Egenskaber ved nukleinsyrer

Indhold

• Generelle egenskaber ved DNA
• Generelle egenskaber ved RNA
• De nitrogenholdige baser
• Transkription og oversættelse
• Fra DNA-strenge til kromosomer
• Nukleinsyrer og livets fremkomst
• Medicinske terapier

Vigtige nukleinsyrer i naturen inkluderer deoxyribonucleinsyre eller DNA og ribonukleinsyre eller RNA. De kaldes syrer, fordi de er proton (dvs. hydrogenatom) donorer, og derfor bærer de en negativ ladning.

Kemisk er DNA og RNA polymerer, hvilket betyder, at de består af gentagne enheder, ofte et meget stort antal af dem. Disse enheder kaldes nukleotider. Alle nukleotider inkluderer igen tre forskellige kemiske portioner: en pentosesukker, en fosfatgruppe og en nitrogenbase.

DNA adskiller sig fra RNA på tre primære måder. Den ene er, at det sukker, der udgør den strukturelle "rygrad" i nukleinsyremolekylet, er deoxyribose, hvorimod det i RNA er ribose. Hvis du overhovedet er bekendt med kemisk nomenklatur, vil du erkende, at dette er en lille forskel i det samlede strukturelle plan; ribose har fire hydroxylgrupper (-OH), mens deoxyribose har tre.

Den anden forskel er, at selv om en af ​​de fire nitrogenholdige baser, der findes i DNA, er thymin, er den tilsvarende base i RNA uracil. De nitrogenholdige baser af nukleinsyrer er det, der dikterer de ultimative egenskaber ved disse molekyler, fordi phosphat- og sukkerdelene ikke varierer inden for eller mellem molekyler af samme type.

Endelig er DNA dobbeltstrenget, hvilket betyder, at det består af to lange kæder af nukleotider, der er kemisk bundet af to nitrogenholdige baser. DNA'et vikles ind i en "dobbelt helix" -form, ligesom en fleksibel stige snoet i modsatte retninger i begge ender.

Generelle egenskaber ved DNA

Deoxyribose består af en fem-atomring, fire kulhydrater og en ilt, formet som en femkant eller måske hjemmeplade i baseball. Fordi kulstof danner fire bindinger og ilt to, giver dette otte bindingssteder fri på de fire carbonatomer, to pr. Kulstof, et over og et under ringen. Tre af disse pletter optages af hydroxylgrupper (-OH), og fem kræves af hydrogenatomer.

Dette sukkermolekyle kan binde til en af ​​fire nitrogenholdige baser: adenin, cytosin, guanin og thymin. Adenin (A) og guanin (G) er puriner, medens cytosin (C) og thymin (T) er pyrimidiner. Puriner er større molekyler end pyrimidiner; fordi de to strenge af ethvert komplet DNA-molekyle er bundet i midten af ​​deres nitrogenholdige baser, skal disse bindinger dannes mellem en purin og en pyrimidin for at holde den samlede størrelse af de to baser på tværs af molekylet nogenlunde konstant. (Det hjælper med at henvise til ethvert diagram over nukleinsyrer under læsning, såsom dem der er beskrevet i Referencerne.) Som det sker, binder A udelukkende til T i DNA, mens C udelukkende binder til G.

Deoxyribose bundet til en nitrogenholdig base kaldes a nukleosid. Når en fosfatgruppe sættes til deoxyribose ved kulstof-to pletter væk fra hvor basen er bundet, dannes et komplet nukleotid. Særegenhederne ved de respektive elektrokemiske ladninger på de forskellige atomer i nukleotider er ansvarlige for dobbeltstrenget DNA, der naturligt danner en spiralform, og de to DNA-strenge i molekylet kaldes komplementære strenge.

Generelle egenskaber ved RNA

Pentosesukkeret i RNA er ribose snarere end deoxyribose. Ribose er identisk med deoxyribose bortset fra at ringstrukturen er bundet til fire hydroxylgrupper (-OH) og fire hydrogenatomer i stedet for henholdsvis tre og fem. Ribosedelen af ​​et nukleotid er bundet til en phosphatgruppe og en nitrogenagtig base, som med DNA, med skiftende phosphater og sukkerarter, der danner RNA "rygraden." Baserne inkluderer som nævnt ovenfor A, C og G, men den anden pyrimidin i RNA er uracil (U) snarere end T.

