Nukleiinihappojen ominaisuudet

Sisältö

• DNA: n yleiset ominaisuudet
• RNA: n yleiset ominaisuudet
• Typpipitoiset emäkset
• Transkriptio ja käännös
• DNA-juosteista kromosomeihin
• Nukleiinihapot ja elämän synty
• Lääketieteelliset hoidot

Tärkeitä luonnon nukleiinihappoja ovat deoksiribonukleiinihappo tai DNA ja ribonukleiinihappo tai RNA. Niitä kutsutaan hapoiksi, koska ne ovat protonien (ts. Vetyatomien) luovuttajia, ja siksi heillä on negatiivinen varaus.

Kemiallisesti DNA ja RNA ovat polymeerejä, mikä tarkoittaa, että ne koostuvat toistuvista yksiköistä, usein erittäin suuresta määrästä niitä. Näitä yksiköitä kutsutaan nukleotidin. Kaikki nukleotidit puolestaan ​​sisältävät kolme erillistä kemiallista osaa: pentoosisokeri, fosfaattiryhmä ja typpipitoinen emäs.

DNA eroaa RNA: sta kolmella primaarisella tavalla. Yksi on, että sokeri, joka muodostaa nukleiinihappomolekyylin rakenteellisen "rungon", on desoksiboosi, kun taas RNA: ssa se on riboosi. Jos tunnet lainkaan kemiallisen nimikkeistön, huomaat, että tämä on pieni ero kokonaisrakenteessa; riboosissa on neljä hydroksyyli (-OH) -ryhmää, kun taas deoksiriboosissa on kolme.

Toinen ero on, että vaikka yksi neljästä DNA: ssa löydetystä typpipitoisesta emäksestä on tymiini, vastaava emäs RNA: ssa on urasiili. Nukleiinihappojen typpipitoiset emäkset määräävät näiden molekyylien lopulliset ominaisuudet, koska fosfaatti- ja sokeriosat eivät vaihtele samantyyppisten molekyylien sisällä tai välillä.

Lopuksi, DNA on kaksijuosteinen, mikä tarkoittaa, että se koostuu kahdesta pitkästä nukleotidiketjusta, jotka on kemiallisesti sidottu kahdella typpipohjaisella emäksellä. DNA kääritään "kaksoiskierre" -muotoon, kuten joustavat tikkaat, jotka on kierretty vastakkaisiin suuntiin molemmissa päissä.

DNA: n yleiset ominaisuudet

Deoksiriboosi koostuu viiden atomin renkaasta, neljästä hiilestä ja happeesta, joka on muotoiltu viisikulmioksi tai kenties kotilevyksi baseballissa. Koska hiili muodostaa neljä sidosta ja happea kaksi, tämä jättää kahdeksan sitoutumiskohdan vapaiksi neljälle hiiliatomille, kaksi hiiltä kohti, yksi renkaan yläpuolella ja yksi alapuolella. Kolme näistä pisteistä on hydroksyyli (-OH) -ryhmien miehittämiä ja viisi väitetään vetyatomeilla.

Tämä sokerimolekyyli voi sitoutua yhteen neljästä typpipitoisesta emäksestä: adeniini, sytosiini, guaniini ja tymiini. Adeniini (A) ja guaniini (G) ovat puriineja, kun taas sytosiini (C) ja tymiini (T) ovat pyrimidiinit. Puriinit ovat suurempia molekyylejä kuin pyrimidiinit; koska minkä tahansa täydellisen DNA-molekyylin kaksi juostetta on sidottu keskellä typpipohjaisilla emäksillään, näiden sidosten tulee muodostua yhden puriinin ja yhden pyrimidiinin väliin, jotta kahden emäksen kokonaiskoko molekyylin läpi pysyisi suunnilleen vakiona. (Se auttaa viitaamaan kaikkiin nukleiinihappokaavioihin lukemisen yhteydessä, kuten viitteisiin.) Kuten tapahtuu, A sitoutuu DNA: ssa yksinomaan T: hen, kun taas C sitoutuu yksinomaan G: hen.

Typpipitoiseen emäkseen sitoutuneena deoksiriboosina kutsutaan a nukleosidi. Kun fosfaattiryhmää lisätään deoksiribosiiniin hiilestä kahdessa pisteessä päässä emäksen kiinnittymisestä, muodostuu täydellinen nukleotidi. Nukleotidien eri atomien vastaavien sähkökemiallisten varausten erityispiirteet ovat vastuussa kaksijuosteisesta DNA: sta, joka muodostaa luonnollisesti kierteisen muodon, ja molekyylin kahta DNA-juostetta kutsutaan täydentävät juosteet.

RNA: n yleiset ominaisuudet

RNA: n pentoosisokeri on mieluummin riboosi kuin deoksiribososi. Ribosi on identtinen deoksiribosiinin kanssa paitsi, että rengasrakenne on sitoutunut neljään hydroksyyli (-OH) -ryhmään ja neljään vetyatomiin vastaavasti kolmen ja viiden sijaan. Nukleotidin riboosiosa on sitoutunut fosfaattiryhmään ja typpipohjaiseen emäkseen, kuten DNA: n kanssa, vuorottelevien fosfaattien ja sokereiden kanssa, jotka muodostavat RNA: n "rungon". Emäksiin, kuten yllä todettiin, sisältyvät A, C ja G, mutta RNA: n toinen pyrimidiini on urasiili (U) kuin T.

