Charakterystyka kwasów nukleinowych, funkcje, struktura

kwasy nukleinowe Są to duże biomolekuły utworzone przez jednostki lub monomery zwane nukleotydami. Są odpowiedzialne za przechowywanie i transmisję informacji genetycznych. Uczestniczą również w każdym z etapów syntezy białek.

Strukturalnie każdy nukleotyd powstaje przez grupę fosforanową, pięciokrębowy cukier i heterocykliczną podstawę azotu (A, T, C, G i U). Fizjologiczne pH, kwasy nukleinowe są ujemnie naładowane, są rozpuszczalne w wodzie, tworzą lepkie roztwory i są dość stabilne.

Źródło: Pixabay.com

Istnieją dwa główne typy kwasów nukleinowych: DNA i RNA. Skład obu kwasów nukleinowych jest podobny: w obu znajdujemy serię nukleotydów zjednoczonych wiązań fosfodiéster. Jednak w DNA znajdujemy Timinę (T) i w RNA uracyl (U).

DNA jest dłuższe i znajduje się w konformacji podwójnej śmigła, a RNA powstaje przez pojedynczą nici. Te cząsteczki są obecne we wszystkich żywych organizmach, od wirusów po duże ssaki.

[TOC]

Perspektywa historyczna

Odkrycie kwasów nukleinowych

Odkrycie kwasów nukleinowych pochodzi z 1869 roku, gdy Friedrich Miescher zidentyfikował chromatynę. W swoich eksperymentach Miescher wykonał ekstrakcję materiału galaretowatego z jądra i odkrył, że ta substancja była bogata w fosfor.

Początkowo tajemniczy materiał został oznaczony jako „nukleina”. Późniejsze eksperymenty na nukleinie doszły do ​​wniosku, że jest to nie tylko bogate w fosfor, ale także w węglowodanach i podstawach organicznych.

Phoebus levene stwierdził, że nukleina była polimerem liniowym. Chociaż podstawowe właściwości chemiczne kwasów nukleinowych były znane, nie uważano, że istnieje związek między tym polimerem a dziedzicznym materiałem żywych istot.

Odkrycie funkcji DNA

W połowie lat 40. nie było to mało przekonujące dla biologów od momentu, gdy cząsteczka odpowiedzialna za przekazywanie i przechowywanie informacji organizmu przebywała w cząsteczce z konformacją tak prostą, jak DNA - złożone z czterech monomerów (nukleotydy) bardzo podobne siebie.

Białka, polimery złożone z 20 rodzajów aminokwasów, wydawały się, że bardziej prawdopodobne kandydatów są cząsteczką dziedzictwa.

Ta wizja zmieniła się w 1928 r., Kiedy badacz Fred Griffith podejrzewał, że nukleina była zaangażowana w dziedzictwo. Wreszcie, w 1944 r. Oswald Avery udało się stwierdzić z solidnymi dowodami, że DNA zawierało informacje genetyczne.

W ten sposób DNA przeszedł od nudnej i monotonnej cząsteczki, składanej tylko przez cztery bloki strukturalne, do cząsteczki, która umożliwia przechowywanie ogromnej liczby informacji, i która może ją utrzymać i przesyłać w precyzyjny, dokładny i skuteczny sposób.

Odkrycie struktury DNA

Rok 1953 był rewolucją nauk biologicznych, ponieważ naukowcy James Watson i Francis Crick wyjaśnili prawidłową strukturę DNA.

Na podstawie analizy wzorców odbicia X -GRY, wyniki Watsona i Cricka zasugerowały, że cząsteczka jest podwójną helisą, w której grupy fosforanowe tworzą zewnętrzny szkielet, a zasady są rzutowane.

Zwykle stosuje się analogię drabiny, w której poręcze odpowiadają fosforanom i krokom do podstaw.

Odkrycie sekwencjonowania DNA

W ciągu ostatnich dwóch dekad wystąpiły niezwykłe postępy w biologii, prowadzone przez sekwencjonowanie DNA. Dzięki postępom technologicznym mamy dziś w technologii niezbędnej, aby znać z dość wysoką precyzją sekwencję DNA - przez „sekwencję”.

Początkowo wyjaśnienie sekwencji było drogim wydarzeniem i wymagało dużo czasu na zakończenie. Obecnie nie jest problemem poznanie sekwencji całych genomów.

Charakterystyka

Obciążenie i rozpuszczalność

Jak sama nazwa wskazuje, natura kwasów nukleinowych jest kwaśna i jest cząsteczkami o wysokiej rozpuszczalności w wodzie; to znaczy, że są hydrofilowy. Przy fizjologicznym pH cząsteczka jest ujemnie naładowana przez obecność grup fosforanów.

