NUKLEINSYRER: EGENSKABER, FUNKTIONER, STRUKTUR - BIOLOGI

De nukleinsyrer er store biomolekyler dannet af enheder eller monomerer kaldes nukleotider. De er ansvarlige for opbevaring og transmission af genetisk information. De deltager også i hvert af trinnene i proteinsyntese.

Strukturelt består hvert nukleotid af en phosphatgruppe, en sukker med fem carbonhydrider og en heterocyklisk nitrogenbase (A, T, C, G og U). Ved fysiologisk pH er nukleinsyrer negativt ladet, opløselige i vand, danner viskøse opløsninger og er ret stabile.

Kilde: pixabay.com

Der er to hovedtyper af nukleinsyrer: DNA og RNA. Sammensætningen af begge nukleinsyrer er ens: i begge finder vi en række nukleotider bundet med phosphodiesterbindinger. I DNA finder vi imidlertid thymin (T) og i RNA uracil (U).

DNA er længere og er i en dobbelt helix-konformation, og RNA består af en enkelt streng. Disse molekyler er til stede i alle levende organismer, fra vira til store pattedyr.

Historisk perspektiv

Opdagelse af nukleinsyrer

Opdagelsen af nukleinsyrer stammer fra 1869, da Friedrich Miescher identificerede kromatin. I sine eksperimenter ekstraherede Miescher et gelatinøst materiale fra kernen og opdagede, at dette stof var rig på fosfor.

Oprindeligt blev materialet af en mystisk art betegnet som "nuclein". Senere eksperimenter på nuclein konkluderede, at den ikke kun er rig på fosfor, men også på kulhydrater og organiske baser.

Phoebus Levene fandt, at nuclein var en lineær polymer. Selvom de grundlæggende kemiske egenskaber ved nukleinsyrer var kendt, blev det ikke overvejet, at der var en forbindelse mellem denne polymer og det arvelige materiale fra levende ting.

Opdagelse af funktionen af DNA

I midten af 1940'erne var det overbevisende for biologer i den tid, at det molekyle, der var ansvarlig for transmission og opbevaring af en organisms information, var bosiddende i et molekyle med en så simpel konformation som DNA - sammensat af fire meget lignende monomerer (nukleotider) hver.

Proteiner, polymerer bestående af 20 typer aminosyrer, syntes på det tidspunkt de mest plausible kandidater at være arvelighedsmolekylet.

Denne opfattelse ændrede sig i 1928, da forskeren Fred Griffith havde mistanke om, at nuclein var involveret i arvelighed. Til sidst lykkedes det i 1944 Oswald Avery at konkludere med robust bevis for, at DNA indeholdt genetisk information.

Således gik DNA fra at være et kedeligt og monotont molekyle, der kun består af fire byggesten, til et molekyle, der tillader lagring af et enormt antal oplysninger, og som kan bevare og overføre det på en præcis, nøjagtig og effektiv måde.

Opdagelse af strukturen af DNA

Året 1953 var revolutionerende for de biologiske videnskaber, da forskerne James Watson og Francis Crick belyste den korrekte struktur af DNA.

Baseret på analyserne af røntgenreflektionsmønstrene antydede Watson og Cricks resultater, at molekylet er en dobbelt helix, hvor fosfatgrupperne danner en ydre rygrad, og baserne rager ud i det indre.

Analogien af en stige bruges generelt, hvor gelændene svarer til fosfatgrupperne og trinnene til baserne.

Opdagelse af DNA-sekventering

I de sidste to årtier er der sket ekstraordinære fremskridt inden for biologi ledet af DNA-sekventering. Takket være teknologiske fremskridt har vi i dag den nødvendige teknologi til at kende DNA-sekvensen med en ret høj præcision - med "sekvens" mener vi rækkefølgen af baserne.

Oprindeligt var det at bekræfte sekvensen en dyr begivenhed og det tog lang tid at gennemføre. I øjeblikket er det ikke et problem at kende sekvensen for hele genomer.

egenskaber

Opladning og opløselighed

Som navnet antyder er arten af nukleinsyrer sure, og de er molekyler med høj opløselighed i vand; det vil sige, de er hydrofile. Ved fysiologisk pH-værdi er molekylet negativt ladet på grund af tilstedeværelsen af fosfatgrupper.

