Нуклеинске киселине: структура, функција, типови и примери

Нуклеинске киселине представљају једну од четири главне категорије биомолекуле, које су супстанце које чине ћелије. Остали су протеини, угљени хидрати и липиди (или масти).

Нуклеинске киселине, које укључују ДНК (деоксирибонуклеинска киселина) и РНК (рибонуклеинска киселина), разликују се од остале три биомолекуле по томе што се не могу метаболизовати за снабдевање матичног организма енергијом.

(Због тога на етикетама са информацијама о исхрани не видите „нуклеинску киселину“.)

Функција ДНК и РНК је чување генетских информација. Комплетна копија ваше сопствене ДНК може се наћи у језгру скоро сваке ћелије вашег тела, чинећи ову агрегацију ДНК - тзв. хромозоми у овом контексту - пре попут чврстог диска преносног рачунара.

У овој шеми се назива дужина РНК мессенгер РНА садржи кодирана упутства за само један протеински производ (тј. садржи један ген) и стога је више попут „погона палца“ који садржи једну важну датотеку.

ДНК и РНК су веома уско повезане. Појединачна супституција атома водоника (–Х) у ДНК за хидроксилну групу (–ОХ) која је везана за одговарајући атом угљеника у РНК представља целокупну хемијску и структурну разлику између њих две нуклеинске киселине.

Као што ћете видети, међутим, као што се то често догађа у хемији, оно што се чини као мала разлика на атомском нивоу има очигледне и дубоке практичне последице.

Нуклеинске киселине се састоје од нуклеотида, који су супстанце које се саме састоје од три различите хемијске групе: а пентозни шећер, један до три фосфатне групе и а азотна база.

Шећер у пентози у РНК је рибоза, док је у ДНК деоксирибоза. Такође, у нуклеинским киселинама нуклеотиди имају само једну фосфатну групу. Један пример добро познатог нуклеотида који се може похвалити са више фосфатних група је АТПили аденозин трифосфат. АДП (аденозин дифосфат) учествује у многим истим процесима као и АТП.

Појединачни молекули ДНК могу бити изванредно дуго а може се проширити на дужину читавог хромозома. Молекули РНК су далеко ограниченије величине од молекула ДНК, али се и даље квалификују као макромолекуле.

Рибоза (шећер РНК) има прстен од пет атома који укључује четири од пет угљеника у шећеру. Три друге заузимају хидроксилне (–ОХ) групе, једну атом водоника, а једну хидроксиметил (–ЦХ2ОХ) група.

Једина разлика у деоксирибоза (шећер ДНК) је да једна од три хидроксилне групе (она на положају 2-угљеника) више није замењена атомом водоника.

Такође, иако и ДНК и РНК садрже нуклеотиде са једном од четири могуће азотне базе, оне се благо разликују између две нуклеинске киселине. ДНК садржи аденин (А), цитозин (Ц), гванин (Г) и тимин. док РНК има А, Ц и Г, али урацил (У) уместо тимина.

Већина функционалних разлика између ДНК и РНК односи се на њихове изразито различите улоге у ћелијама. ДНК је место где се чува генетски код за живот - не само репродукцију, већ и свакодневне животне активности.

РНК, или бар мРНК, одговорна је за прикупљање истих информација и њихово довођење до рибозома изван језгра где се граде протеини који омогућавају спровођење горе поменутих метаболизма активности.

Основна секвенца нуклеинске киселине је она где се преносе њене специфичне поруке и азотна за базе се тако може рећи да су на крају одговорне за разлике у животињама исте врсте - то је, различите манифестације исте особине (нпр. боја очију, узорак длака на телу).

Две базе у нуклеинским киселинама (А и Г) су пурини, док две (Ц и Т у ДНК; Ц и У у РНК) су пиримидини. Молекули пурина садрже два срасла прстена, док пиримидини имају само један и уопште су мањи. Као што ћете ускоро сазнати, молекул ДНК је дволанчани због везивања између нуклеотиди у суседним праменовима.

