- Zgodovinska perspektiva
- Odkritje nukleinskih kislin
- Odkritje funkcije DNK
- Odkritje strukture DNK
- Odkritje zaporedja DNK
- značilnosti
- Polnjenje in topnost
- Viskoznost
- Stabilnost
- Absorpcija ultravijolične svetlobe
- Razvrstitev (vrste)
- RNA
- Messenger RNA
- Ribosomska ali ribosomska RNA
- Prenesite RNA
- Majhna RNA
- Sestava in kemična sestava
- Fosfatna skupina
- Pentoza
- Dušikova baza
- Kako pride do polimerizacije?
- Drugi nukleotidi
- Struktura RNK
- Struktura DNK
- Dvojna vijačnica
- Osnove komplementarnosti
- Usmerjenost pramenov
- Naravne skladnosti in v laboratoriju
- Lastnosti
- DNK: molekula dednosti
- RNA: večnamenska molekula
- Vloga v sintezi beljakovin
- Vloga v regulaciji
- Reference
V Nukleinske kisline so velike biomolekul, ki jih oblikuje artiklov ali monomerov, imenovanih nukleotidi. Zadolženi so za shranjevanje in prenos genetskih informacij. Prav tako sodelujejo pri vsakem koraku sinteze beljakovin.
Vsak nukleotid je strukturno sestavljen iz fosfatne skupine, pet-ogljikovega sladkorja in heterociklične dušikove baze (A, T, C, G in U). Pri fiziološkem pH so nukleinske kisline negativno nabiti, topne v vodi, tvorijo viskozne raztopine in so precej stabilne.
Vir: pixabay.com
Obstajata dve glavni vrsti nukleinskih kislin: DNA in RNA. Sestava obeh nukleinskih kislin je podobna: v obeh najdemo vrsto nukleotidov, povezanih s fosfodiesterskimi vezmi. Vendar pa v DNK najdemo timin (T) in RNA uracil (U).
DNK je daljši in je v dvojni spiralni konformaciji, RNA pa je sestavljena iz enega samega niza. Te molekule so prisotne v vseh živih organizmih, od virusov do velikih sesalcev.
Zgodovinska perspektiva
Odkritje nukleinskih kislin
Odkritje nukleinskih kislin sega v leto 1869, ko je Friedrich Miescher identificiral kromatin. Miescher je v svojih poskusih iz jedra izvlekel želatinast material in ugotovil, da je ta snov bogata s fosforjem.
Na začetku je bil material skrivnostne narave označen kot "nuklein". Poznejši poskusi na nukleinu so ugotovili, da ni bogat samo s fosforjem, ampak tudi z ogljikovimi hidrati in organskimi bazami.
Phoebus Levene je ugotovil, da je nuklein linearni polimer. Čeprav so bile poznane osnovne kemijske lastnosti nukleinskih kislin, ni veljalo, da obstaja povezava med tem polimerom in dednim materialom živih bitij.
Odkritje funkcije DNK
Sredi 40-ih let prejšnjega stoletja za biologe ni bilo prepričljivo, da je molekula, zadolžena za prenašanje in shranjevanje informacij o organizmu, prebivala v molekuli s tako enostavno strukturo kot DNK - sestavljena iz štirih zelo podobnih monomerov (nukleotidi) vsak.
Proteini, polimeri, sestavljeni iz 20 vrst aminokislin, so bili takrat najbolj verjetni kandidati za molekularno dednost.
To stališče se je spremenilo leta 1928, ko je raziskovalec Fred Griffith posumil, da je nuklein vpleten v dednost. Nazadnje je leta 1944 Oswaldu Averyju uspelo s trdnimi dokazi sklepati, da DNK vsebuje genetske podatke.
Tako je DNK prešel iz dolgočasne in monotone molekule, sestavljene iz samo štirih gradnikov, do molekule, ki omogoča shranjevanje ogromnega števila informacij, ki jih lahko ohranja in prenaša na natančen, natančen in učinkovit način.
Odkritje strukture DNK
Leto 1953 je bilo za biološke vede revolucionarno, saj sta raziskovalca James Watson in Francis Crick razjasnila pravilno strukturo DNK.
Na podlagi analiz vzorcev odboja rentgenskih žarkov sta Watson in Crick pokazala, da je molekula dvojna vijačnica, kjer fosfatne skupine tvorijo zunanjo hrbtenico in podlage štrlijo v notranjost.
