Tieto fosfodiesterové väzby sú kovalentnej väzby, ktoré sa vyskytujú medzi dvoma atómami kyslíka fosfátové skupiny a hydroxylové skupiny dvoch rôznych molekúl. Pri tomto type väzby pôsobí fosfátová skupina ako stabilný väzbový „mostík“ medzi týmito dvoma molekulami prostredníctvom svojich atómov kyslíka.
Základnou úlohou fosfodiesterových väzieb v prírode je tvorba reťazcov nukleových kyselín, DNA aj RNA. Fosfátové skupiny sú spolu s pentózovými cukrami (prípadne deoxyribózou alebo ribózou) súčasťou nosnej štruktúry týchto dôležitých biomolekúl.
Fosfodiesterová väzba v skelete DNA (Zdroj: Súbor: Phosphodiester bond.png, Súbor: PhosphodiesterBondDiagram.png: Užívateľ: G3pro (talk) Používateľ: G3pro na en.wikipedia.org Derivatívna práca: User: Merops (talk) Derivative work: User : Deneapol (diskusia) Derivatívna práca: Používateľ: KES47 (diskusia) Textové vylepšenia: Incnis Mrsi (diskusia) Textové vylepšenia: DMacky (diskusia)) Derivatívne práce: Používateľ: Miguelferig (diskusia) s ionizáciou, prostredníctvom Wikimedia Commons)
Nukleotidové reťazce DNA alebo RNA, ako proteíny, môžu predpokladať rôzne trojrozmerné konformácie, ktoré sú stabilizované nekovalentnými väzbami, ako sú napríklad vodíkové väzby medzi komplementárnymi bázami.
Primárna štruktúra je však daná lineárnou sekvenciou nukleotidov kovalentne spojených prostredníctvom fosfodiesterových väzieb.
Ako vzniká fosfodiesterová väzba?
Podobne ako peptidové väzby v proteínoch a glykozidické väzby medzi monosacharidmi, fosfodiesterové väzby sú výsledkom dehydratačných reakcií, pri ktorých dochádza k strate molekuly vody. Tu je všeobecná schéma jednej z týchto dehydratačných reakcií:
HX 1 OH + HX 2 -OH → HX 1 -X 2 -OH + H 2 O
Fosfátové ióny zodpovedajú úplne deprotonovanej konjugovanej báze kyseliny fosforečnej a nazývajú sa anorganické fosfáty, ktorých skratka je označená ako Pi. Keď sú dve fosfátové skupiny navzájom spojené, vytvorí sa bezvodá fosfátová väzba a získa sa molekula známa ako anorganický pyrofosfát alebo PPi.
Ak je fosfátový ión pripojený k atómu uhlíka v organickej molekule, chemická väzba sa nazýva ester fosfátu a výsledným druhom je organický monofosfát. Pokiaľ sa organická molekula viaže na viac ako jednu fosfátovú skupinu, tvoria sa organické difosfáty alebo trifosfáty.
Ak je jedna molekula anorganického fosfátu pripojená k dvom organickým skupinám, použije sa väzba fosfodiesterová alebo "fosfátesterová". Je dôležité nezamieňať fosfodiesterové väzby s vysoko energetickými fosfoanhydrogénnymi väzbami medzi fosfátovými skupinami molekúl, ako je napríklad ATP.
Rozdiely medzi fosfátmi a fosforylmi (Zdroj: Strater, Wikimedia Commons)
Fosfodiesterové väzby medzi susednými nukleotidmi pozostávajú z dvoch fosfoesterových väzieb, ktoré sa vyskytujú medzi hydroxylom v polohe 5 'jedného nukleotidu a hydroxylom v polohe 3' nasledujúceho nukleotidu v reťazci DNA alebo RNA.
V závislosti od podmienok prostredia môžu byť tieto väzby hydrolyzované enzymaticky aj neenzymaticky.
Zúčastnené enzýmy
Tvorba a rušenie chemických väzieb je rozhodujúce pre všetky životne dôležité procesy, ako ich poznáme, a prípad fosfodiesterových väzieb nie je výnimkou.
Medzi najdôležitejšie enzýmy, ktoré môžu tvoriť tieto väzby, patria DNA alebo RNA polymerázy a ribozýmy. Fosfodiesterázové enzýmy sú schopné ich enzymaticky hydrolyzovať.