Пуринска база може се везати само за пиримидинску базу, јер би две пурине заузеле превише простора између ланаца и два пиримидина премало, с тим што је комбинација пурин-пиримидин управо права величина.

Али ствари се заправо строже контролишу од овога: У нуклеинским киселинама, А.обвезнице само заТ. (илиУ у РНК), док Ц се везује само за Г..

Комплетан опис молекула ДНК као а дволанчана спирала Јамес Ватсон и Францис Црицк су 1953. двојцу на крају донели Нобелову награду, иако је рад дифракције Кс-зрака Росалинд Франклин у годинама које су довеле до овог постигнућа била је кључна за успех пара и често је потцењена историјске књиге.

У природи, ДНК постоји као спирала јер је ово енергетски најповољнији облик за одређени скуп молекула који садржи.

Бочни ланци, базе и други делови молекула ДНК доживљавају праву мешавину електрохемијских привлачности и електрохемијских одбојности тако да је молекул најудобнији у облику две спирале, мало одмакнуте једна од друге, попут испреплетеног спиралног стила степеништа.

ДНК ланци се састоје од наизменичних фосфатних група и остатака шећера, а азотне базе су причвршћене за други део шећера. Ланац ДНК или РНК се издужује захваљујући водоничним везама насталим између фосфатне групе једног нуклеотида и остатака шећера другог.

Конкретно, везан је фосфат на угљенику број 5 (често записан 5 ') долазећег нуклеотида уместо хидроксилне групе на угљенику број 3 (или 3 ') растућег полинуклеотида (мали нуклеински киселина). Ово је познато као фосфодиестерска веза.

У међувремену, сви нуклеотиди са А базама поређани су са нуклеотидима са Т базама у ДНК и нуклеотиди са У базама у РНК; Ц се упарава јединствено са Г у оба.

За два ланца молекула ДНК се каже да су комплементарни једни другима, јер се секвенца базе једне може одредити помоћу секвенце базе друге захваљујући једноставној шеми спајања база молекула нуклеинске киселине.

РНК је, како је примећено, изузетно слична ДНК на хемијском нивоу, са само једном азотном базом међу четири различите и једним „екстра“ атомом кисеоника у шећеру РНК. Очигледно су ове наизглед тривијалне разлике довољне да осигурају битно другачије понашање између биомолекула.

РНА је једноланчани. Односно, нећете видети термин „комплементарни ланац“ који се користи у контексту ове нуклеинске киселине. Међутим, различити делови истог ланца РНК могу међусобно да комуницирају, што значи да облик РНК заправо варира више од облика ДНК (увек двострука завојница). Сходно томе, постоје бројне различите врсте РНК.

• мРНК, или мессенгер РНА, користи комплементарно упаривање база да би пренео поруку коју јој ДНК даје током транскрипције у рибосоме, где се та порука преводи у синтезу протеина. Транскрипција је детаљно описана у наставку.
• рРНА, или рибосомска РНК, чини значајан део масе рибосома, структура унутар ћелија одговорних за синтезу протеина. Остатак масе рибозома чине протеини.
• тРНА, или пренос РНК, игра пресудну улогу у транслацији премештањем аминокиселина намењених растућем полипептидном ланцу до места где се окупљају протеини. У природи постоји 20 аминокиселина, свака са својом тРНК.
  

Замислите да вам је представљен ланац нуклеинске киселине са секвенцом базе АААТЦГГЦАТТА. Само на основу ових података могли бисте брзо закључити две ствари.

Прво, да је ово ДНК, а не РНК, што открива присуство тимина (Т). Друга ствар коју можете да кажете је да комплементарни ланац овог молекула ДНК има базни низ ТТТАГЦЦГТААТ.

