De phosphodiesterbindinger er kovalente bindinger, der opstår mellem to af oxygenatomerne i en phosphatgruppe og hydroxylgrupperne af to forskellige molekyler. I denne type binding fungerer phosphatgruppen som en stabil bindende "bro" mellem de to molekyler gennem deres oxygenatomer.
Den grundlæggende rolle af phosphodiesterbindinger i naturen er dannelsen af nukleinsyrekæder, både DNA og RNA. Sammen med pentosesukkerne (deoxyribose eller ribose, som det er tilfældet), er fosfatgrupperne en del af den bærende struktur i disse vigtige biomolekyler.
Phosphodiester bond i DNA-skeletet (Kilde: File: Phosphodiester bond.png, File: PhosphodiesterBondDiagram.png: Bruger: G3pro (tale) Bruger: G3pro på en.wikipedia.org Afledt arbejde: Bruger: Merops (snak) Afledt arbejde: Bruger: Deneapol (samtale) Afledt arbejde: Bruger: KES47 (tale) Tekstjusteringer: Incnis Mrsi (tale) Teksttilpasninger: DMacks (tale)) Afledt arbejde: Bruger: Miguelferig (tale) med ionisering, via Wikimedia Commons)
Nukleotidkæderne af DNA eller RNA, ligesom proteiner, kan antage forskellige tredimensionelle konformationer, der er stabiliseret af ikke-kovalente bindinger, såsom hydrogenbindinger mellem komplementære baser.
Den primære struktur er imidlertid givet ved den lineære sekvens af nukleotider, der er kovalent bundet via phosphodiesterbindinger.
Hvordan dannes en phosphodiesterbinding?
Ligesom peptidbindinger i proteiner og glycosidiske bindinger mellem monosaccharider, er phosphodiesterbindinger resultatet af dehydratiseringsreaktioner, hvor et vandmolekyle går tabt. Her er det generelle skema for en af disse dehydratiseringsreaktioner:
HX 1 -OH + HX 2 -OH → HX 1 -X 2 -OH + H 2 O
Phosphationer svarer til den fuldstændigt deprotonerede konjugatbase af phosphorsyre og kaldes uorganiske phosphater, hvis forkortelse betegnes Pi. Når to phosphatgrupper er forbundet, dannes en vandfri phosphatbinding, og et molekyle kendt som uorganisk pyrophosphat eller PPi opnås.
Når en fosfation er bundet til et carbonatom i et organisk molekyle, kaldes den kemiske binding en phosphatester, og den resulterende art er et organisk monophosphat. Hvis det organiske molekyle binder til mere end en phosphatgruppe, dannes organiske diphosphater eller triphosphater.
Når et enkelt uorganisk phosphatmolekyle er bundet til to organiske grupper, anvendes en phosphodiester- eller "phosphatdiester" -binding. Det er vigtigt ikke at forveksle phosphodiesterbindinger med fosfoanhydrobindinger med høj energi mellem fosfatgrupperne af molekyler som ATP, for eksempel.
Forskelle mellem fosfater og fosforyler (Kilde: Strater, via Wikimedia Commons)
Phosphodiester-bindingerne mellem tilstødende nukleotider består af to phosphoesterbindinger, der forekommer mellem hydroxylen i 5'-stillingen af det ene nucleotid og hydroxylet i 3'-positionen af det næste nucleotid i en DNA- eller RNA-streng.
Afhængig af miljøforholdene kan disse bindinger hydrolyseres både enzymatisk og ikke-enzymatisk.
Involverede enzymer
Dannelse og nedbrydning af kemiske bindinger er afgørende for alle vitale processer, som vi kender dem, og tilfældet med phosphodiesterbindinger er ingen undtagelse.
Blandt de vigtigste enzymer, der kan danne disse bindinger, er DNA- eller RNA-polymeraser og ribozymer. Phosphodiesteraseenzymer er i stand til enzymatisk at hydrolysere dem.