W wyniku tego białka, z którymi jest powiązane DNA, są bogate w reszty aminokwasowe z dodatnimi obciążeniami. Prawidłowe powiązanie DNA ma kluczowe znaczenie dla opakowania w komórkach.

Breja

Lepkość kwasu nukleinowego zależy od tego, czy jest to podwójny, czy prosty pasek. DNA z podwójnym pasmem tworzy roztwory o wysokiej lepkości, ponieważ jego struktura jest sztywna, przeciwna odporności na odkształcenie. Ponadto są to wyjątkowo długie cząsteczki w stosunku do jej średnicy.

Natomiast istnieją również roztwory kwasu nukleinowego w prostym pasmach, które charakteryzują się zmniejszoną lepkością.

Stabilność

Inną cechą kwasów nukleinowych jest ich stabilność. Oczywiście cząsteczka z tak niezbędną pracą, jak magazynowanie dziedzictwa musi być bardzo stabilne.

Dla porównania, DNA jest bardziej stabilny niż RNA, ponieważ brakuje mu grupy hydroksylowej.

Możliwe jest, że ta chemiczna cecha odgrywała ważną rolę w ewolucji kwasów nukleinowych i w wyborze DNA jako materiału dziedzicznego.

Może ci służyć: protocouration

Według hipotetycznych przejść podniesionych przez niektórych autorów, RNA zastąpiono DNA w przyszłości ewolucyjnej. Jednak dziś istnieją pewne wirusy, które wykorzystują RNA jako materiał genetyczny.

Absorpcja światła ultrafioletowego

Absorpcja kwasów nukleinowych zależy również, czy w podwójnym pasm, czy w prostym pasm. Szczyt absorpcji pierścieni w jego strukturze wynosi 260 nanometrów (nm).

Gdy nici DNA podwójnego pasma zaczyna się oddzielić, wchłanianie do wspomnianej długości fali wzrasta, ponieważ pierścienie tworzące nukleotydy są odsłonięte.

Ten parametr jest ważny dla biologów molekularnych w laboratorium, ponieważ pomiar absorpcji mogą oszacować ilość DNA, która istnieje w ich próbkach. Zasadniczo znajomość właściwości DNA przyczynia się do jego oczyszczania i leczenia w laboratoriach.

Klasyfikacja (typy)

Dwa główne kwasy nukleinowe to DNA i RNA. Oba są elementami wszystkich żywych istot. DNA to akronim dla kwasu deoksyrybonukleinowego i RNA dla kwasu rybonukleinowego. Obie cząsteczki odgrywają fundamentalną rolę w dziedziczeniu i syntezy białek.

DNA jest cząsteczką, która przechowuje wszystkie niezbędne informacje do rozwoju organizmu i jest grupowana w jednostkach funkcjonalnych zwanych genach. RNA jest odpowiedzialny za przyjmowanie tych informacji i wraz z kompleksami białkowymi tłumaczy informacje o łańcuchu nukleotydowym na łańcuch aminokwasowy.

Łańcuchy RNA mogą mieć długie lub kilka tysięcy nukleotydów, podczas gdy łańcuchy DNA przekraczają miliony nukleotydów i mogą być wizualizowane pod światłem mikroskopu optycznego, jeśli są barwione barwnikiem.

Podstawowe różnice strukturalne między dwiema cząsteczkami będą je szczegółowo opisać w następnym rozdziale.

RNA

W komórkach istnieją różne rodzaje RNA, które wspólnie działają, aby zorganizować syntezę białek. Trzy główne typy RNA to posłaniec, rybosomal i transfer.

Messenger RNA

RNA posłańca jest odpowiedzialne za kopiowanie przesłania, które istnieje w DNA i przetransportowanie go do syntezy białek, które mają miejsce w strukturach zwanych rybosomami.

Rybosomalny lub rybosomalny RNA

RNA rybosomalny jest częścią tej niezbędnej maszyny: rybosom. Del Ribosoma, 60% jest utworzone przez rybosoma RNA, a reszta jest zajęta przez prawie 80 różnych białek.

Przenieś RNA

Przeniesienie RNA jest rodzajem molekularnego adaptera, który transportuje aminokwasy (bloki strukturalne białek) do rybosomu, który ma być włączony.

RNA mały

Oprócz tych trzech podstawowych rodzajów, istnieje dodatkowa seria RNA, które zostały niedawno odkryte i które odgrywają istotną rolę w syntezie białek i w ekspresji genów.

