Nukleinsyror: struktur, funktion, typer och exempel

Nukleinsyror representerar en av de fyra huvudkategorierna av biomolekyler, vilka är de ämnen som utgör celler. De andra är proteiner, kolhydrater och lipider (eller fetter).

Nukleinsyror, som inkluderar DNA (deoxiribonukleinsyra) och RNA (ribonukleinsyra), skiljer sig från de andra tre biomolekylerna genom att de inte kan metaboliseras för att ge energi till moderorganismen.

(Det är därför du inte ser "nukleinsyra" på etiketter för näringsinformation.)

Funktionen för DNA och RNA är att lagra genetisk information. En fullständig kopia av ditt eget DNA finns i kärnan i nästan alla celler i din kropp, vilket gör denna aggregering av DNA - kallad kromosomer i detta sammanhang - snarare som hårddisken på en bärbar dator.

I detta schema, en längd av RNA av det slag som kallas budbärar-RNA innehåller de kodade instruktionerna för endast en proteinprodukt (dvs. den innehåller en enda gen) och är därför mer som en "tummenhet" som innehåller en enda viktig fil.

DNA och RNA är mycket nära besläktade. Den enda substitutionen av en väteatom (–H) i DNA mot en hydroxylgrupp (–OH) bunden till motsvarande kolatom i RNA står för hela den kemiska och strukturella skillnaden mellan de två nukleinsyror.

Som du kommer att se, men som så ofta händer inom kemi, vad som verkar som en liten skillnad på atomnivå har uppenbara och djupgående praktiska konsekvenser.

Nukleinsyror består av nukleotider, vilka är ämnen som själva består av tre olika kemiska grupper: a pentosocker, en till tre fosfatgrupper och a kvävehaltig bas.

Pentossocker i RNA är ribos, medan det i DNA är deoxiribos. I nukleinsyror har nukleotider också endast en fosfatgrupp. Ett exempel på en välkänd nukleotid som har flera fosfatgrupper är ATPeller adenosintrifosfat. ADP (adenosindifosfat) deltar i många av samma processer som ATP gör.

Enstaka DNA-molekyler kan vara utomordentligt lång och kan sträcka sig över hela en kromosom. RNA-molekyler är mycket mer begränsade i storlek än DNA-molekyler men kvalificerar sig fortfarande som makromolekyler.

Ribos (RNA-sockret) har en ring med fem atomer som innehåller fyra av de fem kolerna i sockret. Tre av de andra är upptagna av hydroxyl- (–OH) -grupper, en av en väteatom och en av en hydroximetyl- (–CH2OH) -grupp.

Den enda skillnaden i deoxiribos (DNA-sockret) är att en av de tre hydroxylgrupperna (den i 2-kolpositionen) är borta och ersätts av en väteatom.

Även om både DNA och RNA har nukleotider med en av fyra möjliga kvävebaser inkluderade, varierar dessa något mellan de två nukleinsyrorna. DNA har adenin (A), cytosin (C), guanin (G) och tymin. medan RNA har A, C och G men uracil (U) i stället för tymin.

De flesta av de funktionella skillnaderna mellan DNA och RNA avser deras markant olika roller i celler. DNA är där den genetiska koden för att leva - inte bara reproduktion utan dagliga livsaktiviteter - lagras.

RNA, eller åtminstone mRNA, är ansvarig för att samla in samma information och föra den till ribosomerna utanför kärnan där proteiner byggs som gör det möjligt att utföra de ovannämnda metaboliska ämnena aktiviteter.

Bassekvensen för en nukleinsyra är där dess specifika meddelanden bärs och kvävehaltiga baser kan således sägas vara ytterst ansvariga för skillnader i djur av samma art - det är, olika manifestationer av samma drag (t.ex. ögonfärg, kroppshårmönster).

Två av baserna i nukleinsyror (A och G) är puriner, medan två (C och T i DNA; C och U i RNA) är pyrimidiner. Purinmolekyler innehåller två smälta ringar, medan pyrimidiner bara har en och är mindre i allmänhet. Som du snart lär dig är DNA-molekylen det dubbelsträngad på grund av bindning mellan nukleotider i angränsande delar.