Under replikation inkorporeres en afgørende proces til celleproliferation i hver reaktionscyklus et dNTP (deoxynucleotid-triphosphat), der er komplementært til skabelonbasen, inkorporeret i DNA'et gennem en nukleotidoverførselsreaktion.
Polymerasen er ansvarlig for dannelse af en ny binding mellem 3'-OH i skabelonstrengen og a-fosfat af dNTP, takket være energien frigivet fra brud på bindingerne mellem a og ß-phosphaterne i dNTP, som er forbundet af phosphoanhydrobindinger.
Resultatet er forlængelsen af kæden med et nukleotid og frigivelsen af et molekyle af pyrophosphat (PPi). Det er blevet bestemt, at disse reaktioner fortjener to divalente magnesiumioner (Mg 2+), hvis tilstedeværelse tillader den elektrostatiske stabilisering af nukleofil OH - for at opnå tilgangen til enzymets aktive sted.
PKa en af en phosphodiesterbinding er tæt på 0, så i en vandig opløsning disse bindinger er fuldstændigt ioniseret, negativt ladet.
Dette giver nukleinsyremolekyler en negativ ladning, som neutraliseres takket være ioniske interaktioner med de positive ladninger af proteinaminosyrerester, elektrostatisk binding med metalioner eller tilknytning til polyaminer.
I en vandig opløsning er phosphodiesterbindingerne i DNA-molekyler meget mere stabile end i RNA-molekyler. I en alkalisk opløsning spaltes disse bindinger i RNA-molekyler ved intramolekylær forskydning af nukleosidet ved 5'-enden med en 2 'oxyanion.
Funktion og eksempler
Som nævnt er den mest relevante rolle af disse bindinger deres deltagelse i dannelsen af rygraden af nukleinsyremolekyler, som er et af de vigtigste molekyler i den cellulære verden.
Aktiviteten af topoisomeraseenzymer, der aktivt deltager i DNA-replikation og proteinsyntese, afhænger af interaktionen af phosphodiesterbindingerne ved 5'-enden af DNA med sidekæden af tyrosinrester i det aktive sted af disse enzymer.
Molekyler, der deltager som anden messenger, såsom cyklisk adenosinmonophosphat (cAMP) eller cyklisk guanosintriphosphat (cGTP), har phosphodiesterbindinger, der hydrolyseres af specifikke enzymer kendt som phosphodiesteraser, hvis deltagelse er yderst vigtig for mange signalprocesser cellulære.
Glycerophospholipider, grundlæggende komponenter i biologiske membraner, er sammensat af et glycerolmolekyle, der er bundet via phosphodiesterbindinger til de polære "hoved" -grupper, der udgør den hydrofile region af molekylet.
Referencer
- Fothergill, M., Goodman, MF, Petruska, J., & Warshel, A. (1995). Struktur-energi-analyse af rollen af metalioner i fosfodiesterbindinghydrolyse ved hjælp af DNA Polymerase I. Journal of the American Chemical Society, 117 (47), 11619-11627.
- Lodish, H., Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Martin, K. (2003). Molecular Cell Biology (5. udg.). Freeman, WH & Company.
- Nakamura, T., Zhao, Y., Yamagata, Y., Hua, YJ, & Yang, W. (2012). Ser man på DNA-polymerase η danner en phosphodiester-binding. Nature, 487 (7406), 196-201.
- Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Lehninger-principper for biokemi. Omega-udgaver (5. udgave)
- Oivanen, M., Kuusela, S., & Lönnberg, H. (1998). Kinetik og mekanismer til spaltning og isomerisering af phosphodiesterbindingerne af RNA med bronsted-syrer og baser. Chemical Reviews, 98 (3), 961-990.
- Pradeepkumar, PI, Höbartner, C., Baum, D., & Silverman, S. (2008). DNA-katalyseret dannelse af nucleopeptidbindinger. Angewandte Chemie International Edition, 47 (9), 1753–1757.
- Soderberg, T. (2010). Organisk kemi med biologisk vægt II (bind II). Minnesota: University of Minnesota Morris Digital Well. Hentet fra www.digitalcommons.morris.umn.edu