Značilnosti nukleinskih kislin

Pomembne nukleinske kisline v naravi vključujejo deoksiribonukleinsko kislino ali DNA in ribonukleinsko kislino ali RNA. Imenujemo jih kisline, ker so darovalci protonov (tj. Vodikovih atomov) in zato nosijo negativni naboj.

Kemično so DNA in RNA polimeri, kar pomeni, da jih sestavljajo ponavljajoče se enote, pogosto zelo veliko. Te enote se imenujejo nukleotidi. Vsi nukleotidi vključujejo tri različne kemične dele: pentozni sladkor, fosfatno skupino in dušikovo bazo.

DNA se od RNA razlikuje na tri primarne načine. Eno je, da je sladkor, ki tvori strukturno "hrbtenico" molekule nukleinske kisline, deoksiriboza, v RNA pa riboza. Če ste sploh seznanjeni s kemijsko nomenklaturo, boste prepoznali, da je to majhna razlika v celotni strukturni shemi; riboza ima štiri hidroksilne (-OH) skupine, medtem ko ima deoksiriboza tri.

Druga razlika je v tem, da medtem ko je ena od štirih dušikovih baz, ki jih najdemo v DNK, timin, je ustrezna baza v RNK uracil. Končne značilnosti le-teh narekujejo dušikove baze nukleinskih kislin ker se deleži fosfata in sladkorja ne spreminjajo znotraj molekul ali med njimi isti tip.

Končno je DNA dvoverižna, kar pomeni, da je sestavljena iz dveh dolgih verig nukleotidov, ki sta kemično vezani z dvema dušikovima bazama. DNA je navita v obliko "dvojne vijačnice", kot prožna lestev, ki je na obeh koncih zvita v nasprotnih smereh.

Deoksiriboza je sestavljena iz petatomskega obroča, štirih ogljikovih atomov in kisika, oblikovanega kot peterokotnik ali morda domača plošča v baseballu. Ker ogljik tvori štiri vezi, kisik pa dve, to pušča osem vezavnih mest na štirih atomih ogljika, dva na ogljik, enega zgoraj in enega pod obročem. Tri od teh peg zasedajo hidroksilne (-OH) skupine, pet pa atomi vodika.

Ta molekula sladkorja se lahko veže na eno od štirih dušikovih baz: adenin, citozin, gvanin in timin. Adenin (A) in gvanin (G) sta purina, medtem ko sta citozin (C) in timin (T) pirimidina. Purini so večje molekule kot pirimidini; ker sta obe verigi katere koli celotne molekule DNA na sredini vezani s svojimi dušikovimi bazami, te vezi mora nastati med enim purinom in enim pirimidinom, da bo približno ohranjena celotna velikost dveh baz v molekuli konstanten. (Pri branju pomaga pri sklicevanju na kateri koli diagram nukleinskih kislin, na primer tiste v referencah.) Kot se zgodi, se A veže izključno na T v DNA, medtem ko se C veže izključno na G.

Deoksiriboza, vezana na dušikovo bazo, se imenuje a nukleozid. Ko dodamo fosfatno skupino deoksiribozi na ogljiku dve točki stran od mesta pritrditve baze, nastane popoln nukleotid. Posebnosti posameznih elektrokemijskih nabojev na različnih atomih v nukleotidih so odgovoren za dvoverižno DNA, ki naravno tvori vijačno obliko, in dve verigi DNA v molekuli se imenujejo komplementarne pramene.

Pentozni sladkor v RNA je riboza in ne deoksiriboza. Riboza je enaka deoksiribozi, le da je obročasta struktura vezana na štiri hidroksilne (-OH) skupine in štiri atome vodika namesto na tri oziroma pet. Odsek riboze nukleotida je vezan na fosfatno skupino in dušikovo bazo, tako kot pri DNA, z izmeničnimi fosfati in sladkorji, ki tvorijo "hrbtenico" RNA. Kot zgoraj omenjene osnove vključujejo A, C in G, drugi pirimidin v RNA pa je uracil (U). kot T.