Som en konsekvens af dette er proteinerne, som DNA er forbundet med, rige på aminosyrerester med positive ladninger. Den korrekte tilknytning af DNA er afgørende for dets emballering i celler.

Viskositet

Viskositeten af nukleinsyren afhænger af, om det er dobbelt- eller enkeltbånd. Dobbeltbånd-DNA danner opløsninger med høj viskositet, da dens struktur er stiv og modstår deformation. Derudover er de ekstremt lange molekyler i forhold til deres diameter.

I modsætning hertil er der også enkeltbånd-nukleinsyreopløsninger, der er kendetegnet ved lav viskositet.

Stabilitet

Et andet kendetegn ved nukleinsyrer er deres stabilitet. Naturligvis skal et molekyle med en så uundværlig opgave som lagring af arv være meget stabilt.

Sammenlignende er DNA mere stabilt end RNA, da det mangler en hydroxylgruppe.

Det er muligt, at denne kemiske egenskab spillede en vigtig rolle i udviklingen af nukleinsyrer og i valget af DNA som arveligt materiale.

I henhold til de hypotetiske overgange, som nogle forfattere har foreslået, blev RNA erstattet af DNA i den evolutionære proces. Imidlertid er der i dag nogle vira, der bruger RNA som genetisk materiale.

Absorption af ultraviolet lys

Absorptionen af nukleinsyrer afhænger også af, om det er dobbeltbånd eller enkeltbånd. Ringenes absorptionstop i deres struktur er 260 nanometer (nm).

Når dobbeltbåndets DNA-streng begynder at adskilles, forøges absorption ved den førnævnte bølgelængde, da ringene, der udgør nukleotiderne, udsættes.

Denne parameter er vigtig for molekylærbiologer i laboratoriet, da de ved at måle optagelse kan estimere mængden af DNA, der findes i deres prøver. Generelt bidrager viden om egenskaber ved DNA til dets oprensning og behandling i laboratorier.

Klassificering (typer)

De to vigtigste nukleinsyrer er DNA og RNA. Begge dele er alle levende ting. DNA står for deoxyribonukleinsyre og RNA for ribonukleinsyre. Begge molekyler spiller en grundlæggende rolle i arvelighed og proteinsyntese.

DNA er molekylet, der lagrer al den information, der er nødvendig til udvikling af en organisme, og er grupperet i funktionelle enheder kaldet gener. RNA er ansvarlig for at tage denne information og oversætter informationen fra en kæde af nukleotider til en kæde af aminosyrer sammen med proteinkomplekser.

RNA-strenge kan være et par hundrede eller et par tusinde nukleotider lange, mens DNA-strenge overstiger millioner af nukleotider og kan visualiseres under lyset af et optisk mikroskop, hvis de er farvet med farvestoffer.

De grundlæggende strukturelle forskelle mellem begge molekyler vil blive detaljeret i det næste afsnit.

RNA

I celler er der forskellige typer RNA, der sammen arbejder for at orkestreere proteinsyntese. De tre hovedtyper af RNA er messenger, ribosomal og transfer.

Messenger RNA

Messenger RNA er ansvarlig for at kopiere meddelelsen, der findes i DNA, og transportere den til proteinsyntesen, der finder sted i strukturer kaldet ribosomer.

Ribosomalt eller ribosomalt RNA

Ribosomalt RNA findes som en del af dette vigtige maskineri: ribosomet. Af ribosomet består 60% af ribosom RNA, og resten optages af næsten 80 forskellige proteiner.

Overfør RNA

Transfer RNA er en slags molekylær adapter, der transporterer aminosyrer (byggestenene til proteiner) til ribosomet, der skal inkorporeres.

Lille RNA

Ud over disse tre basistyper er der et antal yderligere RNA'er, der for nylig er blevet opdaget, der spiller en væsentlig rolle i proteinsyntese og genekspression.