En purinbas kan endast bindas till en pyrimidinbas, eftersom två puriner skulle ta för mycket utrymme mellan strängar och två pyrimidiner för lite, med en purin-pyrimidinkombination som är precis rätt storlek.

Men saker styrs faktiskt tätare än så här: I nukleinsyror, Aendast obligationer tillT (ellerU i RNA), medan C bindar endast till G.

Den fullständiga beskrivningen av DNA-molekylen som en dubbelsträngad helix 1953 av James Watson och Francis Crick fick så småningom duon ett Nobelpris, även om röntgendiffraktionsarbetet från Rosalind Franklin under åren som ledde till denna prestation var medverkande i parets framgång och är ofta underskattad historie bok.

I naturen, DNA finns som en helix eftersom detta är den mest energiskt gynnsamma formen för den specifika uppsättning molekyler den innehåller att ta.

Sidokedjorna, baserna och andra delar av DNA-molekylen upplever rätt blandning av elektrokemiska attraktioner och elektrokemiska avstötningar så att molekylen är mest "bekväm" i form av två spiraler, något förskjutna från varandra, som vävd spiralform trappor.

DNA-strängar består av alternerande fosfatgrupper och sockerrester, med kvävebaserna bundna till en annan del av sockerdelen. En DNA- eller RNA-sträng sträcker sig tack vare vätebindningar bildade mellan fosfatgruppen i en nukleotid och sockerresten i nästa.

Specifikt är fosfatet vid nummer-5-kolet (ofta skrivet 5 ') för den inkommande nukleotiden fäst i stället för hydroxylgruppen på nummer-3-kolet (eller 3 ') i den växande polynukleotiden (liten nukleinsyra syra). Detta är känt som en fosfodiesterbindning.

Under tiden är alla nukleotider med A-baser uppradade med nukleotider med T-baser i DNA och nukleotider med U-baser i RNA; C parar sig unikt med G i båda.

De två strängarna i en DNA-molekyl sägs vara komplementär till varandra, eftersom bassekvensen för den ena kan bestämmas med hjälp av bassekvensen för den andra tack vare det enkla basparningsschemat nukleinsyramolekyler observerar.

RNA, som nämnts, är utomordentligt lika DNA på kemisk nivå, med endast en kvävebas bland fyra som är olika och en enda "extra" syreatom i RNA-sockret. Uppenbarligen är dessa till synes triviella skillnader tillräckliga för att säkerställa väsentligt olika beteenden mellan biomolekylerna.

I synnerhet är RNA enkeltrådig. Det vill säga, du kommer inte att se termen "komplementär sträng" som används i samband med denna nukleinsyra. Olika delar av samma RNA-sträng kan emellertid interagera med varandra, vilket innebär att formen på RNA faktiskt varierar mer än DNA-formen (alltid en dubbel helix). Följaktligen finns det många olika typer av RNA.

• mRNA, eller messenger RNA, använder kompletterande basparning för att bära meddelandet DNA ger det under transkription till ribosomerna, där det meddelandet översätts till proteinsyntes. Transkription beskrivs i detalj nedan.
• rRNA, eller ribosomalt RNA, utgör en betydande del av massan av ribosomer, strukturerna i celler som är ansvariga för proteinsyntes. Resten av massan av ribosomer består av proteiner.
• tRNA, eller överföra RNA, spelar en kritisk roll vid translation genom att skicka aminosyror avsedda för den växande polypeptidkedjan till den plats där proteiner sätts samman. Det finns 20 aminosyror i naturen, var och en med sin egen tRNA.
  

Tänk dig att du presenteras med en sträng av nukleinsyra med bassekvensen AAATCGGCATTA. Baserat på denna information ensam borde du kunna avsluta två saker snabbt.

En, att detta är DNA, inte RNA, vilket avslöjas av närvaron av tymin (T). Det andra du kan se är att den komplementära strängen i denna DNA-molekyl har bassekvensen TTTAGCCGTAAT.