Počas replikácie je rozhodujúci proces bunkovej proliferácie, v každom reakčnom cykle sa do DNA prostredníctvom nukleotidovej transferovej reakcie inkorporuje dNTP (deoxynukleotid trifosfát) komplementárny k templátovej báze.
Polymeráza je zodpovedná za vytvorenie novej väzby medzi 3'-OH templátového vlákna a a-fosfátu dNTP, vďaka energii uvoľnenej z prerušenia väzieb medzi a a p fosfátmi dNTP, ktoré sú spojené pomocou fosfoanhydrogenových väzieb.
Výsledkom je predĺženie reťazca o jeden nukleotid a uvoľnenie molekuly pyrofosfátu (PPi). Zistilo sa, že tieto reakcie si zasluhujú dva dvojmocné ióny horčíka (Mg2 + ), ktorých prítomnosť umožňuje elektrostatickú stabilizáciu nukleofilného OH - aby sa dosiahol prístup k aktívnemu miestu enzýmu.
PKa z fosfodiesterové väzby sa nachádza v blízkosti 0 ° C, tak vo vodnom roztoku, tieto väzby sú úplne ionizovanej, záporne nabité.
To dáva molekulám nukleových kyselín záporný náboj, ktorý je neutralizovaný iónovými interakciami s pozitívnymi nábojmi proteínových aminokyselinových zvyškov, elektrostatickou väzbou s kovovými iónmi alebo asociáciou s polyamínmi.
Vo vodnom roztoku sú fosfodiesterové väzby v molekulách DNA oveľa stabilnejšie ako v molekulách RNA. V alkalickom roztoku sa tieto väzby v molekulách RNA štiepia intramolekulárnym vytesnením nukleozidu na 5 'konci pomocou 2' oxyaniónu.
Funkcia a príklady
Ako už bolo uvedené, najdôležitejšou úlohou týchto väzieb je ich účasť na tvorbe kostry molekúl nukleových kyselín, ktoré sú jednou z najdôležitejších molekúl v bunkovom svete.
Aktivita enzýmov topoizomerázy, ktoré sa aktívne podieľajú na replikácii DNA a syntéze proteínov, závisí od interakcie fosfodiesterových väzieb na 5 'konci DNA s postranným reťazcom tyrozínových zvyškov v ich aktívnom mieste. enzýmy.
Molekuly, ktoré sa zúčastňujú ako druhé poslovia, ako napríklad cyklický adenozínmonofosfát (cAMP) alebo cyklický guanozíntrifosfát (cGTP), majú fosfodiesterové väzby, ktoré sú hydrolyzované špecifickými enzýmami známymi ako fosfodiesterázy, ktorých účasť je nanajvýš dôležitá pre mnohé signalizačné procesy. bunkový.
Glycerofosfolipidy, základné zložky v biologických membránach, sa skladajú z molekuly glycerolu, ktorá je pripojená prostredníctvom fosfodiesterových väzieb k polárnym „hlavovým“ skupinám, ktoré tvoria hydrofilnú oblasť molekuly.
Referencie
- Fothergill, M., Goodman, MF, Petruska, J. & Warshel, A. (1995). Štruktúrno-energetická analýza úlohy kovových iónov pri hydrolýze fosfodiesterových väzieb pomocou DNA polymerázy 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). Molecular Celí Biology (5. vydanie). Freeman, WH & Company.
- Nakamura, T., Zhao, Y., Yamagata, Y., Hua, YJ a Yang, W. (2012). Sledovaním DNA polymerázy η sa vytvorí fosfodiesterová väzba. Náture, 487 (7406), 196 - 201.
- Nelson, DL, a Cox, MM (2009). Lehningerove princípy biochémie. Vydania Omega (5. vydanie)
- Oivanen, M., Kuusela, S., & Lönnberg, H. (1998). Kinetika a mechanizmy štiepenia a izomerizácie fosfodiesterových väzieb RNA bronstedovými kyselinami a bázami. Chemical Reviews, 98 (3), 961-990.
- Pradeepkumar, PI, Höbartner, C., Baum, D., & Silverman, S. (2008). Tvorba nukleopeptidových väzieb katalyzovaná DNA. Angewandte Chemie International Edition, 47 (9), 1753-1757.
- Soderberg, T. (2010). Organická chémia s biologickým dôrazom Zväzok II (zväzok II). Minnesota: University of Minnesota Morris Digital Well. Zdroj: www.digitalcommons.morris.umn.edu