Små nukleare RNA'er, forkortet som snRNA, deltager som katalytiske enheder i splejsningen (proces, der består af fjernelse af introner) af messenger RNA.

Små nukleolære RNA'er eller snoRNA'er er involveret i behandlingen af præ-ribosomale RNA-transkripter, der udgør en del af ribosomsubenheden. Dette forekommer i kernen.

Korte interfererende RNA'er og mikroRNA'er er små RNA-sekvenser, hvis vigtigste rolle er modulation af genekspression. MicroRNA'er er kodet fra DNA, men deres translation til proteiner fortsætter ikke. De er enkeltstrengede og kan komplementere en meddelelse-RNA og hæmmer dens translation til proteiner.

Struktur og kemisk sammensætning

Nukleinsyrer er lange polymerkæder, der består af monomere enheder kaldet nukleotider. Hver består af:

En fosfatgruppe

Der er fire typer nukleotider, og de har en fælles struktur: en fosfatgruppe bundet til en pentose gennem en phosphodiesterbinding. Tilstedeværelsen af fosfater giver molekylet en sur karakter. Fosfatgruppen dissocieres ved pH i cellen, så den er negativt ladet.

Denne negative ladning tillader forbindelsen af nukleinsyrer med molekyler, hvis ladning er positiv.

Små mængder nukleosider kan findes inde i celler og også i ekstracellulære væsker. Dette er molekyler, der består af alle komponenterne i et nukleotid, men som mangler phosphatgrupper.

I henhold til denne nomenklatur er et nukleotid et nukleosid, der har en, to eller tre fosfatgrupper forestret ved hydroxylen, der er lokaliseret ved 5'-carbonet. Nukleosider med tre fosfater er involveret i syntesen af nukleinsyrer, skønt de også har andre funktioner i cellen.

En pentose

En pentose er et monomer kulhydrat, der består af fem carbonatomer. I DNA er pentose en deoxyribose, der er kendetegnet ved tabet af en hydroxylgruppe ved carbon 2 '. I RNA er pentose en ribose.

En nitrogenholdig base

Pentosen er igen bundet til en organisk base. Nukleotidets identitet tilvejebringes ved identiteten af basen. Der er fem typer, forkortet med deres initialer: adenin (A), guanin (G), cytosin (C), thymin (T) og uracil (U).

Det er almindeligt i litteraturen, at vi finder ud af, at disse fem bogstaver bruges til at henvise til hele nukleotidet. Strengt taget er disse imidlertid kun en del af nukleotidet.

De første tre, A, G og C, er fælles for både DNA og RNA. Mens T er unikt for DNA, og uracil er begrænset til RNA-molekylet.

Strukturelt set er baser heterocykliske kemiske forbindelser, hvis ringe består af kulstof- og nitrogenmolekyler. A og G dannes af et par smeltede ringe og hører til gruppen af puriner. De resterende baser hører til pyrimidinerne, og deres struktur består af en enkelt ring.

Det er almindeligt, at vi i begge typer nukleinsyrer finder en række modificerede baser, såsom en yderligere methylgruppe.

Når denne begivenhed finder sted, siger vi, at basen er methyleret. I prokaryoter findes methylerede adeniner sædvanligvis, og i både prokaryoter og eukaryoter kan cytosiner have en yderligere methylgruppe.

Hvordan finder polymerisation sted?

Som vi nævnte, er nukleinsyrer lange kæder, der består af monomerer - nukleotider. For at danne kæderne er disse forbundet på en bestemt måde.

Når nucleotider polymeriserer, danner hydroxylgruppen (-OH), der findes på 3'-carbonet i sukkeret i et af nukleotiderne, en esterlignende binding med phosphatgruppen fra et andet nucleotidmolekyle. Under dannelsen af denne binding sker fjernelse af et vandmolekyle.

Denne type reaktion kaldes en "kondensationsreaktion", og den ligner meget den, der opstår, når peptidbindinger i proteiner dannes mellem to aminosyrerester. Bindingerne mellem hvert par nukleotider kaldes phosphodiesterbindinger.

