NUKLEOVÉ KYSELINY: VLASTNOSTI, FUNKCIE, ŠTRUKTÚRA - BIOLÓGIE - 2024

Tieto nukleové kyseliny sú veľké biomolekuly tvorené jednotkami alebo monomérov zvané nukleotidy. Zodpovedajú za uchovávanie a prenos genetických informácií. Zúčastňujú sa tiež na každom z krokov syntézy proteínov.

Štruktúrne je každý nukleotid tvorený fosfátovou skupinou, cukrom s 5 atómami uhlíka a heterocyklickou dusíkovou bázou (A, T, C, G a U). Pri fyziologickom pH sú nukleové kyseliny záporne nabité, rozpustné vo vode, tvoria viskózne roztoky a sú celkom stabilné.

Zdroj: pixabay.com

Existujú dva hlavné typy nukleových kyselín: DNA a RNA. Zloženie oboch nukleových kyselín je podobné: v oboch nájdeme sériu nukleotidov spojených fosfodiesterovými väzbami. V DNA však nájdeme tymín (T) a RNA uracil (U).

DNA je dlhšia a je v dvojzávitnicovej konformácii a RNA je tvorená jedným vláknom. Tieto molekuly sú prítomné vo všetkých živých organizmoch, od vírusov po veľké cicavce.

Historická perspektíva

Objav nukleových kyselín

Objav nukleových kyselín sa datuje do roku 1869, keď Friedrich Miescher identifikoval chromatín. Vo svojich experimentoch Miescher extrahoval z jadra želatínový materiál a zistil, že táto látka je bohatá na fosfor.

Spočiatku bol materiál záhadnej povahy označený ako „jadro“. Neskoršie experimenty s nukleínom dospeli k záveru, že je nielen bohatý na fosfor, ale aj na uhľohydráty a organické bázy.

Phoebus Levene zistil, že nukleín je lineárny polymér. Aj keď sú známe základné chemické vlastnosti nukleových kyselín, neuvažovalo sa o existencii vzťahu medzi týmto polymérom a dedičným materiálom živých vecí.

Objav funkcie DNA

V polovici štyridsiatych rokov bolo pre biológov nepresvedčivé, že molekula zodpovedná za prenos a uchovávanie informácií o organizme sídlila v molekule s jednoduchou konformáciou ako DNA - zložená zo štyroch veľmi podobných monomérov (nukleotidov). každej z nich.

Proteíny, polyméry tvorené 20 druhmi aminokyselín, sa zdali v tom čase najspoľahlivejšími kandidátmi na molekulu dedičnosti.

Tento názor sa zmenil v roku 1928, keď vedec Fred Griffith mal podozrenie, že nukleín bol zapojený do dedičnosti. Nakoniec sa v roku 1944 Oswaldovi Averyovi podarilo presvedčivo dokázať, že DNA obsahuje genetické informácie.

DNA tak prešla z nudnej a monotónnej molekuly, zloženej iba zo štyroch stavebných blokov, na molekulu, ktorá umožňuje ukladanie nespočetného množstva informácií a ktorá ju môže uchovávať a prenášať presným, presným a účinným spôsobom.

Objavenie štruktúry DNA

Rok 1953 bol pre biologické vedy revolučný, keď vedci James Watson a Francis Crick objasnili správnu štruktúru DNA.

Na základe analýz rôntgenových odrazov Watson a Crick výsledky naznačujú, že molekula je dvojitá špirála, kde fosfátové skupiny tvoria vonkajší chrbticu a bázy vyčnievajú do vnútra.

Spravidla sa používa analógia rebríka, kde zábradlia zodpovedá fosfátovým skupinám a priečkam k základniam.

Objavenie sekvenovania DNA

V posledných dvoch desaťročiach došlo k mimoriadnym pokrokom v biológii, ktoré viedli k sekvencovaniu DNA. Vďaka technologickému pokroku máme dnes technológiu potrebnú na to, aby sme mohli DNA sekvenciu poznať s pomerne vysokou presnosťou - „sekvenciou“ máme na mysli poradie báz.

Spočiatku bolo objasnenie sekvencie nákladnou udalosťou a jej dokončenie trvalo dlho. V súčasnosti nie je problém poznať postupnosť celých genómov.

vlastnosti

Náboj a rozpustnosť

Ako už názov napovedá, povaha nukleových kyselín je kyslá a jedná sa o molekuly s vysokou rozpustnosťou vo vode; to znamená, že sú hydrofilné. Pri fyziologickom pH je molekula negatívne nabitá v dôsledku prítomnosti fosfátových skupín.