Mens DNA kun vedrører informationslagring (et gen er simpelthen en DNA-streng, der koder for et enkelt protein), har forskellige typer RNA forskellige funktioner. Messenger-RNA eller mRNA fremstilles af DNA, når det normalt dobbeltstrengede DNA opdeles i to enkeltstrenge med henblik på transkription. Det resulterende mRNA kommer i sidste ende vej mod de dele af celler, hvor proteinfremstilling forekommer, idet den bærer instruktionerne for denne proces leveret af DNA. En anden type RNA, transfer RNA (tRNA), deltager i fremstillingen af ​​proteiner. Dette forekommer på celleorganeller kaldet ribosomer, og ribosomer i sig selv består hovedsageligt af en tredje type RNA kaldet, passende, ribosomalt RNA (rRNA).

De nitrogenholdige baser

De fem nitrogenholdige baser - adenin (A), cytosin (C), guanin (G) og thymin (T) i DNA og de første tre plus uracil (U) i RNA - er de dele af nukleinsyrer, der i sidste ende er ansvarlige for mangfoldighed af genprodukter på tværs af levende ting. Sukker- og fosfatdelene er essentielle, idet de tilvejebringer struktur og stillads, men baserne er der, hvor koderne genereres. Hvis du tænker på din bærbare computer som en nukleinsyre eller i det mindste en streng af nukelotider, er hardware (f.eks. Diskdrev, skærmskærm, mikroprocessor) analogt med sukker og fosfater, hvorimod uanset software og apps, du kører, er nitrogenholdige baser, fordi det unikke sortiment af programmer, du har indlæst på dit system, effektivt gør din computer til en enestående "organisme."

Som beskrevet tidligere klassificeres nitrogenholdige baser som enten puriner (A og G) eller pyrimidiner (C, T og U). A parres altid i en DNA-streng med T, og C parrer altid med G. Det er vigtigt, når en DNA-streng bruges som en skabelon til RNA-syntese (transkription) ved hvert punkt langs det voksende RNA-molekyle, det RNA-nukleotid, der dannes fra "overordnede" DNA-nukleotid inkluderer basen, der er den, som "overordnede" base altid binder til. Dette undersøges i et yderligere afsnit.

Puriner består af en seks-ledig nitrogen-og-carbonring og en fem-medlemmers nitrogen-og-carbonring, ligesom en hexagon og en femkant, der deler en side. Purinsyntese involverer kemisk finjustering af et ribosesukker, efterfulgt af tilsætning af amino (-NH₂) grupper. Pyrimidiner har også en seks-medlemmers nitrogen-og-carbonring, som puriner, men mangler den fem-ledige nitrogen-og-carbon-ring af puriner. Puriner har derfor en højere molekylmasse end pyrimidiner.

Syntesen af ​​nukleotider, der indeholder pyrimidiner, og syntesen af ​​nukleotider, der indeholder puriner, forekommer i modsat rækkefølge i et afgørende trin. I pyrimidiner samles basedelen først, og resten af ​​molekylet modificeres senere til et nukleotid. I puriner modificeres den del, der til sidst bliver adenin eller guanin mod slutningen af ​​nukleotiddannelse.

Transkription og oversættelse

Transkription er oprettelsen af ​​en streng af mRNA fra en DNA-skabelon, der bærer de samme instruktioner (dvs. genetisk kode) til fremstilling af et bestemt protein, som skabelonen gør. Processen forekommer i cellekernen, hvor DNA er placeret.Når et dobbeltstrenget DNA-molekyle adskilles i enkeltstrenge og transkription fortsætter, er mRNA'et, der genereres fra den ene streng i det "udpakkede" DNA-par, identisk med DNA'et fra den anden streng af ikke-zippet DNA, bortset fra at mRNA indeholder U i stedet for T. (Igen, at henvise til et diagram er nyttigt; se referencerne.) MRNA forlader, når den er færdig, kernen gennem porer i den nukleare membran. Når mRNA forlader kernen, fastgøres det til et ribosom.