Som i polypeptider har nukleinsyrekæder to kemiske orienteringer i deres ender: den ene er 5'-enden, der indeholder en fri hydroxylgruppe eller en phosphatgruppe på 5'-carbonet i det terminale sukker, mens det i den 3 ende er ´ vi finder en fri hydroxylgruppe af kulstof 3´.

Lad os forestille os, at hver DNA-blok er et Lego-sæt, med den ene ende, der er indsat og med et frit hul, hvor indsættelse af en anden blok kan forekomme. 5'-enden med fosfat vil være den ende, der skal indsættes, og 3 'er analog med det frie hul.

Andre nukleotider

I cellen finder vi en anden type nukleotider med en anden struktur end den nævnt ovenfor. Selvom disse ikke vil være en del af nukleinsyrerne, spiller de meget vigtige biologiske roller.

Blandt de mest relevante har vi riboflavin-mononukleotid, kendt som FMN, coenzym A, adenindinucleotid og nicotinamin.

RNA-struktur

Den lineære struktur af nukleinsyrepolymeren svarer til den primære struktur af disse molekyler. Polynukleotider har også evnen til at danne tredimensionelle arrays stabiliseret af ikke-kovalente kræfter - svarende til foldningen, der findes i proteiner.

Selvom den primære sammensætning af DNA og RNA er ret ens (bortset fra de ovenfor nævnte forskelle), er sammensætningen af deres struktur markant anderledes. RNA'er findes ofte som en enkelt nukleotidkæde, skønt det kan antage forskellige arrangementer.

Transfer-RNA'er er for eksempel små molekyler, der består af mindre end 100 nukleotider. Dens typiske sekundære struktur er i form af en kløver med tre arme. Det vil sige, RNA-molekylet finder komplementære baser inde i og kan folde på sig selv.

Ribosomale RNA'er er større molekyler, der antager komplekse tredimensionelle konformationer og udviser sekundær og tertiær struktur.

DNA-struktur

Dobbelt helix

I modsætning til lineært RNA består DNA-arrangementet af to sammenflettede strenge. Denne strukturelle forskel er afgørende for at udføre dens specifikke funktioner. RNA er ikke i stand til at danne denne type helikser på grund af en sterisk hindring pålagt af den yderligere OH-gruppe, som dens sukker præsenterer.

Basiskomplementaritet

Der er komplementaritet mellem baserne. Det er, som en konsekvens af deres størrelse, form og kemiske sammensætning, at puriner skal parres med en pyrimidin gennem brintbindinger. Af denne grund finder vi i naturligt DNA, at A næsten altid er parret med T og G med C, og danner hydrogenbindinger med deres partnere.

Baseparrene mellem G og C er forbundet med tre hydrogenbindinger, mens parret A og T er svagere, og kun to hydrogenbindinger holder dem sammen.

DNA-strenge kan adskilles (dette forekommer både i cellen og i laboratorieprocedurer), og den nødvendige varme afhænger af mængden af GC i molekylet: jo større det er, jo mere energi tager det at adskille det.

Strandorientering

Et andet kendetegn ved DNA er dets modsatte orientering: mens en streng løber i 5'-3'-retning, løber dens partner i 3'-5'-retningen.

Naturlige konformationer og i laboratoriet

Strukturen eller konformationen, som vi normalt finder i naturen, kaldes DNA B. Dette er karakteriseret ved at have 10,4 nukleotider for hver tur, adskilt med en afstand på 3,4. DNA B drejer til højre.

Dette snoede mønster resulterer i udseendet af to furer, en større og en mindre.

I nukleinsyrer dannet i laboratoriet (syntetisk) kan andre konformationer findes, som også vises under meget specifikke forhold. Disse er DNA A og DNA Z.

Variant A gør også drejen til højre, skønt den er kortere og lidt bredere end den naturlige. Molekylet tager denne form, når fugtigheden falder. Den roterer hvert 11. basepar.

Den sidste variant er Z, kendetegnet ved at være smal og ved at dreje til venstre. Det dannes af en gruppe hexanukleotider, der er grupperet i en duplex af antiparallelle kæder.