V dôsledku toho sú proteíny, s ktorými je DNA spojená, bohaté na aminokyselinové zvyšky s kladnými nábojmi. Správne spojenie DNA je rozhodujúce pre jej balenie do buniek.

Viskozita

Viskozita nukleovej kyseliny závisí od toho, či ide o dvojitý alebo jednoduchý pás. Dvojpásmová DNA vytvára roztoky s vysokou viskozitou, pretože jej štruktúra je tuhá a odoláva deformácii. Ďalej sú to vzhľadom na svoj priemer extrémne dlhé molekuly.

Na rozdiel od toho existujú aj jednopásmové roztoky nukleových kyselín, ktoré sa vyznačujú nízkou viskozitou.

stabilita

Ďalšou charakteristikou nukleových kyselín je ich stabilita. Molekula s takou nevyhnutnou úlohou, ako je ukladanie dedičstva, musí byť, samozrejme, veľmi stabilná.

V porovnaní s tým je DNA stabilnejšia ako RNA, pretože jej chýba hydroxylová skupina.

Je možné, že táto chemická charakteristika zohrávala dôležitú úlohu pri vývoji nukleových kyselín a pri výbere DNA ako dedičného materiálu.

Podľa hypotetických prechodov navrhnutých niektorými autormi bola RNA v evolučnom procese nahradená DNA. Dnes však existujú vírusy, ktoré používajú RNA ako genetický materiál.

Absorpcia ultrafialového svetla

Absorpcia nukleových kyselín tiež závisí od toho, či je dvojpásmový alebo jednokopový. Absorpčný pík krúžkov v ich štruktúre je 260 nanometrov (nm).

Keď sa dvojpásmové vlákno DNA začína separovať, absorpcia pri uvedenej vlnovej dĺžke sa zvyšuje, pretože sú exponované kruhy, ktoré tvoria nukleotidy.

Tento parameter je dôležitý pre molekulárnych biológov v laboratóriu, pretože meraním absorpcie môžu odhadnúť množstvo DNA, ktorá existuje v ich vzorkách. Znalosť vlastností DNA vo všeobecnosti prispieva k jej purifikácii a spracovaniu v laboratóriách.

Klasifikácia (typy)

Dve hlavné nukleové kyseliny sú DNA a RNA. Obidve sú súčasťou všetkých živých vecí. DNA znamená kyselinu deoxyribonukleovú a RNA kyselinu ribonukleovú. Obe molekuly hrajú zásadnú úlohu v dedičnosti a syntéze proteínov.

DNA je molekula, ktorá ukladá všetky informácie potrebné na vývoj organizmu a je zoskupená do funkčných jednotiek nazývaných gény. RNA je zodpovedná za prevzatie týchto informácií a spolu s proteínovými komplexmi prekladá informácie z reťazca nukleotidov do reťazca aminokyselín.

Vlákna RNA môžu byť dlhé niekoľko sto alebo niekoľko tisíc nukleotidov, zatiaľ čo reťazce DNA presahujú milióny nukleotidov a môžu sa vizualizovať pod svetlom optického mikroskopu, ak sú zafarbené farbivami.

Základné štrukturálne rozdiely medzi oboma molekulami budú podrobne opísané v nasledujúcej časti.

RNA

V bunkách existujú rôzne typy RNA, ktoré spolu pracujú na riadení syntézy proteínov. Tri hlavné typy RNA sú messenger, ribozóm a transfer.

Messenger RNA

Messenger RNA je zodpovedná za kopírovanie správy, ktorá existuje v DNA, a za jej transport do proteínovej syntézy, ktorá prebieha v štruktúrach nazývaných ribozómy.

Ribozomálna alebo ribozomálna RNA

Ribozomálna RNA sa nachádza ako súčasť tohto základného mechanizmu: ribozómu. Z ribozómu je 60% tvorených ribozómovou RNA a zvyšok je obsadený takmer 80 rôznymi proteínmi.

Prenos RNA

Prenosová RNA je druh molekulárneho adaptéra, ktorý transportuje aminokyseliny (stavebné kamene proteínov) na ribozóm, ktorý sa má zabudovať.

Malá RNA

Okrem týchto troch základných typov existuje nedávno objavených množstvo ďalších RNA, ktoré hrajú zásadnú úlohu pri syntéze proteínov a génovej expresii.

