Характеристика нуклеїнових кислот

До важливих в природі нуклеїнових кислот належать дезоксирибонуклеїнова кислота або ДНК, і рибонуклеїнова кислота, або РНК. Їх називають кислотами, оскільки вони є донорами протонів (тобто атомів водню), і тому вони несуть негативний заряд.

Хімічно ДНК і РНК є полімерами, що означає, що вони складаються з повторюваних одиниць, часто дуже великої кількості з них. Ці одиниці називаються нуклеотиди. Усі нуклеотиди, в свою чергу, включають три різні хімічні порції: пентозний цукор, фосфатну групу та азотисту основу.

ДНК відрізняється від РНК трьома основними способами. Одне з них полягає в тому, що саме цукор, який становить структурний «хребет» молекули нуклеїнової кислоти, є дезоксирибозою, тоді як у РНК це рибоза. Якщо ви взагалі знайомі з хімічною номенклатурою, ви зрозумієте, що це невелика різниця в загальній структурній схемі; рибоза має чотири гідроксильні (-ОН) групи, тоді як дезоксирибоза має три.

Друга відмінність полягає в тому, що, хоча однією з чотирьох азотистих основ, що знаходяться в ДНК, є тимін, відповідною базою РНК є урацил. Азотисті основи нуклеїнових кислот визначають кінцеві характеристики цих речовин молекули, оскільки частина фосфату та цукру не змінюється в межах або між молекулами того ж типу.

Нарешті, ДНК є дволанцюжковою, що означає, що вона складається з двох довгих ланцюгів нуклеотидів, хімічно пов'язаних двома азотистими основами. ДНК намотується у форму «подвійної спіралі», як гнучка драбина, закручена в протилежних напрямках на обох кінцях.

Дезоксирибоза складається з п'ятиатомного кільця, чотирьох вуглеводнів та кисню, за формою нагадує п’ятикутник або, можливо, домашню пластину в бейсболі. Оскільки вуглець утворює чотири зв’язки, а кисень - два, це залишає вісім місць зв’язування вільними на чотирьох атомах вуглецю, по два на вуглець, один зверху і один під кільцем. Три з цих плям зайняті гідроксильними (-ОН) групами, а п'ять - атомами водню.

Ця молекула цукру може зв'язуватися з однією з чотирьох азотистих основ: аденіном, цитозином, гуаніном та тиміном. Аденин (A) та гуанін (G) є пуринами, тоді як цитозин (C) та тимін (T) є піримідинами. Пурини - більші молекули, ніж піримідини; оскільки дві нитки будь-якої повноцінної молекули ДНК пов’язані посередині своїми азотистими основами, ці зв’язки повинен утворюватися між одним пурином та одним піримідином, щоб приблизно утримувати загальний розмір двох основ в молекулі постійний. (Це допомагає посилатись на будь-яку діаграму нуклеїнових кислот під час читання, наприклад, наведену в Посиланнях.) Як правило, A зв’язується виключно з T в ДНК, тоді як C зв’язується виключно з G.

Дезоксирибоза, зв’язана з азотистою основою, називається а нуклеозид. Коли фосфатну групу додають до дезоксирибози у вуглеці в двох точках від місця прикріплення основи, утворюється цілий нуклеотид. Особливості відповідних електрохімічних зарядів на різних атомах в нуклеотидах відповідає за дволанцюжкову ДНК, яка природним чином утворює гвинтову форму, і два ланцюги ДНК в молекулі називаються допоміжні нитки.

Пентозний цукор у РНК - це рибоза, а не дезоксирибоза. Рибоза ідентична дезоксирибозі, за винятком того, що кільцева структура пов'язана з чотирма гідроксильними (-ОН) групами та чотирма атомами водню замість трьох та п'яти відповідно. Частина рибози нуклеотиду пов'язана з фосфатною групою та азотистою основою, як і у випадку з ДНК, з чергуванням фосфатів та цукру, що утворюють РНК "хребет". Як зазначалося вище, основи включають A, C і G, але другим піримідином в РНК є урацил (U) ніж Т.