Kun taas DNA koskee vain tiedon varastointia (geeni on yksinkertaisesti DNA-juoste, joka koodaa yhtä proteiinia), erityyppisillä RNA: lla on erilaisia ​​toimintoja. Messenger-RNA tai mRNA valmistetaan DNA: sta, kun tavallisesti kaksijuosteinen DNA jakaa kahteen yksittäiseen juosteeseen transkription vuoksi. Tuloksena oleva mRNA viime kädessä kulkee kohti solun osia, joissa tapahtuu proteiinin valmistusta, kantaen DNA: n toimittamat tämän prosessin ohjeet. Toinen tyyppi RNA: ta, siirto RNA (tRNA), osallistuu proteiinien valmistukseen. Tätä tapahtuu soluorganelleissa, joita kutsutaan ribosomeiksi, ja ribosomit itsessään koostuvat pääasiassa kolmannesta tyypistä RNA: ta, jota kutsutaan osuvasti ribosomaaliseksi RNA: ksi (rRNA).

Typpipitoiset emäkset

Viisi typpipitoista emästä - adeniini (A), sytosiini (C), guaniini (G) ja tymiini (T) DNA: ssa ja kolme ensimmäistä plus urasiili (U) RNA: ssa - ovat nukleiinihappojen osia, jotka ovat viime kädessä vastuussa geenituotteiden monimuotoisuus elävissä olosuhteissa. Sokeri- ja fosfaattiosat ovat välttämättömiä, koska ne tarjoavat rakenteen ja rakennustelineet, mutta emäkset ovat siellä, missä koodit syntyy. Jos ajattelet kannettavaa tietokonettasi nukleiinihappona tai ainakin nucelotidijonoina, laitteistot (esim. Levyasemat, näyttöruutu, mikroprosessori) ovat analogisia sokereille ja fosfaateille, kun taas kaikki käyttämäsi ohjelmistot ja sovellukset ovat kuin typpipitoisia emäksiä, koska ainutlaatuinen valikoima ohjelmia, jotka olet ladannut järjestelmääsi, tekee tietokoneesta tehokkaasti ainutlaatuisen "organismin".

Kuten aikaisemmin on kuvattu, typpipitoiset emäkset luokitellaan joko puriiniksi (A ja G) tai pyrimidiiniksi (C, T ja U). Aina parit DNA-juosteessa T: n kanssa ja C paritellaan aina G.: n kanssa. Tärkeää on, että kun DNA-juostetta käytetään templaattina RNA-synteesille (transkriptio), kussakin pisteessä kasvavan RNA-molekyylin pitkin, syntyy RNA-nukleotidi. "Emo" -nukleotidista sisältää emäksen, johon "emäs" -taso aina sitoutuu. Tätä tutkitaan seuraavassa osassa.

Puriinit koostuvat kuusijäsenisestä typpi- ja hiilirenkaasta ja viisijäsenisestä typpi- ja hiilirenkaasta, kuten kuusikulmio ja viisikulma, joilla on sivut. Puriinisynteesiin kuuluu riboosisokerin kemiallinen mukauttaminen, jota seuraa amino (-NH₂) ryhmät. Pyrimidineillä on myös kuusijäseninen typpi- ja hiilirengas, kuten puriineilla, mutta puuttuvat puriinien viidejäsenisestä typpi- ja hiilirenkaasta. Puriinien molekyylimassa on siten korkeampi kuin pyrimidiinien.

Pyrimidinejä sisältävien nukleotidien synteesi ja puriineja sisältävien nukleotidien synteesi tapahtuvat päinvastaisessa järjestyksessä yhdessä tärkeässä vaiheessa. Pyrimidiinissä emäsosa kootaan ensin ja loput molekyylistä modifioidaan nukleotidiksi myöhemmin. Puriineissa osa, josta lopulta tulee adeniini tai guaniini, modifioidaan kohti nukleotidin muodostumisen loppua.

Transkriptio ja käännös

Transkriptio on mRNA-juosteen luominen DNA-templaatista, sisältäen samat ohjeet (ts. Geneettisen koodin) tietyn proteiinin valmistamiseksi kuin templaatti tekee. Prosessi tapahtuu solun ytimessä, jossa DNA sijaitsee.Kun kaksijuosteinen DNA-molekyyli erottuu yksittäisiksi juosteiksi ja transkriptio etenee, "purkautumattoman" DNA-parin yhdestä juosteesta muodostuva mRNA on identtinen purkautumattoman DNA: n toisen juosteen kanssa, paitsi että mRNA sisältää U T. (Jälleen viittaus kaavioon on hyödyllinen; katso viitteet.) Kun mRNA on valmis, se jättää ytimen ydinkalvon huokosten läpi. Sen jälkeen kun mRNA on poistunut ytimestä, se kiinnittyy ribosomiin.