Malé nukleárne RNA, skrátene snRNA, sa zúčastňujú ako katalytické entity na zostrihu (procese odstraňovania intrónov) messengerovej RNA.

Malé nukleárne RNA alebo snoRNA sa podieľajú na spracovaní pre-ribozomálnych RNA transkriptov, ktoré budú tvoriť súčasť ribozómovej podjednotky. Toto sa vyskytuje v jadre.

Krátke interferujúce RNA a mikroRNA sú malé sekvencie RNA, ktorých hlavnou úlohou je modulácia génovej expresie. MikroRNA sú kódované z DNA, ale ich translácia na proteíny nepokračuje. Sú jednovláknové a môžu dopĺňať RNA správy, inhibujúc jej transláciu na proteíny.

Štruktúra a chemické zloženie

Nukleové kyseliny sú dlhé polymérne reťazce tvorené monomérnymi jednotkami nazývanými nukleotidy. Každý z nich sa skladá z:

Fosfátová skupina

Existujú štyri typy nukleotidov a majú spoločnú štruktúru: fosfátová skupina spojená s pentózou prostredníctvom fosfodiesterovej väzby. Prítomnosť fosfátov dáva molekule kyslý charakter. Fosfátová skupina je disociovaná pri pH bunky, takže je negatívne nabitá.

Tento záporný náboj umožňuje asociáciu nukleových kyselín s molekulami, ktorých náboj je pozitívny.

Malé množstvo nukleozidov sa nachádza vo vnútri buniek a tiež v extracelulárnych tekutinách. Sú to molekuly tvorené všetkými zložkami nukleotidu, ktorým však chýba fosfátová skupina.

Podľa tejto nomenklatúry je nukleotidom nukleozid, ktorý má jednu, dve alebo tri fosfátové skupiny esterifikované na hydroxylovej skupine nachádzajúcej sa na 5 'atóme uhlíka. Nukleozidy s tromi fosfátmi sa podieľajú na syntéze nukleových kyselín, aj keď v bunke plnia aj ďalšie funkcie.

Pentóza

Pentóza je monomérny uhľohydrát pozostávajúci z piatich atómov uhlíka. V DNA je pentóza deoxyribóza, ktorá sa vyznačuje stratou hydroxylovej skupiny na uhlíku 2 '. V RNA je pentóza ribóza.

Dusíkatá báza

Pentóza sa zase viaže na organickú bázu. Identita nukleotidu je daná identitou bázy. Existuje päť typov, skrátene ich iniciálami: adenín (A), guanín (G), cytozín (C), tymín (T) a uracil (U).

V literatúre je bežné, že zistíme, že týchto päť písmen sa používa na označenie celého nukleotidu. Prísne vzaté, sú však iba časťou nukleotidu.

Prvé tri, A, G a C, sú spoločné pre DNA aj RNA. Zatiaľ čo T je jedinečný pre DNA a uracil je obmedzený na molekulu RNA.

Štrukturálne sú bázy heterocyklické chemické zlúčeniny, ktorých kruhy sú tvorené atómami uhlíka a dusíka. A a G sú tvorené párom kondenzovaných kruhov a patria do skupiny purínov. Zostávajúce bázy patria do pyrimidínov a ich štruktúra je tvorená jedným kruhom.

Je bežné, že v obidvoch typoch nukleových kyselín nachádzame sériu modifikovaných báz, ako je napríklad ďalšia metylová skupina.

Keď nastane táto udalosť, hovoríme, že báza je metylovaná. V prokaryotoch sa zvyčajne nachádzajú metylované adeníny, a v prokaryotoch a eukaryotoch môžu mať cytozíny ďalšiu metylovú skupinu.

Ako prebieha polymerizácia?

Ako sme už spomenuli, nukleové kyseliny sú dlhé reťazce tvorené monomérmi - nukleotidmi. Na vytvorenie reťazcov sú tieto reťazce spojené zvláštnym spôsobom.

Keď nukleotidy polymerizujú, hydroxylová skupina (-OH) nájdená na 3 'atóme cukru jedného z nukleotidov vytvára esterovú väzbu s fosfátovou skupinou z inej nukleotidovej molekuly. Počas tvorby tejto väzby dochádza k odstráneniu molekuly vody.

Tento typ reakcie sa nazýva „kondenzačná reakcia“ a je veľmi podobný tomu, čo nastane, keď sa peptidové väzby v proteínoch tvoria medzi dvoma aminokyselinovými zvyškami. Väzby medzi každým párom nukleotidov sa nazývajú fosfodiesterové väzby.