У той час як ДНК стосується лише зберігання інформації (ген - це просто ланцюг ДНК, що кодує один білок), різні типи РНК виконують різні функції. Посланкова РНК, або мРНК, складається з ДНК, коли зазвичай дволанцюжкова ДНК розпадається на дві одиничні ланцюги з метою транскрипції. Отримана мРНК зрештою пробивається до частин клітин, де відбувається виробництво білка, несучи інструкції щодо цього процесу, передані ДНК. Другий тип РНК, переносна РНК (тРНК), бере участь у виробництві білків. Це відбувається на органелах клітин, які називаються рибосомами, а самі рибосоми складаються головним чином із третього типу РНК, що називається, влучно, рибосомною РНК (рРНК).

П’ять азотистих основ - аденін (A), цитозин (C), гуанін (G) і тимін (T) у ДНК та перші три плюс урацил (U) в РНК - це частини нуклеїнових кислот, які в кінцевому рахунку відповідають за різноманітність генних продуктів у живих речі. Частини цукру та фосфату є важливими в тому, що вони забезпечують структуру та риштування, але основи - це місце, де генеруються коди. Якщо ви думаєте про свій портативний комп’ютер як про нуклеїнову кислоту або принаймні про ряд нуцелотидів, апаратне забезпечення (наприклад, дисководи, монітор екран, мікропроцесор) є аналогом цукрів та фосфатів, тоді як будь-яке програмне забезпечення та програми, які ви використовуєте, є азотистими тому що унікальний асортимент програм, які ви завантажили у свою систему, ефективно робить ваш комп’ютер єдиним у своєму роді "організм".

Як було описано раніше, азотисті основи класифікуються як пурини (A і G) або піримідини (C, T і U). A завжди париться в ланцюзі ДНК з T, а C завжди з G. Важливо, що коли ланцюг ДНК використовується як шаблон для синтезу (транскрипції) РНК, у кожній точці вздовж зростаючої молекули РНК, нуклеотид РНК, який створюється з "батьківського" нуклеотиду ДНК, включає базу, яка завжди є "батьківською" базою до. Це досліджується в наступному розділі.

Пурини складаються з шестичленного азотно-вуглецевого кільця та п'ятичленного азотно-вуглецевого кільця, як шестикутник та п'ятикутник, що розділяють сторону. Синтез пуринів передбачає хімічне налаштування цукру рибози з подальшим додаванням аміно (-NH₂) групи. Піримідини також мають шість членів азотно-вуглецевого кільця, як пурини, але не мають п'ятичленного азотно-вуглецевого кільця пуринів. Отже, пурини мають вищу молекулярну масу, ніж піримідини.

Синтез нуклеотидів, що містять піримідини, і синтез нуклеотидів, що містять пурини, відбуваються в протилежному порядку на одному вирішальному етапі. У піримідинах спочатку збирається основна частина, а решта молекули згодом модифікується в нуклеотид. У пуринах частина, яка в кінцевому підсумку стає аденином або гуаніном, модифікується до кінця утворення нуклеотидів.

Транскрипція - це створення ланцюга мРНК із матриці ДНК, що містить ті самі інструкції (тобто генетичний код) для отримання певного білка, що і шаблон. Процес відбувається в ядрі клітини, де знаходиться ДНК. Коли дволанцюжкова молекула ДНК відокремлюється на одиничні ланцюги і транскрипція продовжується, мРНК, яка генерується з ланцюг "розпакованої" пари ДНК ідентичний ДНК іншого ланцюга розпакованої ДНК, за винятком того, що мРНК містить U замість Т. (Знову ж таки, посилання на схему є корисним; див. посилання.) Після завершення мРНК залишає ядро ​​через пори в ядерній мембрані. Після того, як мРНК залишає ядро, вона приєднується до рибосоми.