Na splošno se uporablja analogija lestve, kjer ograje ustrezajo fosfatnim skupinam, prečke pa k osnovam.
Odkritje zaporedja DNK
V zadnjih dveh desetletjih je prišlo do izjemnega napredka biologije, ki ga je vodilo sekvenciranje DNK. Zahvaljujoč tehnološkemu napredku imamo danes potrebno tehnologijo, da zaporedje DNK poznamo s precej visoko natančnostjo - pod "zaporedjem" mislimo na vrstni red baz.
Na začetku je bilo razjasnjevanje zaporedja drag dogodek in je trajalo veliko časa. Trenutno ni problem poznati zaporedja celotnih genomov.
značilnosti
Polnjenje in topnost
Kot že ime pove, je narava nukleinskih kislin kisla in so molekule z visoko topnostjo v vodi; torej so hidrofilni. Pri fiziološkem pH se molekula zaradi prisotnosti fosfatnih skupin negativno nabira.
Posledično so beljakovine, s katerimi je povezan DNK, bogate z aminokislinskimi ostanki s pozitivnimi naboji. Pravilna povezava DNK je ključnega pomena za njeno pakiranje v celice.
Viskoznost
Viskoznost nukleinske kisline je odvisna od tega, ali je dvojna ali enojna. Dvopasovna DNK tvori raztopine z visoko viskoznostjo, saj je njena struktura toga, odporna na deformacije. Poleg tega so glede na njihov premer izjemno dolge molekule.
V nasprotju s tem obstajajo tudi enobarvne raztopine nukleinske kisline, za katere je značilna nizka viskoznost.
Stabilnost
Druga značilnost nukleinskih kislin je njihova stabilnost. Seveda mora biti molekula s tako nepogrešljivo nalogo, kot je shranjevanje dediščine, zelo stabilna.
Primerjalno je DNK bolj stabilen kot RNA, saj nima hidroksilne skupine.
Možno je, da je ta kemijska lastnost igrala pomembno vlogo pri razvoju nukleinskih kislin in pri izbiri DNK kot dednega materiala.
Po hipotetičnih prehodih, ki jih predlagajo nekateri avtorji, je RNA v evolucijskem procesu nadomestila DNK. Vendar danes obstaja nekaj virusov, ki RNA uporabljajo kot genetski material.
Absorpcija ultravijolične svetlobe
Absorpcija nukleinskih kislin je odvisna tudi od tega, ali je dvopojasna ali enopojasna. Absorpcijski vrh obročev v njihovi strukturi je 260 nanometrov (nm).
Ko se veriga dvojnega pasu DNK začne ločevati, se absorpcija na omenjeni valovni dolžini poveča, saj so obročki, ki sestavljajo nukleotide, izpostavljeni.
Ta parameter je pomemben za molekularne biologe v laboratoriju, saj lahko z merjenjem vnosa ocenijo količino DNK, ki obstaja v njihovih vzorcih. Na splošno poznavanje lastnosti DNK prispeva k njenemu čiščenju in zdravljenju v laboratorijih.
Razvrstitev (vrste)
Dve glavni nukleinski kislini sta DNA in RNA. Oboje je sestavni del vsega živega. DNA pomeni deoksiribonukleinska kislina, RNA pa ribonukleinska kislina. Obe molekuli igrata temeljno vlogo pri dednosti in sintezi beljakovin.
DNK je molekula, ki hrani vse informacije, potrebne za razvoj organizma, in je razvrščena v funkcionalne enote, imenovane geni. RNA je odgovorna za jemanje teh informacij in skupaj z beljakovinskimi kompleksi prevaja informacije iz verige nukleotidov v verigo aminokislin.
Prameni RNK so lahko dolgi nekaj sto ali nekaj tisoč nukleotidov, medtem ko prameni DNK presegajo milijone nukleotidov in jih je mogoče vizualizirati pod lučjo optičnega mikroskopa, če jih obarvamo z barvili.
Osnovne strukturne razlike med obema molekulama bodo podrobno opisane v naslednjem razdelku.
RNA
V celicah obstajajo različne vrste RNA, ki skupaj delujejo na orkestracijo sinteze beljakovin. Tri glavne vrste RNK so messenger, ribosomal in transfer.
Messenger RNA
Messenger RNA je odgovoren za kopiranje sporočila, ki obstaja v DNK, in njegovo prenašanje v sintezo beljakovin, ki poteka v strukturah, imenovanih ribosomi.