Sitten entsyymit kiinnittyvät ribosomikompleksiin ja auttavat käännösprosessissa. Translaatio on mRNA: n ohjeen muuntaminen proteiineiksi. Tämä tapahtuu, kun aminohapot, proteiinien alayksiköt, tuotetaan mRNA-juosteen kolmen nukleotidin "kodoneista". Prosessiin sisältyy myös rRNA (koska translaatio tapahtuu ribosomeilla) ja tRNA (joka auttaa aminohappojen kokoamisessa).

DNA-juosteista kromosomeihin

DNA-juosteet kokoontuvat kaksoiskierreksi liittyvien tekijöiden yhtymäkohdan vuoksi. Yksi näistä on vety sidokset, jotka kuuluvat luonnollisesti paikoilleen molekyylin eri osien yli. Kun heliksi muodostuu, typpipitoisten emästen sidosparit ovat kohtisuorassa kaksoisheeliksen akseliin nähden kokonaisuutena. Jokainen täysi käännös sisältää yhteensä noin 10 kantapohjaan sidottua paria. Sitä, jota olisi voinut kutsua DNA: n "sivuiksi", kun se asetettiin "tikkaiksi", kutsutaan nyt kaksoispiraalin "ketjuiksi". Ne koostuvat melkein kokonaan nukleotidien riboosi- ja fosfaattiosista emästen ollessa sisällä. Kierukalla sanotaan olevan sekä suuria että pieniä uria, jotka määrittävät sen lopulta vakaan muodon.

Vaikka kromosomeja voidaan kuvata erittäin pitkiksi DNA-juosteiksi, tämä on karkea yksinkertaistaminen. On totta, että tietty kromosomi voisi teoriassa olla purkautumatta paljastamaan yhtä katkaisematonta DNA-molekyyliä, mutta tämä ei osoita monimutkaista kelaamista, kelaamista ja klusteroitumista, jonka DNA kulkee kromosomin muodostamiseksi. Yhdessä kromosomissa on miljoonia DNA-emäsparia, ja jos kaikki DNA venytettäisiin heliksiä rikkomatta, sen pituus ulottuisi muutamasta millimetristä yli senttimetriin. Todellisuudessa DNA on paljon tiivistynyt. Histoneiksi kutsutut proteiinit muodostuvat neljästä alayksikköproteiinipaarista (yhteensä kahdeksan alayksikköä). Tämä oktameeri toimii eräänlaisena kelana DNA-kaksoiskierreelle kietoutuakseen kahdesti, kuten lanka. Tätä rakennetta, oktaameeri plus sen ympärille kääritty DNA, kutsutaan nukleosomiksi. Kun kromosomi on osittain puristettu juosteeksi, jota kutsutaan kromatidiksi, nämä nukleosomit näyttävät mikroskopialla olevan helmiä narussa. Mutta nukleosomitason yläpuolella tapahtuu edelleen geneettisen materiaalin puristuminen, vaikka tarkka mekanismi onkin vaikea.

Nukleiinihapot ja elämän synty

DNA, RNA ja proteiinit otetaan huomioon biopolymeerit koska ne ovat toistuvia informaatiosekvenssejä ja aminohappoja, jotka liittyvät eläviin olosuhteisiin ("bio" tarkoittaa "elämää"). Molekyylibiologit tunnustavat nykyään, että DNA ja RNA ovat jossain muodossa ennen elämän syntymistä Maapallolla, mutta vuodesta 2018 lähtien kukaan ei ollut selvittänyt polkua varhaisista biopolymeereistä yksinkertaisiin eläviin esineisiin. Jotkut ovat teorioineet, että RNA oli jossain muodossa kaikkien näiden asioiden, myös DNA: n, alkuperäinen lähde. Tämä on "RNA-maailman hypoteesi". Tämä tarjoaa kuitenkin eräänlaisen kana- ja muna-skenaarion biologille, koska riittävän suuria RNA-molekyylejä ei näennäisesti voinut syntyä millään muulla tavalla kuin transkription avulla. Joka tapauksessa tutkijat pyrkivät yhä innokkaammin tutkimaan RNA: ta ensimmäisen itsensä replikoivan molekyylin kohteena.

Lääketieteelliset hoidot

Nukleiinihappojen ainesosia jäljitteleviä kemikaaleja käytetään nykyään lääkkeinä, ja tällä alalla on jatkokehitystä. Esimerkiksi urasiilin hiukan muokattua muotoa, 5-fluoriurasiilia (5-FU), on käytetty vuosikymmenien ajan paksusuolen karsinooman hoidossa. Se tekee tämän jäljittelemällä todellista typpipitoista emästä riittävän tarkasti, jotta se insertoituu vastavalmistettuun DNA: han. Tämä johtaa lopulta proteiinisynteesin hajoamiseen.

Nukleosidien jäljittelijöitä (jotka voi muistuttaa, että ne ovat riboosisokeri plus typpipohjainen emäs) on käytetty antibakteerisissa ja viruslääkkeissä. Joskus nukleosidin perusosa muuttuu, ja toisinaan lääke kohdistuu sokeriosaan.