Потім ферменти приєднуються до рибосомного комплексу та допомагають у процесі трансляції. Переклад - це перетворення інструкції мРНК у білки. Це відбувається, коли амінокислоти, суб-одиниці білків, генеруються з три-нуклеотидних "кодонів" на ланцюжку мРНК. Процес також включає рРНК (оскільки трансляція відбувається на ребсомах) і тРНК (що допомагає збирати амінокислоти).

Нитки ДНК об’єднуються у подвійну спіраль через злиття пов’язаних факторів. Одним з них є водневі зв’язки, які природним чином потрапляють на різні ділянки молекули. У міру утворення спіралі пари зв’язків азотистих основ перпендикулярні осі подвійної спіралі в цілому. Кожен повний поворот включає в загальній складності близько 10 зв'язаних пар основа-основа. Те, що можна було б назвати "сторонами" ДНК, коли їх виклали як "сходи", тепер називають "ланцюгами" подвійної спіралі. Вони майже повністю складаються з частин рибози та фосфатів нуклеотидів, причому основи знаходяться всередині. Кажуть, що спіраль має як великі, так і другорядні борозенки, що визначають її остаточно стабільну форму.

Хоча хромосоми можна описати як дуже довгі нитки ДНК, це є грубим спрощенням. Це правда, що дана хромосома, теоретично, може бути розмотана, щоб виявити єдину незломлену молекулу ДНК, але це не вказує на складні звивки, спулінг і кластеризацію, які ДНК робить на шляху до утворення хромосома. В одній хромосомі є мільйони пар основ ДНК, і якби вся ДНК розтягнулася, не порушуючи спіралі, її довжина збільшилася б від декількох міліметрів до більше сантиметра. Насправді ДНК набагато конденсованіша. Білки, звані гістонами, утворюються з чотирьох пар білків субодиниць (усього вісім субодиниць). Цей октамер служить своєрідною котушкою для подвійної спіралі ДНК, яка обертається двічі, як нитка. Ця структура, октамер плюс обмотана навколо неї ДНК, називається нуклеосомою. Коли хромосома частково розмотується в ланцюг, який називається хроматидою, ці нуклеосоми з’являються під мікроскопією як кульки на нитці. Але вище рівня нуклеосом відбувається подальше стиснення генетичного матеріалу, хоча точний механізм залишається невловимим.

Розглядаються ДНК, РНК та білки біополімери тому що це повторювані послідовності інформації та амінокислоти, пов’язані з живими істотами («біо» означає «життя»). Молекулярні біологи сьогодні визнають, що ДНК і РНК у певній формі передують зародженню життя Землі, але станом на 2018 рік ніхто не з’ясував шлях від ранніх біополімерів до простого життя речі. Деякі висували теорію, що РНК у певній формі була першоджерелом усіх цих речей, включаючи ДНК. Це «світова гіпотеза РНК». Однак це представляє своєрідний сценарій курки та яєць для біологів, оскільки досить великі молекули РНК, здавалося б, не могли виникнути будь-якими іншими способами, крім транскрипція. У будь-якому випадку, вчені з посиленням охоти досліджують РНК як мішень для першої самовідтворювальної молекули.

Хімічні речовини, що імітують складові нуклеїнових кислот, сьогодні використовуються як наркотики, і подальші розробки в цій галузі тривають. Наприклад, дещо модифікована форма урацилу, 5-фторурацил (5-FU), використовується протягом десятиліть для лікування карциноми товстої кишки. Це робиться шляхом імітації справжньої азотистої основи досить близько, щоб вона вставлялася в нещодавно виготовлену ДНК. Це в кінцевому підсумку призводить до порушення синтезу білка.

Імітатори нуклеозидів (які, ви можете пам’ятати, являють собою цукор рибози плюс азотиста основа) використовувались в антибактеріальній та противірусної терапії. Іноді це основна частина нуклеозиду, яка зазнає модифікації, а інколи препарат спрямований на цукрову частину.