Ribosomska ali ribosomska RNA
Ribosomalna RNK najdemo kot del tega bistvenega mehanizma: ribosoma. Od ribosoma 60% tvori ribosomska RNA, preostanek pa zaseda skoraj 80 različnih beljakovin.
Prenesite RNA
Prenosna RNA je nekakšen molekularni adapter, ki prevaža aminokisline (gradnike beljakovin) do ribosoma, ki ga je treba vgraditi.
Majhna RNA
Poleg teh treh osnovnih vrst so pred kratkim odkrili še številne dodatne RNK, ki igrajo bistveno vlogo pri sintezi beljakovin in ekspresiji genov.
Majhne jedrske RNK, okrajšano kot snRNA, sodelujejo kot katalitične entitete pri spajanju (postopku odstranjevanja intronov) messenger RNA.
Majhne nukleolarne RNA ali snoRNA so vključene v obdelavo pre-ribosomalnih RNK prepisov, ki bodo del ribosomske podenote. To se zgodi v nukleolu.
Kratke moteče RNA in mikroRNA so majhne sekvence RNA, katerih glavna vloga je modulacija genske ekspresije. MikroRNA so kodirane iz DNK, vendar se njihov prevod v beljakovine ne nadaljuje. So enodročni in lahko dopolnjujejo sporočilo RNA, zavirajo njegov prevod v beljakovine.
Sestava in kemična sestava
Nukleinske kisline so dolge polimerne verige, sestavljene iz monomernih enot, imenovanih nukleotidi. Vsako je sestavljeno iz:
Fosfatna skupina
Obstajajo štiri vrste nukleotidov in imajo skupno strukturo: fosfatna skupina, povezana s pentozo preko fosfodiesterske vezi. Prisotnost fosfatov daje molekuli kisli značaj. Fosfatna skupina disociira pri pH celice, zato je negativno nabit.
Ta negativni naboj omogoča povezavo nukleinskih kislin z molekulami, katerih naboj je pozitiven.
Majhne količine nukleozidov najdemo znotraj celic in tudi v zunajcelični tekočini. To so molekule, sestavljene iz vseh komponent nukleotida, ki pa nimajo fosfatnih skupin.
V skladu s to nomenklaturo je nukleotid nukleozid, ki ima eno, dve ali tri fosfatne skupine, esterificirane v hidroksilu, ki se nahaja na 5 'ogljiku. Nukleozidi s tremi fosfati sodelujejo pri sintezi nukleinskih kislin, čeprav opravljajo tudi druge funkcije v celici.
Pentoza
Pentoza je monomerni ogljikov hidrat, sestavljen iz petih atomov ogljika. V DNK je pentoza deoksiriboza, za katero je značilna izguba hidroksilne skupine pri ogljiku 2 '. V RNA je pentoza riboza.
Dušikova baza
Pentoza se veže na organsko bazo. Identiteta nukleotida je zagotovljena z identiteto baze. Obstaja pet vrst, ki jih skrajšajo začetnice: adenin (A), gvanin (G), citozin (C), timin (T) in uracil (U).
V literaturi je običajno, da teh pet črk uporabljamo za označevanje celotnega nukleotida. Vendar, strogo gledano, so to le del nukleotida.
Prve tri, A, G in C, so skupne tako DNK kot RNA. Ker je T edinstven za DNK, uracil pa je omejen na molekulo RNA.
Strukturno so baze heterociklične kemične spojine, katerih obroči so sestavljeni iz molekul ogljika in dušika. A in G tvorita par spojenih obročev in spadata v skupino purinov. Preostale podlage pripadajo pirimidinom in njihova struktura je sestavljena iz enega obroča.
Običajno je, da pri obeh vrstah nukleinskih kislin najdemo vrsto spremenjenih baz, kot je dodatna metilna skupina.
Ko se ta dogodek zgodi, rečemo, da je osnova metilirana. V prokariotih se običajno nahajajo metilirani adenini, pri prokariotu in evkariotu pa imajo lahko citozini dodatno metilno skupino.
Kako pride do polimerizacije?
Kot smo omenili, so nukleinske kisline dolge verige, sestavljene iz monomerov - nukleotidov. Za oblikovanje verig so te povezane na poseben način.
Ko nukleotidi polimerizirajo, hidroksilna skupina (-OH), ki jo najdemo na 3 'ogljiku sladkorja enega od nukleotidov, tvori estersko vez s fosfatno skupino iz druge nukleotidne molekule. Med tvorbo te vezi pride do odstranitve molekule vode.