Enzymer fastgøres derefter til ribosomalkomplekset og hjælper med processen med translation. Oversættelse er konvertering af mRNAs instruktion til proteiner. Dette opstår, når aminosyrer, underenhederne af proteiner, genereres fra tre-nukleotid "kodoner" på mRNA-strengen. Processen involverer også rRNA (da translation finder sted på ribsomer) og tRNA (som hjælper med at samle aminosyrer).

Fra DNA-strenge til kromosomer

DNA-strenge samles i en dobbelt helix på grund af en sammenløb af relaterede faktorer. En af disse er de hydrogenbindinger, der naturligt falder på plads på tværs af forskellige dele af molekylet. Efterhånden som helixen dannes, er bindingsparrene med nitrogenholdige baser vinkelret på aksen for den dobbelte helix som helhed. Hver fulde tur inkluderer i alt ca. 10 basebundbundne par. Det, der måske var blevet kaldt "siderne" af DNA'et, når det blev lagt ud som en "stige", kaldes nu "kæderne" af den dobbelte helix. Disse består næsten udelukkende af ribose- og fosfatdele af nukleotider, med baserne på indersiden. Det siges, at helixen har både større og mindre riller, der bestemmer dens i sidste ende stabile form.

Mens kromosomer kan beskrives som meget lange DNA-strenge, er dette en grov forenkling. Det er sandt, at et givet kromosom i teorien kunne afvikles for at afsløre et enkelt ubrudt DNA-molekyle, men dette undlader at indikere den intrikate spiralering, spolning og klynge, som DNA gør på vej til dannelse af et kromosom. Et kromosom har millioner af DNA-basepar, og hvis alt DNA blev strakt ud uden at bryde helixen, ville dets længde strække sig fra et par millimeter til over en centimeter. I virkeligheden er DNA langt mere kondenseret. Proteiner kaldet histoner dannes fra fire par underenhedsproteiner (i alt otte underenheder). Denne oktamer fungerer som en slags spole for DNA-dobbelthelix til at vikle sig selv to gange, som tråd. Denne struktur, octamer plus DNA, der er omviklet omkring den, kaldes et nukleosom. Når et kromosom delvist afvikles i en streng kaldet en kromatid, vises disse nukleosomer på mikroskopi som perler på en streng. Men over niveauet for nukleosomer forekommer yderligere komprimering af det genetiske materiale, skønt den nøjagtige mekanisme forbliver undvigende.

Nukleinsyrer og livets fremkomst

DNA, RNA og proteiner overvejes biopolymerer fordi de er gentagne sekvenser af information og aminosyrer, der er forbundet med levende ting ("bio" betyder "liv"). Molekylærbiologer i dag anerkender, at DNA og RNA i en eller anden form er forud for fremkomsten af ​​liv på Jorden, men fra og med 2018 var der ingen, der havde fundet ud af vejen fra tidlige biopolymerer til enkle levende ting. Nogle har teoretiseret, at RNA i en eller anden form var den originale kilde til alle disse ting, inklusive DNA. Dette er "RNA-verdenshypotesen." Dette præsenterer imidlertid en slags kylling-og-æg-scenarie for biologer, fordi tilstrækkeligt store RNA-molekyler tilsyneladende ikke kunne have opstået på nogen anden måde end transkription. Under alle omstændigheder undersøger forskere med stigende iver øjeblikket RNA som et mål for det første selvreplicerende molekyle.

Medicinske terapier

Kemikalier, der efterligner bestanddele af nukleinsyrer, bruges i dag som medikamenter, med en yderligere udvikling på dette område i gang. For eksempel har en let modificeret form af uracil, 5-fluorouracil (5-FU) været anvendt i årtier til behandling af karcinom i tyktarmen. Det gør dette ved at efterligne en ægte nitrogenholdig base tæt nok, så den indsættes i nyligt fremstillet DNA. Dette fører til sidst til en nedbrydning i proteinsyntese.

Imitatorer af nukleosider (som du måske husker, er en ribosesukker plus en nitrogenholdig base) er blevet brugt i antibakterielle og antivirale behandlinger. Nogle gange er det basedelen af ​​nukleosidet, der gennemgår modifikation, og andre gange er lægemidlet målrettet mod sukkerdelen.