Małe nuklearne RNA, skrócone jako snRNA uczestniczą jako jednostki katalityczne w Splicing (Proces składający się z eliminacji intronów) komunikatora RNA.

Małe lub snorna jąderowe RNA są zaangażowane w przetwarzanie rybosomalnych transkryptów pre-arn, które będą częścią podjednostki rybosomu. Dzieje się tak w jądrze.

Krótkie RNA interferencji i mikroarnów to małe sekwencje RNA, których główną rolą jest modulacja ekspresji genów. Mikroarna są kodowane z DNA, ale nie kontynuuje tłumaczenia białka. Są monokatenarios i można je uzupełnić z przesłaniem RNA, hamując ich tłumaczenie białka.

Struktura i skład chemiczny

Kwasy nukleinowe to długie łańcuchy polimerów utworzone z monomerycznych jednostek zwanych nukleotydami. Każdy składa się z:

Grupa fosforanowa

Istnieją cztery rodzaje nukleotydów, które mają wspólną strukturę: grupa fosforanowa związana z pentozą przez wiązanie fosfodi. Obecność fosforanów nadaje cząsteczce kwaśny charakter. Grupa fosforanowa jest zdysocjowana na pH komórki, więc jest obciążona ujemnie.

To ujemne obciążenie pozwala na związek kwasów nukleinowych z cząsteczkami, których obciążenie jest dodatnie.

Komórki wewnętrzne, a także w płynach pozakomórkowych możemy znaleźć małe ilości nukleozydów. Są to cząsteczki utworzone przez wszystkie składniki nukleotydu, ale brakuje im grup fosforanowych.

Według nomenklatury nukleotyd jest nukleozydem, który ma jedną, dwie lub trzy grupy fosforanowe estryfikowane w hydroksylu w węglu 5 '. Nukleozydy z trzema fosforanami biorą udział w syntezie kwasów nukleinowych, chociaż wykonują one również inne funkcje w komórce.

Pentose

Pentoza to monomeryczny węglowodan utworzony pięć atomów węgla. W DNA pentoza jest dezoksyrybozą, która charakteryzuje się utratą grupy hydroksylowej w węglu 2 '. W RNA pentoza jest rybozą.

Może ci służyć: neo -charytaryzm

Baza azotu

Pantosa jest z kolei powiązana z bazą ekologiczną. Tożsamość nukleotydu jest zapewniana przez tożsamość podstawy. Istnieje pięć rodzajów, skróconych przez jego początkowe: adeninę (A), guaninę (G), cytozynę (C), Timina (T) i uracyl (U).

Często zdarza się, że w literaturze stwierdzamy, że używają tych pięciu liter w odniesieniu do całego nukleotydu. Jednak ściśle mówiąc, są to tylko część nukleotydu.

Pierwsze trzy, A, G i C, są wspólne zarówno dla DNA, jak i RNA. Podczas gdy T jest unikalny dla DNA, a uracyl jest ograniczony do cząsteczki RNA.

Strukturalnie zasady to heterocykliczne związki chemiczne, których pierścienie składają się z cząsteczek węgla i azotu. A i g są tworzone przez kilka stopionymi pierścieniami i należą do grupy Purinas. Pozostałe podstawy należą do pirymidyn, a ich struktura jest tworzona przez pojedynczy pierścień.

Często zdarza się, że w obu typach kwasów nukleinowych znajdujemy serię zmodyfikowanych zasad, takich jak dodatkowa grupa metylowa.

Kiedy to zdarzenie, mówimy, że podstawa jest metylowana. W prokariotach zwykle występują metylowane adeniny, a zarówno w prokariotach, jak i w eukariotach cytozyny mogą mieć dodatkową metodę.

Jak wygląda polimeryzacja?

Jak wspomnieliśmy, kwasy nukleinowe są długimi łańcuchami utworzonymi przez monomery - nukleotydy. Aby utworzyć łańcuchy, są one powiązane w określony sposób.

Kiedy nukleotydy polimeryzan, grupa hydroksylowa (-OH), która występuje w węglu 3 'cukru jednego z nukleotydów, tworzy łącze estrowe z grupą fosforanową z innej cząsteczki nukleotydowej. Podczas tworzenia tego ogniwa zachodzi eliminacja cząsteczki wody.

Ten typ reakcji nazywa się „reakcją kondensacji” i jest bardzo podobny do tego, co występuje, gdy peptydowe łącza białek między dwoma aminokwasowymi odpadami. Nazywane są powiązania między każdą parą nukleotydów Fosfodiéster Links.

