V fosfodiesterske vezi so kovalentne vezi, ki potekajo med dvema izmed atomov kisika v skupini fosfata in hidroksilnih skupin dveh različnih molekul. V tej vrsti vezi fosfatna skupina deluje kot stabilen vezni "most" med obema molekulama skozi svoje kisikove atome.
Temeljna vloga fosfodiesterskih vezi v naravi je v tvorbi verig nukleinskih kislin, tako DNK kot RNK. Skupaj s pentoznimi sladkorji (deoksiriboza ali riboza, odvisno od primera) so fosfatne skupine del nosilne strukture teh pomembnih biomolekul.
Fosfodiester vez v okostju DNK (Vir: Datoteka: Phosfodiester bond.png, Datoteka: PhosphodiesterBondDiagram.png: Uporabnik: G3pro (pogovori) Uporabnik: G3pro na en.wikipedia.org Izvedena dela: Uporabnik: Merops (pogovor) Izvedeno delo: Uporabnik : Deneapol (pogovor) Izvedbeno delo: Uporabnik: KES47 (pogovor) Spreminjanje besedila: Incnis Mrsi (pogovor) Spreminjanje besedila: DMacks (pogovor)) Izvedbeno delo: Uporabnik: Miguelferig (pogovor) z ionizacijo, prek Wikimedia Commons)
Nukleotidne verige DNA ali RNA lahko, podobno kot beljakovine, prevzamejo različne tridimenzionalne konformacije, ki so stabilizirane z nekovalentnimi vezmi, kot so vodikove vezi med komplementarnimi bazami.
Vendar je primarna struktura dana z linearnim zaporedjem nukleotidov, ki so kovalentno povezani preko fosfodiesterskih vezi.
Kako nastane fosfodiesterska vez?
Tako kot peptidne vezi v beljakovinah in glikozidne vezi med monosaharidi tudi fosfodiesterske vezi izhajajo iz reakcij dehidracije, v katerih se izgubi molekula vode. Tu je splošna shema ene od teh reakcij dehidracije:
HX 1 -OH + HX 2 -OH → HX 1 X 2 -OH + H 2 O
Fosfatni ioni ustrezajo popolnoma deprotonirani konjugirani bazi fosforjeve kisline in se imenujejo anorganski fosfati, katerih okrajšava je Pi. Ko sta dve fosfatni skupini povezani skupaj, nastane brezvodna fosfatna vez in nastane molekula, znana kot anorganski pirofosfat ali PPi.
Ko je fosfatni ion vezan na atom ogljika v organski molekuli, se kemijska vez imenuje fosfatni ester, nastala vrsta pa je organski monofosfat. Če se organska molekula veže na več fosfatnih skupin, nastajajo organski difosfati ali trifosfati.
Kadar se posamezna anorganska fosfatna molekula veže na dve organski skupini, se uporabi fosfodiester ali vez fosfatnega diestera. Pomembno je, da ne mešamo fosfodiesterskih vezi z visokoenergetskimi fosfoanhidro vezmi, na primer med fosfatnimi molekulami, kot je ATP.
Razlike med fosfati in fosforili (Vir: Strater, Wikimedia Commons)
Fosfodiesterske povezave med sosednjimi nukleotidi sestavljajo dve fosfoesterski povezavi, ki se pojavita med hidroksilom na 5 'položaju enega nukleotida in hidroksilom na 3' položaju naslednjega nukleotida v verigi DNA ali RNA.
Glede na pogoje iz okolja lahko te vezi hidroliziramo encimsko in neencimatično.
Encimi vpleteni
Oblikovanje in pretrganje kemičnih vezi je ključnega pomena za vse vitalne procese, kot jih poznamo, in primer fosfodiesterskih vezi ni nobena izjema.
Med najpomembnejše encime, ki lahko tvorijo te vezi, so polimeraze DNK ali RNK in ribocimi. Encimi fosfodiesteraze jih lahko encimsko hidrolizirajo.
Med replikacijo je ključni postopek za razmnoževanje celic v vsakem reakcijskem ciklu dNTP (deoksinukleotid trifosfat), ki dopolnjuje bazo predloge, vgrajen v DNK z reakcijo prenosa nukleotidov.
