Kjennetegn på nukleinsyrer

Innhold

• Generelle kjennetegn på DNA
• Generelle kjennetegn ved RNA
• Nitrogenholdige baser
• Transkripsjon og oversettelse
• Fra DNA-tråder til kromosomer
• Nukleinsyrer og livets fremvekst
• Medisinske terapier

Viktige nukleinsyrer i naturen inkluderer deoksyribonukleinsyre, eller DNA, og ribonukleinsyre, eller RNA. De kalles syrer fordi de er proton (dvs. hydrogenatom) givere, og derfor har de en negativ ladning.

Kjemisk er DNA og RNA polymerer, noe som betyr at de består av repeterende enheter, ofte et veldig stort antall av dem. Disse enhetene heter nukleotider. Alle nukleotider inkluderer igjen tre distinkte kjemiske porsjoner: en pentosesukker, en fosfatgruppe og en nitrogenholdig base.

DNA skiller seg fra RNA på tre primære måter. Den ene er at det sukkeret som utgjør den strukturelle "ryggraden" i nukleinsyremolekylet er deoksyribose, mens det i RNA er ribose. Hvis du i det hele tatt er kjent med kjemisk nomenklatur, vil du innse at dette er en liten forskjell i det overordnede strukturelle opplegget; ribose har fire hydroksylgrupper (-OH), mens deoksyribose har tre.

Den andre forskjellen er at selv om en av de fire nitrogenholdige basene som finnes i DNA er tymin, er den tilsvarende basen i RNA uracil. De nitrogenholdige basene av nukleinsyrer er det som dikterer de endelige egenskapene til disse molekylene, fordi fosfat- og sukkerdelene ikke varierer innenfor eller mellom molekyler av samme type.

Endelig er DNA dobbeltstrenget, noe som betyr at det består av to lange kjeder med nukleotider kjemisk bundet av to nitrogenholdige baser. DNAet vikles inn i en "dobbel helix" -form, som en fleksibel stige som er vridd i motsatte retninger i begge ender.

Generelle kjennetegn på DNA

Deoxyribose består av en fem-atomring, fire karbonatomer og en oksygen, formet som en femkant eller kanskje hjemmeplate i baseball. Fordi karbon danner fire bindinger og oksygen to, etterlater dette åtte bindingssteder fri på de fire karbonatomer, to per karbon, en over og en under ringen. Tre av disse flekkene er okkupert av hydroksylgrupper (-OH), og fem kreves av hydrogenatomer.

Dette sukkermolekylet kan binde seg til en av fire nitrogenholdige baser: adenin, cytosin, guanin og timin. Adenin (A) og guanin (G) er puriner, mens cytosin (C) og tymin (T) er pyrimidiner. Puriner er større molekyler enn pyrimidiner; fordi de to strengene til et hvilket som helst komplett DNA-molekyl er bundet i midten av deres nitrogenholdige baser, må disse bindingene dannes mellom en purin og en pyrimidin for å holde den totale størrelsen på de to basene over molekylet omtrent konstant. (Det hjelper å referere til et hvilket som helst diagram over nukleinsyrer når du leser, for eksempel de i referansene.) Som det skjer, binder A utelukkende til T i DNA, mens C utelukkende binder seg til G

Deoxyribose bundet til en nitrogenholdig base kalles a nukleosid. Når en fosfatgruppe tilsettes deoxyribose ved karbonet to flekker bort fra der basen er festet, dannes et komplett nukleotid. Særegenhetene ved de respektive elektrokjemiske ladningene på de forskjellige atomene i nukleotider er ansvarlige for dobbeltstrenget DNA som naturlig danner en spiralform, og de to DNA-strengene i molekylet kalles komplementære tråder.

Generelle kjennetegn ved RNA

Pentosesukkeret i RNA er ribose snarere enn deoksyribose. Ribose er identisk med deoksyribose bortsett fra at ringstrukturen er bundet til fire hydroksylgrupper (-OH) og fire hydrogenatomer i stedet for henholdsvis tre og fem. Ribosedelen av et nukleotid er bundet til en fosfatgruppe og en nitrogenholdig base, som med DNA, med vekslende fosfater og sukkerarter som danner RNA "ryggraden." Basene inkluderer som nevnt ovenfor A, C og G, men det andre pyrimidinet i RNA er uracil (U) snarere enn T.