Funktioner

DNA: arvelighedsmolekyle

DNA er et molekyle, der kan gemme information. Livet, som vi kender det på vores planet, afhænger af evnen til at gemme og oversætte sådanne oplysninger.

For cellen er DNA et slags bibliotek, hvor alle de nødvendige instruktioner til fremstilling, udvikling og vedligeholdelse af en levende organisme findes.

I DNA-molekylet finder vi en organisation af diskrete funktionelle enheder kaldet gener. Nogle af dem vil blive ført op til proteiner, mens andre vil udføre regulatoriske funktioner.

Strukturen af DNA, som vi beskriver i det foregående afsnit, er nøglen til at udføre dens funktioner. Helixen skal være i stand til let at adskille og gå sammen - en nøgleegenskab til replikation og transkription begivenheder.

DNA findes i prokaryoter på et specifikt sted i deres cytoplasma, medens det i eukaryoter er placeret i kernen.

RNA: et multifunktionelt molekyle

Roll i proteinsyntese

RNA er en nukleinsyre, som vi finder i forskellige stadier af proteinsyntese og i reguleringen af genekspression.

Proteinsyntese begynder med transkriptionen af den krypterede meddelelse i DNA til et messenger-RNA-molekyle. Dernæst skal messenger fjerne de dele, der ikke vil blive oversat, kendt under navnet introns.

Til oversættelse af RNA-meddelelsen til aminosyrerester er to yderligere komponenter nødvendige: det ribosomale RNA, der er en del af ribosomerne, og overførings-RNA, der vil bære aminosyrerne og vil være ansvarlig for at indsætte den korrekte aminosyre i peptidkæden. I træning.

Med andre ord spiller hver hovedtype af RNA en kritisk rolle i denne proces. Denne passage fra DNA til messenger-RNA og endelig til proteiner er det, som biologer kalder "det centrale dogme i biologien."

Da videnskab ikke kan være baseret på dogmer, er der imidlertid forskellige tilfælde, hvor denne forudsætning ikke er opfyldt, såsom retrovira.

Reguleringsrolle

De små RNA'er, der er nævnt ovenfor, deltager indirekte i syntesen, orkestrerer syntesen af messenger-RNA og deltager i reguleringen af ekspression.

For eksempel er der i cellen forskellige messenger-RNA'er, der reguleres af små RNA'er, som har en sekvens, der er komplementær til dette. Hvis det lille RNA knytter sig til beskeden, kan det spalte messenger og således forhindre dets oversættelse. Der er flere processer, der reguleres på denne måde.

Referencer

Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2015). Væsentlig cellebiologi. Garland Science.
Berg, JM, Tymoczko, JL, Stryer, L. (2002). Biokemi. 5. udgave. WH Freeman.
Cooper, GM, & Hausman, RE (2000). Cellen: Molekylær tilgang. Sinauer Associates.
Curtis, H., & Barnes, NS (1994). Invitation til biologi. Macmillan.
Fierro, A. (2001). Kort historie om opdagelsen af DNA-strukturen. Pastor Méd Clínica Las Condes, 20, 71-75.
Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) Oprindelse og udvikling af DNA og DNA-replikationsmaskiner. I: Madame Curie Bioscience Database. Austin (TX): Landes Bioscience.
Karp, G. (2009). Celle- og molekylærbiologi: koncepter og eksperimenter. John Wiley & sønner.
Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). Den evolutionære overgang fra RNA til DNA i tidlige celler. Tidsskrift for molekylær evolution, 27 (4), 283-290.
Lodish, H., Berk, A., Darnell, JE, Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP,… & Matsudaira, P. (2008). Molekylær cellebiologi. Macmillan.
Voet, D., & Voet, JG (2006). Biokemi. Panamerican Medical Ed.
Voet, D., Voet, JG, & Pratt, CW (1999). Grundlæggende i biokemi. New York: John Willey og sønner.

NUKLEINSYRER: EGENSKABER, FUNKTIONER, STRUKTUR - BIOLOGI - 2025