Medtem ko se DNA ukvarja samo s shranjevanjem informacij (gen je preprosto veriga DNA, ki kodira en protein), različne vrste RNA prevzamejo različne funkcije. Messenger RNA ali mRNA je narejena iz DNA, ko se običajno dvoverižna DNA razdeli na dve enojni verigi za namene transkripcije. Nastala mRNA se na koncu preusmeri proti delom celic, kjer pride do proizvodnje beljakovin, pri čemer nosi navodila za ta postopek, ki jih posreduje DNA. Druga vrsta RNA, prenos RNA (tRNA), sodeluje pri proizvodnji beljakovin. To se zgodi na celičnih organelah, imenovanih ribosomi, in sami ribosomi so sestavljeni predvsem iz tretje vrste RNA, imenovane natančno ribosomska RNA (rRNA).

Pet dušikovih baz - adenin (A), citozin (C), gvanin (G) in timin (T) v DNA in prve tri plus uracil (U) v RNA - so deli nukleinskih kislin, ki so v končni fazi odgovorni za raznolikost genskih produktov v vseh živih stvari. Deli sladkorja in fosfata so bistveni, saj zagotavljajo strukturo in gradbene odre, vendar so baze tam, kjer se generirajo kode. Če svoj prenosni računalnik mislite kot nukleinsko kislino ali vsaj niz nucelotidov, strojna oprema (npr. Diskovni pogoni, monitor zaslon, mikroprocesor) je analogen sladkorjem in fosfatom, medtem ko je programska oprema in aplikacije, ki jih uporabljate, podobni dušikovim baz, saj edinstven izbor programov, ki ste jih naložili v svoj sistem, učinkovito naredi vaš računalnik edinstven "organizem."

Kot smo že opisali, so dušikove baze razvrščene bodisi kot purini (A in G) bodisi kot pirimidini (C, T in U). A se v verigi DNA vedno pari s T, C pa vedno z G. Pomembno je, da kadar se veriga DNA uporablja kot predloga za sintezo RNK (transkripcija), na vsaki točki vzdolž naraščajoče molekule RNA, nukleotid RNA, ki je ustvarjen iz "starševskega" nukleotida DNA, vključuje bazo, ki je tista, ki jo vedno veže "matična" baza do. To je raziskano v nadaljnjem poglavju.

Purini so sestavljeni iz šestčlenskega dušikovega in ogljikovega obroča in petčlanskega dušikovega in ogljikovega obroča, kot sta šesterokotnik in peterokotnik, ki si delita stran. Sinteza purina vključuje kemično prilagajanje riboznega sladkorja, čemur sledi dodajanje amino (-NH₂) skupin. Tudi pirimidini imajo šestčlanski obroč dušika in ogljika, tako kot purini, vendar nimajo petčlanskega obroča dušika in ogljika purinov. Purini imajo zato večjo molekulsko maso kot pirimidini.

Sinteza nukleotidov, ki vsebujejo pirimidine, in sinteza nukleotidov, ki vsebujejo purine, se v enem ključnem koraku pojavita v nasprotnem vrstnem redu. V pirimidinih se osnovni del najprej sestavi, preostali del molekule pa se kasneje spremeni v nukleotid. V purinih se del, ki na koncu postane adenin ali gvanin, spremeni proti koncu tvorbe nukleotidov.

Transkripcija je ustvarjanje verige mRNA iz predloge DNA, ki vsebuje enaka navodila (tj. Genetsko kodo) za izdelavo določene beljakovine kot predloga. Proces se dogaja v celičnem jedru, kjer se nahaja DNK. Ko se dvoverižna molekula DNA loči v enojne verige in nadaljuje transkripcija, mRNA, ki nastane iz ene veriga "unzipped" para DNA je enaka DNA druge verige unzipped DNA, le da mRNA namesto U vsebuje T. (Spet je sklicevanje na diagram koristno; glej reference.) Ko je mRNA enkrat končana, zapusti jedro skozi pore v jedrski membrani. Ko mRNA zapusti jedro, se pritrdi na ribosom.

