Kännetecken för nukleinsyror

Viktiga nukleinsyror i naturen inkluderar deoxiribonukleinsyra eller DNA, och ribonukleinsyra eller RNA. De kallas syror eftersom de är protongivare (dvs. väteatomer) och därför har de en negativ laddning.

Kemiskt sett är DNA och RNA polymerer, vilket innebär att de består av upprepande enheter, ofta ett mycket stort antal av dem. Dessa enheter kallas nukleotider. Alla nukleotider inkluderar i sin tur tre distinkta kemiska delar: ett pentosocker, en fosfatgrupp och en kvävebas.

DNA skiljer sig från RNA på tre primära sätt. En är att det sockret som utgör den strukturella "ryggraden" i nukleinsyramolekylen är deoxiribos, medan det i RNA är ribos. Om du alls känner till kemisk nomenklatur, kommer du att inse att detta är en liten skillnad i det övergripande strukturella systemet. ribos har fyra hydroxyl (-OH) grupper, medan deoxiribos har tre.

Den andra skillnaden är att medan en av de fyra kvävebaserna som finns i DNA är tymin, är motsvarande bas i RNA uracil. De kvävehaltiga baserna av nukleinsyror är det som dikterar dessa ultimata egenskaper molekyler, eftersom fosfat- och sockerdelarna inte varierar inom eller mellan molekylerna i samma typ.

Slutligen är DNA dubbelsträngat, vilket innebär att det består av två långa kedjor av nukleotider kemiskt bundna av två kvävebaser. DNA lindas i en "dubbel helix" -form, som en flexibel stege vriden i motsatta riktningar i båda ändar.

Deoxiribos består av en ring med fem atomer, fyra kolatomer och ett syre, formad som en femkant eller kanske en hemplatta i baseboll. Eftersom kol bildar fyra bindningar och syre två lämnar detta åtta bindningsställen fria på de fyra kolatomerna, två per kol, en ovan och en under ringen. Tre av dessa fläckar upptas av hydroxyl- (-OH) -grupper och fem hävdas av väteatomer.

Denna sockermolekyl kan bindas till en av fyra kvävebaser: adenin, cytosin, guanin och tymin. Adenin (A) och guanin (G) är puriner, medan cytosin (C) och tymin (T) är pyrimidiner. Puriner är större molekyler än pyrimidiner; eftersom de två strängarna i en komplett DNA-molekyl är bundna i mitten av sina kvävebaser, dessa bindningar måste bildas mellan en purin och en pyrimidin för att hålla den totala storleken på de två baserna över molekylen ungefär konstant. (Det hjälper till att hänvisa till vilket diagram som helst av nukleinsyror vid läsning, som de som finns i referenserna.) När det händer binder A uteslutande till T i DNA, medan C exklusivt binder till G.

Deoxiribos bunden till en kvävebas kallas a nukleosid. När en fosfatgrupp tillsätts till deoxiribos vid kolet två fläckar från varifrån basen är fäst, bildas en fullständig nukleotid. Särdragen hos respektive elektrokemiska laddningar på de olika atomerna i nukleotider är ansvarig för dubbelsträngat DNA som naturligt bildar en spiralformad form, och de två DNA-strängarna i molekylen kallas kompletterande trådar.

Pentossocker i RNA är ribos snarare än deoxiribos. Ribos är identisk med deoxiribos förutom att ringstrukturen är bunden till fyra hydroxyl- (-OH) -grupper och fyra väteatomer istället för tre respektive fem. Ribosdelen av en nukleotid är bunden till en fosfatgrupp och en kvävebas, såsom med DNA, med alternerande fosfater och sockerarter som bildar RNA-"ryggraden". Baserna, såsom nämnts ovan, inkluderar A, C och G, men den andra pyrimidinen i RNA är uracil (U) snarare än T.

Medan DNA endast handlar om informationslagring (en gen är helt enkelt en sträng av DNA som kodar för ett enda protein), olika typer av RNA antar olika funktioner. Messenger-RNA, eller mRNA, är tillverkat av DNA när vanligtvis dubbelsträngat DNA delas i två enskilda strängar för transkription. Det resulterande mRNA tar slutligen vägen mot de delar av celler där proteintillverkning sker och bär instruktionerna för denna process levererad av DNA. En andra typ av RNA, transfer RNA (tRNA), deltar i tillverkningen av proteiner. Detta inträffar på cellorganeller som kallas ribosomer, och själva ribosomerna består huvudsakligen av en tredje typ av RNA som kallas, lämpligt, ribosomalt RNA (rRNA).

De fem kvävebaserna - adenin (A), cytosin (C), guanin (G) och tymin (T) i DNA och de tre första plus uracil (U) i RNA - är delarna av nukleinsyror som i slutändan är ansvariga för mångfalden av genprodukter över levande saker. Socker- och fosfatdelarna är väsentliga eftersom de ger struktur och byggnadsställning, men baserna är där koderna genereras. Om du tänker på din bärbara dator som en nukleinsyra eller åtminstone en rad nukelotider, kan hårdvaran (t.ex. hårddiskar, bildskärm skärm, mikroprocessor) är analog med sockerarter och fosfater, medan oavsett programvara och appar du kör är som kvävehaltiga baser, eftersom det unika sortimentet av program som du har laddat in i ditt system effektivt gör din dator till en enastående "organism."

Som beskrivits tidigare klassificeras kvävebaser som antingen puriner (A och G) eller pyrimidiner (C, T och U). A parar alltid i en DNA-sträng med T, och C parar alltid med G. Viktigt är att när en DNA-sträng används som en mall för RNA-syntes (transkription), vid varje punkt längs den växande RNA-molekylen, RNA-nukleotiden som skapas från "moder" DNA-nukleotiden inkluderar basen som är den som "moder" -basen alltid binder till. Detta utforskas i ytterligare ett avsnitt.