Polimeraza je odgovorna za tvorbo nove vezi med 3'-OH šablonskega niza in α-fosfata dNTP, zahvaljujoč energiji, ki se sprosti od pretrganja vezi med α in β fosfati dNTP, ki sta povezani s fosfoanhidro vezmi.
Rezultat je razširitev verige z enim nukleotidom in sproščanje molekule pirofosfata (PPi) s. Ugotovljeno je bilo, da si za te reakcije zaslužijo dva dvovalentna magnezijeva iona (Mg 2+ ), katerih prisotnost omogoča elektrostatično stabilizacijo nukleofilskega OH - za doseganje pristopa k aktivnemu mestu encima.
PK a fosfodiesterske vezi je blizu 0, zato so v vodni raztopini te vezi popolnoma ionizirane, negativno nabite.
To daje molekulom nukleinske kisline negativen naboj, ki se nevtralizira zahvaljujoč ionskim interakcijam s pozitivnimi naboji ostankov beljakovinskih aminokislin, elektrostatskemu vezanju s kovinskimi ioni ali povezavi s poliamini.
V vodni raztopini so fosfodiesterske vezi v molekulah DNA veliko bolj stabilne kot v molekuli RNA. V alkalni raztopini se te vezi v molekulah RNA cepijo z intramolekularnim premikom nukleozida na 5 'koncu z 2' oksianionom.
Funkcija in primeri
Kot rečeno, je najpomembnejša vloga teh vezi njihovo sodelovanje pri nastajanju hrbtenice molekul nukleinske kisline, ki so ena najpomembnejših molekul v celičnem svetu.
Aktivnost encimov topoizomeraze, ki aktivno sodelujejo pri razmnoževanju DNK in sintezi beljakovin, je odvisna od interakcije fosfodiesterskih vezi na 5 'koncu DNK s stransko verigo ostankov tirozina na aktivnem mestu le-teh encimi.
Molekule, ki sodelujejo kot drugi glasniki, kot sta ciklični adenozin monofosfat (cAMP) ali ciklični gvanozin trifosfat (cGTP), imajo fosfodiesterske vezi, ki jih hidrolizirajo specifični encimi, znani kot fosfodiesteraze, katerih udeležba je izjemnega pomena za številne signalne procese celični.
Glicerofosfolipidi, temeljne komponente v bioloških membranah, so sestavljeni iz molekule glicerola, ki se prek fosfodiesterskih vezi veže na polarne skupine glave, ki tvorijo hidrofilno območje molekule.
Reference
- Fothergill, M., Goodman, MF, Petruska, J., & Warshel, A. (1995). Strukturno-energijska analiza vloge kovinskih ionov pri hidrolizi fosfodiesterskih vezi z DNA polimerazo I. Journal of American Chemical Society, 117 (47), 11619-11627.
- Lodish, H., Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Martin, K. (2003). Molekularna celična biologija (5. izd.). Freeman, WH & Company.
- Nakamura, T., Zhao, Y., Yamagata, Y., Hua, YJ, & Yang, W. (2012). Gledanje DNK polimeraze η tvori fosfodiestersko vez. Narava, 487 (7406), 196-201.
- Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Lehningerjeva načela biokemije. Edicije Omega (5. izdaja)
- Oivanen, M., Kuusela, S., & Lönnberg, H. (1998). Kinetika in mehanizmi za cepitev in izomerizacijo fosfodiesterskih vezi RNA s pomočjo razpršenih kislin in baz. Kemični pregledi, 98 (3), 961-990.
- Pradeepkumar, PI, Höbartner, C., Baum, D., & Silverman, S. (2008). DNK-katalizirana tvorba nukleopeptidnih povezav. Angewandte Chemie International Edition, 47 (9), 1753–1757.
- Soderberg, T. (2010). Organska kemija z biološkim poudarkom letnik II (letnik II). Minnesota: Univerza v Minnesoti Morris Digital Well. Pridobljeno z www.digitalcommons.morris.umn.edu