Nato se encimi pritrdijo na ribosomski kompleks in pomagajo pri procesu prevajanja. Prevajanje je pretvorba navodil mRNA v beljakovine. To se zgodi, ko aminokisline, podenote beljakovin, nastanejo iz tri-nukleotidnih "kodonov" na verigi mRNA. Postopek vključuje tudi rRNA (saj prevajanje poteka na rebomih) in tRNA (ki pomaga pri sestavljanju aminokislin).

Verige DNA se zaradi sotočja povezanih dejavnikov sestavijo v dvojno vijačnico. Ena od teh so vodikove vezi, ki se naravno umestijo v različne dele molekule. Ko se spirala tvori, so vezni pari dušikovih baz pravokotni na os dvojne vijačnice kot celote. Vsak polni obrat vključuje skupaj približno 10 povezanih parov osnova-osnova. Kar bi lahko imenovali "stranice" DNK, ko bi bile postavljene kot "lestev", se zdaj imenujejo "verige" dvojne vijačnice. Ti so skoraj v celoti sestavljeni iz riboznih in fosfatnih delov nukleotidov, pri čemer so baze znotraj. Vijačnica naj bi imela tako glavne kot manjše utore, ki določajo njeno končno stabilno obliko.

Čeprav lahko kromosome opišemo kot zelo dolge verige DNA, je to velika poenostavitev. Res je, da bi se dani kromosom teoretično lahko odvil, da bi razkril eno samo neprekinjeno molekulo DNA, vendar to ne pomeni zapletenega zvijanja, navitja in združevanja, ki ga DNK usmerja v oblikovanje kromosom. En kromosom vsebuje milijone baznih parov DNK in če bi se vsa DNK raztegnila, ne da bi pri tem zlomila vijačnico, bi se njegova dolžina razširila od nekaj milimetrov do več kot centimeter. V resnici je DNK veliko bolj zgoščena. Beljakovine, imenovane histoni, nastajajo iz štirih parov podenotnih proteinov (skupaj osem podenot). Ta oktamer služi kot nekakšen kalem za dvojno vijačnico DNA, ki se dvakrat ovije, kot nit. Ta struktura, oktamer in okrog njega ovita DNA, se imenuje nukleosom. Ko se kromosom delno odvije v verigo, imenovano kromatida, se ti nukleosomi na mikroskopijo pojavijo kot kroglice na vrvici. Toda nad nivojem nukleosomov pride do nadaljnjega stiskanja genskega materiala, čeprav natančen mehanizem ostaja nedosegljiv.

Upoštevajo se DNA, RNA in beljakovine biopolimeri ker gre za ponavljajoča se zaporedja informacij in aminokislin, ki so povezane z živimi bitji ("bio" pomeni "življenje"). Molekularni biologi danes priznavajo, da DNA in RNA v neki obliki pred začetkom življenja naprej Zemlje, a od leta 2018 nihče še ni ugotovil poti od zgodnjih biopolimerov do preprostega življenja stvari. Nekateri so teoretizirali, da je bila RNA v neki obliki prvotni vir vseh teh stvari, vključno z DNK. To je "hipoteza o RNK." Vendar pa to predstavlja nekakšen scenarij piščanca in jajca za biologe, ker na videz dovolj velike molekule RNA na videz ne bi mogle nastati drugače kot prepis. V vsakem primeru znanstveniki z vedno večjo zavzetostjo trenutno raziskujejo RNA kot tarčo za prvo samopodvajajočo se molekulo.

Kemikalije, ki posnemajo sestavine nukleinskih kislin, se danes uporabljajo kot zdravila, nadaljnji razvoj na tem področju pa poteka. Na primer, nekoliko spremenjeno obliko uracila, 5-fluorouracila (5-FU), že desetletja uporabljajo za zdravljenje karcinoma debelega črevesa. To naredi tako, da posnema pravo dušikovo bazo dovolj natančno, da se vstavi v novo izdelano DNA. To na koncu privede do razgradnje sinteze beljakovin.

Posnemovalci nukleozidov (ki so, se lahko spomnite, sladkor iz riboze in dušikova baza) so bili uporabljeni v protibakterijskih in protivirusnih terapijah. Včasih se spremeni osnovni del nukleozida, včasih pa zdravilo cilja na del sladkorja.