Mens DNA kun er opptatt av informasjonslagring (et gen er ganske enkelt en DNA-streng som koder for et enkelt protein), har forskjellige typer RNA forskjellige funksjoner. Messenger RNA, eller mRNA, er laget av DNA når det vanligvis dobbeltstrengede DNA splittes i to enkeltstrenger for transkripsjonsformål. Det resulterende mRNA tar til slutt veien mot de delene av celler der proteinfremstilling skjer, og bærer instruksjonene for denne prosessen levert av DNA. En andre type RNA, transfer RNA (tRNA), deltar i produksjonen av proteiner. Dette forekommer på celleorganeller kalt ribosomer, og ribosomer i seg selv består hovedsakelig av en tredje type RNA kalt, passende nok, ribosomalt RNA (rRNA).

Nitrogenholdige baser

De fem nitrogenholdige basene - adenin (A), cytosin (C), guanin (G) og tymin (T) i DNA og de tre første pluss uracil (U) i RNA - er delene av nukleinsyrer som til syvende og sist er ansvarlige for mangfold av genprodukter på tvers av levende ting. Sukker- og fosfatdelene er essensielle ved at de gir struktur og stillaser, men basene er der kodene genereres. Hvis du tenker på den bærbare datamaskinen din som en nukleinsyre eller i det minste en streng med nukelotider, er maskinvaren (f.eks. Harddisker, monitorskjerm, mikroprosessor) analog med sukker og fosfater, mens uansett hvilken programvare og apper du kjører er nitrogenholdige baser, fordi det unike utvalget av programmer du har lastet inn på systemet ditt, gjør datamaskinen din til en enestående "organisme."

Som beskrevet tidligere er nitrogenholdige baser klassifisert som enten puriner (A og G) eller pyrimidiner (C, T og U). A parer seg alltid i en DNA-streng med T, og C parer seg alltid med G. Det er viktig at når en DNA-streng brukes som en mal for RNA-syntese (transkripsjon), ved hvert punkt langs det voksende RNA-molekylet, RNA-nukleotidet som er opprettet fra "foreldre" DNA-nukleotid inkluderer basen som er den "foreldre" -basen alltid binder til. Dette utforskes i et ytterligere avsnitt.

Puriner består av en seks-leddet nitrogen-og-karbonring og en fem-leddet nitrogen-og-karbonring, som en sekskant og en femkant som deler en side. Purinsyntese innebærer kjemisk finjustering av et ribosesukker, etterfulgt av tilsetning av amino (-NH₂) grupper. Pyrimidiner har også en seks-leddet nitrogen-og-karbonring, som puriner, men mangler den fem-leddede nitrogen-og-karbonringen av puriner. Puriner har derfor en høyere molekylmasse enn pyrimidiner.

Syntese av nukleotider som inneholder pyrimidiner og syntesen av nukleotider som inneholder puriner, forekommer i motsatt rekkefølge i ett avgjørende trinn. I pyrimidiner blir basisdelen samlet først, og resten av molekylet blir senere modifisert til et nukleotid. I puriner modifiseres den delen som til slutt blir adenin eller guanin mot slutten av nukleotiddannelsen.

Transkripsjon og oversettelse

Transkripsjon er opprettelsen av en streng av mRNA fra en DNA-mal, som inneholder de samme instruksjonene (dvs. genetisk kode) for å lage et bestemt protein som malen gjør. Prosessen skjer i cellekjernen, der DNA befinner seg.Når et dobbeltstrenget DNA-molekyl skiller seg ut i enkeltstrenger og transkripsjonen fortsetter, er mRNA som er generert fra en streng av det "unzipped" DNA-paret identisk med DNAet fra den andre strengen med unzipped DNA, bortsett fra at mRNA inneholder U istedenfor T. (Igjen, å referere til et diagram er nyttig; se referanser.) MRNA, når den er fullstendig, forlater kjernen gjennom porene i kjernemembranen. Etter at mRNA forlater kjernen, festes den til et ribosom.