Ta vrsta reakcije se imenuje "kondenzacijska reakcija" in je zelo podobna tisti, ki se pojavi, ko se peptidne vezi v beljakovinah tvorijo med dvema aminokislinskima ostankoma. Veze med vsakim parom nukleotidov imenujemo fosfodiesterske vezi.
Tako kot pri polipeptidih imajo verige nukleinske kisline na svojih koncih dve kemični usmeritvi: ena je 5 'konec, ki vsebuje 5-ogljik končnega sladkorja prosto hidroksilno skupino ali fosfatno skupino, medtem ko je na 3 koncu „Na ogljiku 3 najdemo prosto hidroksilno skupino.
Predstavljajmo si, da je vsak DNK blok nabor Lego, z enim koncem, ki je vstavljen, in s prosto luknjo, kjer lahko pride do vstavitve drugega bloka. 5 'konec s fosfatom bo konec, ki ga je treba vstaviti, 3' pa je analogen prosti luknji.
Drugi nukleotidi
V celici najdemo drugo vrsto nukleotidov z drugačno strukturo od zgoraj omenjene. Čeprav te ne bodo del nukleinskih kislin, igrajo zelo pomembno biološko vlogo.
Med najpomembnejšimi imamo riboflavin mononukleotid, znan med drugim kot FMN, koencim A, adeninski dinukleotid in nikotinamin.
Struktura RNK
Linearna struktura polimera nukleinske kisline ustreza primarni strukturi teh molekul. Polinukleotidi imajo tudi sposobnost tvorjenja tridimenzionalnih nizov, stabiliziranih z nekovalentnimi silami - podobno kot zgibanje, ki ga najdemo v beljakovinah.
Čeprav je primarna sestava DNK in RNK precej podobna (razen zgoraj omenjenih razlik), je sestava njihove strukture izrazito drugačna. RNK običajno najdemo kot eno samo nukleotidno verigo, čeprav lahko prevzamejo različne ureditve.
Prenosne RNK so na primer majhne molekule, sestavljene iz manj kot 100 nukleotidov. Njegova značilna sekundarna zgradba je v obliki detelje s tremi kraki. To pomeni, da molekula RNA v notranjosti najde komplementarne baze in se lahko zloži nase.
Ribosomske RNK so večje molekule, ki prevzamejo zapletene tridimenzionalne konformacije in imajo sekundarno in terciarno strukturo.
Struktura DNK
Dvojna vijačnica
Za razliko od linearne RNA razporeditev DNK sestoji iz dveh prepletenih niti. Ta strukturna razlika je ključna za izvajanje njenih specifičnih funkcij. RNA ni sposobna tvoriti tovrstnih vijačnic zaradi sterične ovire, ki jo nalaga dodatna OH skupina, ki jo predstavlja njen sladkor.
Osnove komplementarnosti
Med osnovami obstaja komplementarnost. To pomeni, da se morajo purini zaradi svoje velikosti, oblike in kemične sestave s vodikovimi vezmi pariti s pirimidinom. Zaradi tega v naravni DNK ugotavljamo, da je A skoraj vedno seznanjen s T in G s C, s partnerji tvori vodikove vezi.
Osnovni pari med G in C so povezani s tremi vodikovimi vezmi, medtem ko sta par A in T šibkejši, le dve vodikovi vezi ju držita skupaj.
Vlakne DNK lahko ločimo (to se dogaja tako v celici kot v laboratorijskih postopkih), potrebna toplota pa je odvisna od količine GC v molekuli: večja kot je, več energije bo potrebno, da jo ločimo.
Usmerjenost pramenov
Druga značilnost DNK je njegova nasprotna usmeritev: medtem ko pramen teče v smeri 5'-3 ', njegov partner teče v smeri 3'-5'.
Naravne skladnosti in v laboratoriju
Strukturo ali konformacijo, ki jo običajno najdemo v naravi, imenujemo DNA B. Za to je značilno, da ima 10,4 nukleotidov za vsak zavoj, ločenih z razdaljo 3,4. DNK B zavije v desno.
Ta vzorec navijanja povzroči nastanek dveh brazd, ene večje in ene manjše.
V nukleinskih kislinah, ki nastanejo v laboratoriju (sintetične), lahko najdemo druge konformacije, ki se pojavijo tudi v zelo specifičnih pogojih. To sta DNA A in DNA Z.