Такође можете бити сигурни у мРНК ланац који би произашао из овог ланца ДНК који пролази кроз транскрипцију РНК. Имало би исто редослед основа као комплементарни ДНК ланац, са било којим случајевима да је тимин (Т) замењен урацилом (У).

То је зато што репликација ДНК и транскрипција РНК делују слично томе што је ланац направљен од ланца шаблона није дупликат тог прамена, али његов комплемент или еквивалент у РНК.

Да би молекул ДНК могао да направи копију, две нити двоструке завојнице морају се раздвојити у близини копирања. То је зато што се сваки ланац копира (реплицира) одвојено и зато што ензими и други молекули који учествују у њима ДНК репликација треба простор за интеракцију, што двострука завојница не пружа. Тако се два ланца физички одвајају, а ДНК се каже денатуриран.

Сваки одвојени ланац ДНК чини нови ланац комплементарним себи и остаје везан за њега. Дакле, у извесном смислу, ништа се не разликује у сваком новом дволанчаном молекулу од свог родитеља. Хемијски имају исти молекуларни састав. Али један прамен у свакој двострукој завојници је потпуно нов, док је други остао од саме репликације.

Када се репликација ДНК догоди истовремено дуж одвојених комплементарних ланаца, синтеза нових ланаца се заправо дешава у супротним смеровима. С једне стране, нови ланац једноставно расте у правцу ДНК који се „отпакује“ док је денатурисан.

На другој страни, међутим, синтетишу се мали фрагменти нове ДНК далеко из правца раздвајања нити. То се називају Оказаки фрагменти, а ензими их спајају након достизања одређене дужине. Ова два нова ланца ДНК јесу антипаралелно једни другима.

Транскрипција РНК је слична репликацији ДНК по томе што је за њено покретање потребно раздвајање ДНК ланаца. мРНА настаје дуж ДНК шаблона секвенцијалним додавањем РНК нуклеотида ензимом РНА полимераза.

Овај почетни транскрипт РНК створен од ДНК ствара оно што називамо пре-мРНК. Овај пре-мРНА ланац садржи обоје интрони и егзони. Интрони и егзони су делови унутар ДНК / РНК који или кодирају или не кодирају делове генског производа.

Интронс су некодирајући одељци (звани и "интерферинг сецтион ") док егзони су одељци за кодирање (такође названи "прпресовани делови “).

Пре него што овај ланац мРНА напусти језгро да се преведе у протеин, ензими унутар акцизе језгра, који се такође одсецају, интрони, јер не кодирају ништа у том одређеном гену. Ензими затим повезују преостале интронске секвенце дајући вам коначни мРНК ланац.

Један мРНК ланац обично укључује тачно базну секвенцу неопходну за окупљање једног јединственог протеина низводно у превод процес, што значи да један молекул мРНК обично носи информације за један ген. Ген је ДНК секвенца која кодира одређени протеински производ.

Када се транскрипција заврши, мРНК ланац се извози из језгра кроз поре у нуклеарној овојници. (Молекули РНК су превелики да би се једноставно дифузовали кроз нуклеарну мембрану, као и вода и други мали молекули). Затим се "усидри" са рибозоми у цитоплазми или унутар одређених органела и синтезу протеина је покренут.

Нуклеинске киселине се не могу метаболизовати за гориво, али се могу створити од врло малих молекула или разбити из свог комплетног облика на врло мале делове. Нуклеотиди се синтетишу анаболичким реакцијама, често из нуклеозида, који су нуклеотиди умањени за било коју фосфатну групу (то јест, нуклеозид је шећер рибозе плус азотна база).

ДНК и РНК се такође могу разградити: од нуклеотида до нуклеозида, затим до азотних база и на крају до мокраћне киселине.

Разградња нуклеинских киселина је важна за свеукупно здравље. На пример, немогућност разградње пурина повезана је са гихтом, болном болешћу која погађа неке зглобове захваљујући наслагама кристала урата на тим местима.