Ako v prípade polypeptidov, reťazce nukleových kyselín majú na svojich koncoch dve chemické orientácie: jeden je 5 'koniec, ktorý obsahuje voľnú hydroxylovú skupinu alebo fosfátovú skupinu na 5' uhlíku koncového cukru, zatiaľ čo na 3 konci „Nájdeme voľnú hydroxylovú skupinu uhlíka 3“.

Predstavme si, že každý blok DNA je sada Lego, s jedným koncom, ktorý je vložený a s voľnou dierou, kde môže dôjsť k vloženiu iného bloku. 5 'koniec s fosfátom bude koniec, ktorý sa má vložiť, a 3' je analogický k voľnému otvoru.

Iné nukleotidy

V bunke nájdeme iný typ nukleotidov s odlišnou štruktúrou, ako je uvedený vyššie. Aj keď to nebude súčasťou nukleových kyselín, hrajú veľmi dôležité biologické úlohy.

Medzi najvýznamnejšie patrí riboflavínový mononukleotid, známy ako FMN, koenzým A, adenín dinukleotid a nikotínamín.

RNA štruktúra

Lineárna štruktúra polyméru nukleovej kyseliny zodpovedá primárnej štruktúre týchto molekúl. Polynukleotidy majú tiež schopnosť vytvárať trojrozmerné polia stabilizované nekovalentnými silami - podobne ako skladanie v proteínoch.

Hoci primárne zloženie DNA a RNA je dosť podobné (s výnimkou rozdielov uvedených vyššie), štruktúra ich štruktúry je výrazne odlišná. RNA sa bežne nachádzajú ako jeden nukleotidový reťazec, hoci môžu mať rôzne usporiadania.

Transferové RNA sú napríklad malé molekuly tvorené z menej ako 100 nukleotidov. Jeho typická sekundárna štruktúra je vo forme ďateliny s tromi ramenami. To znamená, že molekula RNA nájde vo vnútri komplementárne bázy a môže sa na sebe zložiť.

Ribozomálne RNA sú väčšie molekuly, ktoré nadobúdajú komplexné trojrozmerné konformácie a vykazujú sekundárnu a terciárnu štruktúru.

Štruktúra DNA

Dvojitý helix

Na rozdiel od lineárnej RNA, usporiadanie DNA pozostáva z dvoch vzájomne prepojených vlákien. Tento štrukturálny rozdiel je rozhodujúci pre vykonávanie jeho konkrétnych funkcií. RNA nie je schopná tvoriť tento typ helixov kvôli stérickej prekážke spôsobenej ďalšou skupinou OH, ktorú predstavuje jej cukor.

Základná komplementarita

Medzi základňami existuje komplementárnosť. To znamená, že v dôsledku svojej veľkosti, tvaru a chemického zloženia sa puríny musia spárovať s pyrimidínom prostredníctvom vodíkových väzieb. Z tohto dôvodu v prírodnej DNA zistíme, že A je takmer vždy spárovaná s T a G s C a vytvára vodíkové väzby so svojimi partnermi.

Páry báz medzi G a C sú spojené tromi vodíkovými väzbami, zatiaľ čo páry A a T sú slabšie a iba dve vodíkové väzby ich držia pohromade.

Vlákna DNA sa môžu separovať (vyskytuje sa tak v bunke, ako aj v laboratórnych postupoch) a požadované teplo závisí od množstva GC v molekule: čím je väčšia, tým viac energie bude potrebovať na jej oddelenie.

Orientácia pruhu

Ďalšou charakteristikou DNA je jej opačná orientácia: zatiaľ čo vlákno prebieha v smere 5'-3 ', jeho partner beží v smere 3'-5'.

Prírodné konformácie av laboratóriu

Štruktúra alebo konformácia, ktorú bežne nájdeme v prírode, sa nazýva DNA B. Táto je charakterizovaná tým, že má 10,4 nukleotidov pre každý závit, oddelených vzdialenosťou 3,4. DNA B sa otočí doprava.

Tento vzor vinutia vedie k vzniku dvoch brázd, jednej väčšej a jednej menšej.

V nukleových kyselinách vytvorených v laboratóriu (syntetických) možno nájsť ďalšie konformácie, ktoré sa objavujú aj za veľmi špecifických podmienok. Sú to DNA A a DNA Z.