Du kan också vara säker på mRNA-strängen som skulle bli resultatet av denna DNA-sträng som genomgår RNA-transkription. Det skulle ha samma sak sekvens av baser som den komplementär DNA-sträng, varvid alla förekomster av tymin (T) ersätts med uracil (U).

Detta beror på att DNA-replikering och RNA-transkription fungerar på samma sätt genom att strängen gjord av mallsträngen är inte en kopia av den strängen, men dess komplement eller motsvarande i RNA.

För att en DNA-molekyl ska kunna göra en kopia av sig själv måste de två trådarna i dubbelhelixen separeras i närheten av kopieringen. Detta beror på att varje sträng kopieras (replikeras) separat och att enzymerna och andra molekyler som deltar i DNA-replikation behöver utrymme för att interagera, vilket en dubbel helix inte ger. Således separeras de två trådarna fysiskt, och DNA sägs vara denaturerad.

Varje separerad DNA-tråd gör en ny tråd komplementär till sig själv och förblir bunden till den. Så på sätt och vis är ingenting annorlunda i varje ny dubbelsträngad molekyl från dess förälder. Kemiskt har de samma molekylära komposition. Men en av trådarna i varje dubbelhelix är helt ny medan den andra är kvar från replikeringen själv.

När DNA-replikering sker samtidigt längs separerade komplementära strängar sker syntesen av de nya strängarna faktiskt i motsatta riktningar. På ena sidan växer den nya strängen helt enkelt i riktning mot att DNA: t "packas upp" när det denatureras.

På andra sidan syntetiseras dock små fragment av nytt DNA bort från riktningen för strängseparation. Dessa kallas Okazaki-fragment och sammanfogas av enzymer efter att ha nått en viss längd. Dessa två nya DNA-strängar är antiparallell till varandra.

RNA-transkription liknar DNA-replikering genom att avkoppling av DNA-strängar krävs för att den ska starta. mRNA framställs längs DNA-mallen genom sekventiell tillsats av RNA-nukleotider med enzymet RNA-polymeras.

Detta första transkript av RNA skapat från DNA skapar det vi kallar pre-mRNA. Denna pre-mRNA-sträng innehåller båda introner och exoner. Introner och exoner är avsnitt inom DNA / RNA som antingen gör eller inte kodar för delar av genprodukten.

Introns är sektioner som inte kodar (kallas även "intavbryta sektioner ") medan exoner är kodningssektioner (kallas även "expressade sektioner ").

Innan den här mRNA-strängen lämnar kärnan för att översättas till ett protein, kommer enzymer i kärnan att punktskattas, även skuren ut, intronerna eftersom de inte kodar för någonting i den specifika genen. Enzymer ansluter sedan de återstående intronsekvenserna för att ge dig den sista mRNA-strängen.

En mRNA-sträng innehåller vanligtvis exakt den bassekvens som är nödvändig för att samla ett unikt protein nedströms i översättning process, vilket innebär att en mRNA-molekyl vanligtvis bär informationen för en gen. En gen är en DNA-sekvens som kodar för en viss proteinprodukt.

När transkriptionen är klar exporteras mRNA-strängen ut ur kärnan genom porerna i kärnhöljet. (RNA-molekyler är för stora för att helt enkelt diffundera genom kärnmembranet, liksom vatten och andra små molekyler). Då "hamnar" med ribosomer i cytoplasman eller inom vissa organeller, och proteinsyntes initieras.

Nukleinsyror kan inte metaboliseras för bränsle, men de kan skapas från mycket små molekyler eller bryts ned från sin fullständiga form till mycket små delar. Nukleotider syntetiseras genom anabola reaktioner, ofta från nukleosider, vilka är nukleotider minus eventuella fosfatgrupper (det vill säga en nukleosid är ett ribosocker plus en kvävebas).

DNA och RNA kan också brytas ned: från nukleotider till nukleosider, sedan till kvävebaser och så småningom till urinsyra.

Nedbrytning av nukleinsyror är viktigt för övergripande hälsa. Till exempel är oförmågan att bryta ner puriner kopplad till gikt, en smärtsam sjukdom som drabbar några av lederna tack vare uratkristallavlagringar på dessa platser.