Različica A tudi zavije v desno, čeprav je krajša in nekoliko širša od naravne. Molekula dobi to obliko, ko se vlaga zmanjša. Zasuka vsakih 11 baznih parov.
Zadnja varianta je Z, za katero je značilno, da je ozek in zavije na levo. Nastane v skupini heksanukleotidov, ki so združeni v dupleks antiparalelnih verig.
Lastnosti
DNK: molekula dednosti
DNK je molekula, ki lahko shranjuje informacije. Življenje, kakršno poznamo na našem planetu, je odvisno od sposobnosti shranjevanja in prevajanja takšnih informacij.
Za celico je DNK nekakšna knjižnica, kjer najdete vsa potrebna navodila za izdelavo, razvoj in vzdrževanje živega organizma.
V molekuli DNK najdemo organizacijo diskretnih funkcionalnih entitet, imenovanih geni. Nekateri od njih bodo preneseni na beljakovine, drugi pa bodo izpolnjevali regulativne funkcije.
Struktura DNK, ki jo opisujemo v prejšnjem razdelku, je ključna za izvajanje njenih funkcij. Vijačnica se mora imeti možnost ločevanja in združevanja - ključna lastnost za replikacijo in prepisovanje.
DNK najdemo v prokariotih na določenem mestu v njihovi citoplazmi, medtem ko se v evkariotih nahaja znotraj jedra.
RNA: večnamenska molekula
Vloga v sintezi beljakovin
RNA je nukleinska kislina, ki jo najdemo v različnih fazah sinteze beljakovin in pri uravnavanju genske ekspresije.
Sinteza beljakovin se začne s prepisovanjem šifriranega sporočila v DNK v molekulo RNA. Nato mora glasnik odpraviti dele, ki jih ne bomo prevedli, znane po imenu intronov.
Za prevod sporočila RNA v aminokislinske ostanke sta potrebni dve dodatni komponenti: ribosomalna RNA, ki je del ribosomov, in prenosna RNA, ki bo nosila aminokisline in bo odgovorna za vstavljanje pravilne aminokisline v peptidno verigo. Na treningih.
Z drugimi besedami, vsaka glavna vrsta RNA ima kritično vlogo v tem procesu. Ta prehod od DNK do selitvene RNK in nazadnje do beljakovin je tisto, kar biologi imenujejo "osrednja dogma biologije".
Ker pa znanost ne more temeljiti na dogmah, obstajajo različni primeri, ko ta predpostavka ni izpolnjena, na primer retrovirusi.
Vloga v regulaciji
Zgoraj omenjene majhne RNK posredno sodelujejo pri sintezi, orkestriranju sinteze messenger RNA in sodelujejo pri uravnavanju izražanja.
Na primer, v celici obstajajo različne messenger RNA, ki jih uravnavajo majhne RNA, ki imajo zaporedje, ki dopolnjuje to. Če se majhna RNA priloži sporočilu, lahko razdeli sel in tako prepreči njegovo prevajanje. Obstaja več procesov, ki so urejeni na ta način.
Reference
- Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2015). Bistvena celična biologija. Garland Science.
- Berg, JM, Tymoczko, JL, Stryer, L. (2002). Biokemija. 5. izdaja WH Freeman.
- Cooper, GM in Hausman, RE (2000). Celica: Molekularni pristop. Sinauer Associates.
- Curtis, H., in Barnes, NS (1994). Povabilo k biologiji. Macmillan.
- Fierro, A. (2001). Kratka zgodovina odkritja strukture DNK. Rev Méd Clínica Las Condes, 20, 71–75.
- Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) Poreklo in razvoj strojev za podvajanje DNK in DNK. V: Baza podatkov o bioznanosti Madame Curie. Austin (TX): Landes Bioscience.
- Karp, G. (2009). Celična in molekularna biologija: koncepti in poskusi. John Wiley & Sons.
- Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). Evolucijski prehod iz RNA v DNK v zgodnjih celicah. Časopis za molekularno evolucijo, 27 (4), 283-290.
- Lodish, H., Berk, A., Darnell, JE, Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, poslanec,… & Matsudaira, P. (2008). Molekularna celična biologija. Macmillan.
- Voet, D., & Voet, JG (2006). Biokemija. Panamerican Medical Ed.
- Voet, D., Voet, JG, & Pratt, CW (1999). Osnove biokemije. New York: John Willey in sinovi.