Puriner består av en kväve- och kolring med sex medlemmar och en kväve- och kolring med fem medlemmar, som en sexkant och en femkant som delar en sida. Purinsyntes involverar kemisk justering av ett ribossocker följt av tillsats av amino (-NH₂) grupper. Pyrimidiner har också en sex-ledad kväve-och-kolring, som puriner, men saknar fem-leden kväve- och kolring av puriner. Puriner har därför en högre molekylvikt än pyrimidiner.

Syntesen av nukleotider innehållande pyrimidiner och syntesen av nukleotider innehållande puriner sker i motsatt ordning i ett avgörande steg. I pyrimidiner monteras basdelen först och resten av molekylen modifieras till en nukleotid senare. I puriner modifieras den del som slutligen blir adenin eller guanin mot slutet av nukleotidbildning.

Transkription är skapandet av en mRNA-sträng från en DNA-mall, som bär samma instruktioner (dvs. genetisk kod) för framställning av ett visst protein som mallen gör. Processen sker i cellkärnan, där DNA finns. När en dubbelsträngad DNA-molekyl separeras i enstaka strängar och transkription fortskrider, mRNA som genereras från en sträng av det "unzippade" DNA-paret är identiskt med DNA för den andra strängen av unzippat DNA, förutom att mRNA innehåller U istället för T. (Återigen är det bra att hänvisa till ett diagram; se referenserna.) När mRNA är fullständigt lämnar kärnan genom porerna i kärnmembranet. Efter att mRNA lämnar kärnan fäster det sig till en ribosom.

Enzymer ansluts sedan till ribosomkomplexet och hjälper till med processen för översättning. Översättning är omvandlingen av mRNA: s instruktion till proteiner. Detta inträffar när aminosyror, subenheterna av proteiner, genereras från tre-nukleotid "kodoner" på mRNA-strängen. Processen involverar också rRNA (eftersom översättning sker på ribsomer) och tRNA (som hjälper till att montera aminosyror).

DNA-strängar samlas i en dubbel helix på grund av sammanflödet av relaterade faktorer. En av dessa är vätebindningarna som naturligt faller på plats över olika delar av molekylen. När spiralen bildas är bindningspar av kvävebaser vinkelrätt mot dubbelhelixens axel som helhet. Varje hel sväng innehåller totalt cirka 10 bas-bundna par. Det som kan ha kallats "sidorna" av DNA när de läggs ut som en "stege" kallas nu "kedjorna" för den dubbla spiralen. Dessa består nästan helt av ribos- och fosfatdelarna av nukleotider, med baserna på insidan. Helix sägs ha både större och mindre spår som bestämmer dess ytterst stabila form.

Även om kromosomer kan beskrivas som mycket långa strängar av DNA, är detta en grov förenkling. Det är sant att en given kromosom, i teorin, kunde lindas upp för att avslöja en enda obruten DNA-molekyl, men detta misslyckas med att indikera den invecklade lindning, spolning och kluster som DNA gör på väg att bilda en kromosom. En kromosom har miljontals DNA-baspar, och om allt DNA sträcktes ut utan att bryta spiralen, skulle dess längd sträcka sig från några millimeter till över en centimeter. I verkligheten är DNA mycket mer kondenserat. Proteiner som kallas histoner bildas av fyra par subenhetsproteiner (totalt åtta underenheter). Denna oktamer fungerar som en slags spole för DNA-dubbelhelixen att linda sig runt två gånger, som tråd. Denna struktur, oktamern plus DNA som lindas runt den, kallas en nukleosom. När en kromosom delvis rullas upp i en tråd som kallas en kromatid, verkar dessa nukleosomer i mikroskopi vara pärlor på en sträng. Men över nukleosomnivån sker ytterligare kompression av det genetiska materialet, även om den exakta mekanismen förblir svårfångad.

DNA, RNA och proteiner beaktas biopolymerer eftersom de är upprepade sekvenser av information och aminosyror som är associerade med levande saker ("bio" betyder "liv"). Molekylärbiologer idag erkänner att DNA och RNA i någon form föregår uppkomsten av liv Jorden, men från och med 2018 hade ingen räknat ut vägen från tidiga biopolymerer till enkelt levande saker. Vissa har teoretiserat att RNA i någon form var den ursprungliga källan till alla dessa saker, inklusive DNA. Detta är "RNA-världshypotesen." Detta presenterar dock ett slags kyckling-och-ägg-scenario för biologer, för att tillräckligt stora RNA-molekyler till synes inte kunde ha dykt upp på något annat sätt än transkription. Under alla omständigheter undersöker forskare, med ökande iver, för närvarande RNA som ett mål för den första självreplikerande molekylen.

Kemikalier som efterliknar beståndsdelarna i nukleinsyror används som läkemedel idag, med ytterligare utveckling inom detta område pågår. Till exempel har en något modifierad form av uracil, 5-fluorouracil (5-FU), använts i årtionden för att behandla tjocktarmscancer. Det gör detta genom att imitera en riktig kvävebas tillräckligt nära så att den införs i nyproducerat DNA. Detta leder i slutändan till en nedbrytning i proteinsyntesen.

Imitatorer av nukleosider (som du kanske minns är ett ribosocker plus en kvävebas) har använts i antibakteriella och antivirala terapier. Ibland är det basdelen av nukleosiden som genomgår modifiering, och vid andra tillfällen riktar läkemedlet sockerdelen.