriga kopira (replicira) posebej in ker encimi in druge molekule, ki sodelujejo v njej Replikacija DNA potrebujejo prostor za interakcijo, česar dvojna vijačnica ne zagotavlja. Tako se obe verigi fizično ločita in DNK naj bi bila denaturiran.

Vsaka ločena veriga DNA naredi novo verigo komplementarno sebi in ostane vezana nanjo. Torej, v nekem smislu se v vsaki novi dvoverižni molekuli nič ne razlikuje od njene matične. Kemično imajo enake molekularne sestave. Toda eden od pramenov v vsaki dvojni vijačnici je popolnoma nov, drugi pa ostane od same replikacije.

Ko pride do replikacije DNA hkrati vzdolž ločenih komplementarnih verig, se sinteza novih verig dejansko zgodi v nasprotnih smereh. Na eni strani nova veriga preprosto raste v smeri, da se DNA, ko je denaturirana, "razpakira".

Na drugi strani pa se sintetizirajo majhni drobci nove DNA stran iz smeri ločevanja pramenov. Temu rečemo fragmenti Okazaki, po določeni dolžini pa jih encimi povežejo. Ti dve novi verigi DNA sta antiparalelno drug drugemu.

Transkripcija RNA je podoben replikaciji DNK, ker je za začetek potrebno ločevanje verig DNA. mRNA nastane vzdolž vzorca DNA z zaporednim dodajanjem nukleotidov RNA z encimom RNA polimerazo.

Ta začetni prepis RNA, ustvarjen iz DNK, ustvarja tisto, čemur pravimo pred mRNA. Ta pre-mRNA veriga vsebuje oboje introni in eksoni. Introni in eksoni so odseki znotraj DNA / RNA, ki bodisi ali ne kodirajo delov genskega izdelka.

Introns so nekodirani odseki (imenovani tudi "intpreusmerjanje odsekov "), medtem ko eksoni so odseki za kodiranje (imenovani tudi "nprstisnjeni odseki ").

Preden ta veriga mRNA zapusti jedro, da se prevede v beljakovino, encimi znotraj jedra izločijo trošarine, in sicer izrezane, introne, saj ne kodirajo ničesar v tem določenem genu. Nato encimi povežejo preostala intronska zaporedja, da dobijo končno verigo mRNA.

Ena mRNA veriga običajno vključuje natančno osnovno zaporedje, potrebno za sestavo enega edinstvenega proteina v toku prevod postopek, kar pomeni, da ena molekula mRNA običajno nosi informacije za enega gen. Gen je zaporedje DNA, ki kodira določen beljakovinski izdelek.

Ko je transkripcija končana, se veriga mRNA izvozi iz jedra skozi pore v jedrski ovojnici. (Molekule RNA so prevelike, da bi jih preprosto difundirale skozi jedrsko membrano, prav tako voda in druge majhne molekule). Nato "pristane" z ribosomi v citoplazmi ali znotraj nekaterih organelov in sinteza beljakovin se sproži.

Nukleinskih kislin ni mogoče presnavljati za gorivo, vendar jih je mogoče ustvariti iz zelo majhnih molekul ali razgraditi iz njihove popolne oblike na zelo majhne dele. Nukleotidi se sintetizirajo z anaboličnimi reakcijami, pogosto iz nukleozidov, ki so nukleotidi minus katere koli fosfatne skupine (to pomeni, da je nukleozid ribozni sladkor in dušikova baza).

DNA in RNA se lahko tudi razgradijo: od nukleotidov do nukleozidov, nato do dušikovih baz in sčasoma do sečne kisline.

Razgradnja nukleinskih kislin je pomembna za splošno zdravje. Na primer, nezmožnost razgradnje purinov je povezana s protinom, bolečo boleznijo, ki prizadene nekatere sklepe, zahvaljujoč nanosom kristalov urata na teh mestih.