Variant A tiež robí zatáčku doprava, hoci je kratšia a trochu širšia ako tá prirodzená. Molekula nadobúda tento tvar, keď klesá vlhkosť. Otáča sa každých 11 párov báz.

Posledným variantom je Z, ktorý sa vyznačuje tým, že je úzky a otáča sa doľava. Tvorí ju skupina hexanukleotidov, ktoré sú zoskupené do duplexu antiparalelných reťazcov.

Vlastnosti

DNA: dedičná molekula

DNA je molekula, ktorá dokáže ukladať informácie. Život, ako ho poznáme na našej planéte, závisí od schopnosti ukladať a prekladať takéto informácie.

Pre bunku je DNA druh knižnice, v ktorej sa nachádzajú všetky potrebné pokyny na výrobu, vývoj a údržbu živého organizmu.

V molekule DNA nachádzame organizáciu diskrétnych funkčných entít nazývaných gény. Niektoré z nich budú prenášané na proteíny, zatiaľ čo iné budú plniť regulačné funkcie.

Štruktúra DNA, ktorú popisujeme v predchádzajúcej časti, je kľúčom k vykonávaniu jej funkcií. Špirála sa musí dať ľahko oddeliť a pripojiť sa - kľúčová vlastnosť udalostí replikácie a prepisu.

DNA sa nachádza v prokaryotoch na špecifickom mieste v ich cytoplazme, zatiaľ čo v eukaryotoch sa nachádza v jadre.

RNA: multifunkčná molekula

Úloha v syntéze proteínov

RNA je nukleová kyselina, ktorú nachádzame v rôznych štádiách syntézy proteínov a pri regulácii génovej expresie.

Syntéza proteínov začína transkripciou šifrovanej správy v DNA do molekuly posla RNA. Ďalej musí posol odstrániť časti, ktoré nebudú preložené, známe pod menom intróny.

Na transláciu správy RNA na aminokyselinové zvyšky sú potrebné dve ďalšie zložky: ribozomálna RNA, ktorá je súčasťou ribozómov, a transferová RNA, ktorá bude niesť aminokyseliny a bude zodpovedná za vloženie správnej aminokyseliny do peptidového reťazca. Vo výcviku.

Inými slovami, každý hlavný typ RNA hrá v tomto procese rozhodujúcu úlohu. Tento prechod z DNA na messenger RNA a nakoniec na proteíny je to, čo biológovia nazývajú „ústrednou dogmou biológie“.

Keďže však veda nemôže byť založená na dogmách, existujú rôzne prípady, keď sa tento predpoklad nespĺňa, napríklad retrovírusy.

Úloha v regulácii

Vyššie uvedené malé RNA sa nepriamo podieľajú na syntéze, organizácii syntézy messengerovej RNA a podieľajú sa na regulácii expresie.

Napríklad v bunke sú rôzne messengerové RNA, ktoré sú regulované malými RNA, ktoré majú k tomu komplementárnu sekvenciu. Ak sa malá správa pripojí k správe, môže rozštiepiť posla, a tak zabrániť jeho prekladu. Týmto spôsobom je regulovaných viacero procesov.

Referencie

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M., … & Walter, P. (2015). Základná bunková biológia. Garland Science.
2. Berg, JM, Tymoczko, JL, Stryer, L. (2002). Biochémie. 5. vydanie. WH Freeman.
3. Cooper, GM, a Hausman, RE (2000). Bunka: Molekulárny prístup. Sinauer Associates.
4. Curtis, H., & Barnes, NS (1994). Pozvánka do biológie. Macmillan.
5. Fierro, A. (2001). Stručná história objavenia štruktúry DNA. Rev Méd Clínica Las Condes, 20, 71-75.
6. Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000 - 2013) Vznik a vývoj replikačných strojov DNA a DNA. In: Databáza Madame Curie Bioscience. Austin (TX): Landes Bioscience.
7. Karp, G. (2009). Bunková a molekulárna biológia: koncepty a experimenty. John Wiley a synovia.
8. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). Evolučný prechod z RNA na DNA v skorých bunkách. Journal of molekulárnej evolúcie, 27 (4), 283-290.
9. Lodish, H., Berk, A., Darnell, JE, Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP,… & Matsudaira, P. (2008). Molekulárna bunková biológia. Macmillan.
10. Voet, D., & Voet, JG (2006). Biochémie. Panamerican Medical Ed.
11. Voet, D., Voet, JG, & Pratt, CW (1999). Základy biochémie. New York: John Willey a synovia.