Podobnie jak w polipeptydach, łańcuchy kwasu nukleinowego mają dwie orientacje chemiczne na swoich końcach: jeden to koniec 5 ', który zawiera wolną grupę hydroksylową lub grupę fosforanową w węglu 5' cukru końcowego, podczas gdy na końcu stwierdziliśmy, że stwierdzono a Grupa hydroksylowa bez węgla 3 '.

Wyobraź sobie, że każdy blok DNA jest blokiem gry LEGO, z jednym końcem, który jest włożony i z wolną dziurą, w której może wystąpić wstawianie innego bloku. Koniec 5 'z fosforanem będzie ekstremalny do wstawienia, a 3' jest analogiczny do wolnej dziury.

Inne nukleotydy

W komórce znajdujemy inny rodzaj nukleotydów o strukturze innej niż wspomniany powyżej. Chociaż nie będą one częścią kwasów nukleinowych, odgrywają bardzo ważne papiery biologiczne.

Wśród najistotniejszych mamy mononukléido ryboflawiny, znane między innymi jako FMN, Coenzyme A, dyukleotyd Adeniny i Nicotinamina.

Struktura RNA

Liniowa struktura polimeru kwasu nukleinowego odpowiada Struktura pierwotna z tych cząsteczek. Polinukleotydy mają również zdolność tworzenia aranżacji w trzech wymiarach stabilizowanych przez siły niekowalencyjne - podobne do fałdowania, które znajdujemy w białkach.

Chociaż pierwotny skład DNA i RNA jest dość podobny (z wyjątkiem różnic wymienionych powyżej), tworzenie jego struktury jest wyraźnie różne. Powszechnie uważamy RNA jako pojedynczy łańcuch nukleotydowy, chociaż może to wymagać różnych ustaleń.

Na przykład przeniesienie RNA są małe cząsteczki utworzone przez mniej niż 100 nukleotydów. Jego typowa wtórna struktura ma postać koniczyny z trzema ramionami. Oznacza to, że cząsteczka RNA znajduje uzupełniające się zasady i może się złożyć.

RNA rybosomalne to większe cząsteczki, które przyjmują złożone trzy wymiarowe konformacje i mają strukturę wtórną i trzeciorzędową.

Struktura DNA

Podwójny śmigło

W przeciwieństwie do liniowego RNA, układ DNA składa się z dwóch splecionych pasm. Ta różnica strukturalna ma kluczowe znaczenie dla wykonywania swoich specyficznych funkcji. RNA nie jest w stanie utworzyć tego rodzaju śmigieł z powodu przeszkody sterycznej nałożonej przez dodatkową grupę OH, która przedstawia swój cukier.

Podstawowa komplementarność

Wśród baz jest komplementarność. Oznacza to, że w wyniku jego wielkości, formy i składu chemicznego puryny muszą być błotniste z pirymidyną przez wiązania wodorowe. Dlatego w naturalnym DNA stwierdzamy, że A prawie zawsze jest sparowane z T i G z C, tworząc mosty wodoru z ich towarzyszami.

Pary zasad między G i C są połączone trzema mostami wodorowymi, podczas gdy moment obrotowy A i T jest słabszy, a tylko dwa wiązania wodorowe utrzymują je razem.

DNA można oddzielić (występuje to zarówno w komórce, jak i w procedurach laboratoryjnych), a niezbędne ciepło zależy od ilości GC, którą ma cząsteczka: im wyższa jest, tym więcej energii będzie potrzebna do oddzielenia.

Może ci służyć: Mendel Laws

Orientacja pasma

Kolejną cechą DNA jest jego przeciwna orientacja: podczas gdy nici biegnie w kierunku 5 ' - 3', jego partner jest w kierunku 3' -5 '.

Naturalne konformacje i w laboratorium

Struktura lub konformacja, którą zwykle znaleźliśmy w naturze, nazywa się DNA B. Charakteryzuje się tym 10,4 nukleotydami dla każdego okrążenia, oddzielone odległością 3,4. DNA B zmienia się w prawo.

Ten wzór toczenia powoduje pojawienie się dwóch rowków, jednego głównego i jednego mniejszego.

W kwasach nukleinowych utworzonych w laboratorium (syntetycznych) można znaleźć inne konformacje, które pojawiają się również w bardzo specyficznych warunkach. Są to DNA A i DNA Z.

Wariant A wykonuje również prawą obrót, chociaż jest krótszy i nieco szerszy niż naturalny. Cząsteczka nabiera tego kształtu, gdy wilgoć maleje. Obróć co 11 par zasad.

Ostatnim wariantem jest Z, charakteryzujący się wąskim i skręcaniem w lewo. Powstaje go grupa heksanukleotydów, które są zgrupowane w dupleks łańcuchów antipaalla.