Enzymer fester seg deretter til ribosomalkomplekset og hjelper til med prosessen med oversettelse. Oversettelse er konvertering av mRNA-instruksjonene til proteiner. Dette skjer når aminosyrer, underenhetene til proteiner, genereres fra tre-nukleotid "kodoner" på mRNA-strengen. Prosessen involverer også rRNA (siden translasjon foregår på ribsomer) og tRNA (som hjelper til å sette sammen aminosyrer).

Fra DNA-tråder til kromosomer

DNA-tråder samles i en dobbel helix på grunn av en sammenflytning av relaterte faktorer. En av disse er hydrogenbindingen som naturlig faller på plass over forskjellige deler av molekylet. Når heliksen dannes, er bindingsparene med nitrogenholdige baser vinkelrett på aksen til den doble heliksen som helhet. Hver hele sving inkluderer totalt rundt 10 basebundbundne par. Det som kan ha blitt kalt "sidene" av DNAet når det ble lagt ut som en "stige", kalles nå "kjedene" til den doble heliksen. Disse består nesten utelukkende av ribose- og fosfatdelene av nukleotider, med basene på innsiden. Helixen sies å ha både store og mindre spor som bestemmer dens til slutt stabile form.

Selv om kromosomer kan beskrives som veldig lange DNA-tråder, er dette en grov forenkling. Det er sant at et gitt kromosom i teorien kan avvikles for å avsløre et enkelt ubrutt DNA-molekyl, men dette klarer ikke å indikere den intrikate kveilingen, spolen og klyngen som DNA gjør på vei til å danne et kromosom. Ett kromosom har millioner av DNA-basepar, og hvis alt DNAet ble strukket ut uten å bryte helixen, ville lengden strekke seg fra noen få millimeter til over en centimeter. I virkeligheten er DNA langt mer kondensert. Proteiner kalt histoner dannes fra fire par underenhetsproteiner (i alt åtte underenheter). Denne oktameren fungerer som en slags spole for at DNA-dobbeltspiralen skal vikle seg rundt to ganger, som tråd. Denne strukturen, oktameren pluss DNA som er pakket rundt den, kalles et nukleosom. Når et kromosom delvis avvikles i en streng som kalles kromatid, ser disse nukleosomene på mikroskopi ut til å være perler på en streng. Men over nivået av nukleosomer, forekommer ytterligere kompresjon av arvestoffet, selv om den presise mekanismen forblir unnvikende.

Nukleinsyrer og livets fremvekst

DNA, RNA og proteiner vurderes biopolymerer fordi de er gjentatte informasjonssekvenser og aminosyrer som er assosiert med levende ting ("bio" betyr "liv"). Molekylærbiologer i dag erkjenner at DNA og RNA i en eller annen form forut for fremveksten av liv på jorden, men fra og med 2018 var det ingen som hadde funnet ut veien fra tidlige biopolymerer til enkle levende ting. Noen har teoretisert at RNA i en eller annen form var den opprinnelige kilden til alle disse tingene, inkludert DNA. Dette er "RNA-verdenshypotesen." Imidlertid presenterer dette et slags kylling-og-egg-scenario for biologer, fordi tilstrekkelig store RNA-molekyler tilsynelatende ikke kunne ha oppstått på noen annen måte enn transkripsjon. Uansett undersøker forskere med økende iver for tiden RNA som et mål for det første selvrepliserende molekylet.

Medisinske terapier

Kjemikalier som etterligner bestanddelene av nukleinsyrer blir brukt som medikamenter i dag, med videre utvikling på dette området. For eksempel har en lett modifisert form av uracil, 5-fluorouracil (5-FU), blitt brukt i flere tiår for å behandle kreft i tykktarmen. Det gjør dette ved å imitere en ekte nitrogenholdig base tett nok til at den blir satt inn i nyprodusert DNA. Dette fører til slutt til et sammenbrudd i proteinsyntese.

Imitatorer av nukleosider (som du kanskje husker, er et ribosesukker pluss en nitrogenholdig base) har blitt brukt i antibakterielle og antivirale terapier. Noen ganger er det basedelen av nukleosidet som gjennomgår modifisering, og andre ganger retter stoffet sukkerpartiet.