Funkcje

DNA: cząsteczka dziedziczenia

DNA to cząsteczka, która może przechowywać informacje. Życie, jak wiemy na naszej planecie, zależy od możliwości zapisywania i tłumaczenia takich informacji.

Dla komórki DNA jest rodzajem księgarni, w której znaleziono wszystkie niezbędne instrukcje dotyczące produkcji, rozwoju i utrzymania żywego organizmu.

W cząsteczce DNA znajdujemy organizację dyskretnych jednostek funkcjonalnych zwanych genami. Niektóre z nich zostaną zabrane do białek, podczas gdy inne będą pełnić funkcje regulacyjne.

Struktura DNA, którą opisujemy w poprzedniej sekcji, jest kluczem do wykonywania jego funkcji. Śmigło musi być w stanie łatwo oddzielić i łączyć się - kluczowa właściwość do zdarzeń replikacji i transkrypcji.

DNA znajduje się w prokariotach w określonym miejscu cytoplazmy, podczas gdy w eukariotach znajduje się w jądrze.

RNA: wielofunkcyjna cząsteczka

Papier w syntezie białek

RNA jest kwasem nukleinowym, który znajdujemy w różnych stadiach syntezy białek i w regulacji ekspresji genów.

Synteza białek zaczyna się od transkrypcji wiadomości zaszyfrowanej w DNA do cząsteczki RNA komunikatora. Następnie posłaniec musi wyeliminować części, które nie będą przetłumaczone, znane jako intron.

W przypadku tłumaczenia przesłania RNA na reszty aminokwasowe konieczne są dwa dodatkowe składniki: rybosomalny RNA, który jest częścią rybosomów, a RNA przenoszącego, który będzie nosił aminokwasy i będzie odpowiedzialne za wstawienie prawidłowego aminokwas do łańcucha peptydowego podczas treningu.

Innymi słowy, każdy główny rodzaj RNA odgrywa fundamentalną rolę w tym procesie. Ten fragment DNA do posłańca i w końcu do białek jest to, co biolodzy nazywają „centralnym dogmatem biologii”.

Ponieważ jednak nauka nie może opierać się na dogmatach, istnieją różne przypadki, w których ta przesłanka nie jest spełniona, takie jak retrowirus.

Rola w regulacji

Mały RNA wspomniany powyżej uczestniczy pośrednio w syntezie, koordynując syntezę przekaźnika RNA i uczestnicząc w regulacji ekspresji.

Na przykład w komórce istnieją różne posłańcy, które są regulowane przez małe RNA, które mają do tego komplementarną sekwencję. Jeśli mały RNA pary z przesłaniem może podzielić posłaniec, zapobiegając w ten sposób jego tłumaczeniu. Istnieje wiele procesów, które są regulowane w ten sposób.

Bibliografia

1. Alberts, ur., Bray, d., Hopkin, k., Johnson, a. D., Lewis, J., Raff, m.,… I Walter, P. (2015). Niezbędna biologia komórki. Garland Science.
2. Berg, J.M., Tymoczko, J.L., Stryer, L. (2002). Biochemia. 5. edycja. W H Freeman.
3. Cooper, g. M., & Hausman, r. I. (2000). Komórka: zbliżaj się do molekularnej. Sinauer Associates.
4. Curtis, h., I Barnes, n. S. (1994). Zaproszenie do biologii. Macmillan.
5. Fierro, a. (2001). Krótka historia odkrycia struktury DNA. Rev Clinic Medicine Las Condes, 20, 71-75.
6. Forterre, s., Filée, j. & Myllykalio, H. (2000-2013) Pochodzenie i ewolucja maszyn do replikacji DNA i DNA. W: Baza danych Madame Curie Bioscience [Internet]. Austin (TX): Landes Bioscience.
7. Karp, g. (2009). Biologia komórkowa i molekularna: koncepcje i eksperymenty. John Wiley & Sons.
8. Lazcano, a., Guerrero, r., Margulis, L., & Gold, J. (1988). Ewolucyjne przejście z RNA do DNA we wczesnych komórkach. Journal of Molecular Evolution, 27(4), 283-290.
9. Lodish, h., Berk, a., Darnell, J. I., Kaiser, c. DO., Krieger, m., Scott, m. P.,… & Matsudaira, p. (2008). Biologia komórek molekularnych. Macmillan.
10. Voet, d., & Voet, J. G. (2006). Biochemia. Wyd. Pan -american Medical.
11. Voet, d., Voet, J. G., & Pratt, C. W. (1999). Fundamentalna biochemia. Nowy York: John Willey and Sons.