NUKLEINSKE KISELINE: KARAKTERISTIKE, FUNKCIJE, STRUKTURA - BIOLOGIJA - 2024

Su nukleinske kiseline velike biomolekule formirana jedinica ili monomera zove nukleotida. Zaduženi su za pohranu i prijenos genetskih informacija. Oni također sudjeluju u svakom koraku sinteze proteina.

Strukturno je svaki nukleotid sastavljen od fosfatne skupine, šećera s pet ugljika i heterocikličke dušične baze (A, T, C, G i U). Pri fiziološkom pH, nukleinske kiseline su negativno nabijene, topive u vodi, tvore viskozne otopine i prilično su stabilne.

Izvor: pixabay.com

Postoje dvije glavne vrste nukleinskih kiselina: DNA i RNA. Sastav obje nukleinske kiseline je sličan: u obje nalazimo niz nukleotida povezanih fosfodiesterskim vezama. Međutim, u DNK nalazimo timin (T) i RNA uracil (U).

DNA je duža i nalazi se u dvostrukoj spiralnoj konformaciji, a RNA se sastoji od jednog niza. Te su molekule prisutne u svim živim organizmima, od virusa do velikih sisavaca.

Povijesna perspektiva

Otkrivanje nukleinskih kiselina

Otkrivanje nukleinskih kiselina datira iz 1869. kada je Friedrich Miescher identificirao kromatin. Miescher je u svojim eksperimentima izvadio želatinozni materijal iz jezgre i otkrio da je ta tvar bogata fosforom.

U početku je materijal misteriozne prirode označen kao "nuklein". Kasniji pokusi na nukleinu zaključili su da on nije bogat samo fosforom, već i ugljikohidratima i organskim bazama.

Phoebus Levene utvrdio je da je nuklein linearni polimer. Iako su bila poznata osnovna kemijska svojstva nukleinskih kiselina, nije se smatralo da postoji veza između ovog polimera i nasljednog materijala živih bića.

Otkrivanje funkcije DNA

Sredinom četrdesetih godina prošlog stoljeća za biologe je bilo neuvjerljivo da je molekul koji je zadužen za prijenos i pohranjivanje informacija o organizmu boravio u molekuli koja je jednostavna poput DNK-a - sastavljena od četiri vrlo slična monomera (nukleotidi) svaki.

Proteini, polimeri sačinjeni od 20 vrsta aminokiselina, činili su se u to vrijeme najvjerojatniji kandidati molekula nasljednosti.

Ovo se gledište promijenilo 1928. godine, kada je istraživač Fred Griffith posumnjao da je nuklein uključen u nasljednost. Konačno, 1944. Oswald Avery uspio je zaključiti pouzdanim dokazima da DNK sadrži genetsku informaciju.

Tako je DNK prešao iz dosadne i monotone molekule, sastavljene od samo četiri gradivna bloka, do molekule koja omogućuje pohranjivanje ogromnog broja informacija, a koja ih može sačuvati i prenositi na precizan, točan i učinkovit način.

Otkrivanje strukture DNK

Godina 1953. bila je revolucionarna za biološke znanosti, jer su istraživači James Watson i Francis Crick razjasnili ispravnu strukturu DNK.

Na temelju analiza obrazaca refleksije rendgenskih zraka, rezultati Watson-a i Cricka sugerirali su da je molekula dvostruka spirala, gdje fosfatne skupine tvore vanjsku kralježnicu, a baze prodire u unutrašnjost.

Najčešće se koristi analogija ljestvi, gdje rukohvati odgovaraju fosfatnim skupinama, a prečnice bazama.

Otkrivanje sekvenciranja DNK

U posljednja dva desetljeća dogodio se izvanredan napredak u biologiji, vođen DNK sekvenciranjem. Zahvaljujući tehnološkom napretku, danas imamo potrebnu tehnologiju za poznavanje DNK sekvence s prilično velikom preciznošću - pod "sekvencom" mislimo na redoslijed baza.

U početku je objašnjenje slijeda bilo skupo, a trebalo je dugo vremena da se dovrši. Trenutno nije problem znati redoslijed čitavih genoma.

karakteristike

Punjenje i topljivost

Kao što mu ime govori, priroda nukleinskih kiselina je kisela i to su molekule visoke topljivosti u vodi; to jest, oni su hidrofilni. Pri fiziološkom pH, molekula je negativno nabijena, zbog prisutnosti fosfatnih skupina.

Kao posljedica toga, proteini s kojima je povezana DNA bogati su aminokiselinskim ostacima s pozitivnim nabojima. Ispravna povezanost DNK presudna je za pakiranje u stanice.

Viskoznost

Viskoznost nukleinske kiseline ovisi o tome je li dvolanka ili jednopojasna. Dvobojna DNK tvori otopine visoke viskoznosti, budući da je njena struktura kruta, odupirući se deformaciji. Nadalje, oni su izuzetno duge molekule u odnosu na njihov promjer.

Suprotno tome, postoje i jednopojasne otopine nukleinske kiseline za koje je karakteristična niska viskoznost.

Stabilnost

Još jedna karakteristika nukleinskih kiselina je njihova stabilnost. Naravno, molekula s tako neophodnim zadatkom kao što je pohranjivanje nasljedstva mora biti vrlo stabilna.

Za usporedbu, DNK je stabilnija od RNA jer nedostaje hidroksilna skupina.

Moguće je da je ta kemijska karakteristika igrala važnu ulogu u evoluciji nukleinskih kiselina i u izboru DNK kao nasljednog materijala.

Prema hipotetičkim prijelazima koje su predložili neki autori, RNA je u evolucijskom procesu zamijenjena DNK. Međutim, danas postoje neki virusi koji koriste RNA kao genetski materijal.

Apsorpcija ultraljubičastog svjetla

Apsorpcija nukleinskih kiselina također ovisi o tome je li dvolanka ili jednopojasna. Vrhunac apsorpcije prstenova u njihovoj strukturi je 260 nanometara (nm).

Kako se dvolančani lanac DNA počinje odvajati, apsorpcija na spomenutoj valnoj duljini se povećava, jer su prstenovi koji čine nukleotide izloženi.

Ovaj je parametar važan za molekularne biologe u laboratoriju, jer mjerenjem unosa mogu procijeniti količinu DNK koja postoji u njihovim uzorcima. Općenito, poznavanje svojstava DNA doprinosi njegovom pročišćavanju i liječenju u laboratorijima.

Razvrstavanje (vrste)

Dvije glavne nukleinske kiseline su DNA i RNA. Obje su komponente svih živih bića. DNA označava deoksiribonukleinsku kiselinu, a RNA ribonukleinsku kiselinu. Obje molekule igraju temeljnu ulogu u nasljednosti i sintezi proteina.

DNK je molekula koja pohranjuje sve informacije potrebne za razvoj organizma i grupirana je u funkcionalne jedinice koje se nazivaju genima. RNA je odgovorna za uzimanje tih podataka i zajedno s proteinskim kompleksima prevodi informacije iz lanca nukleotida u lanac aminokiselina.

Lanci RNA mogu biti dugi nekoliko stotina ili nekoliko tisuća nukleotida, dok lanci DNA prelaze milijune nukleotida i mogu se vizualizirati pod svjetlošću optičkog mikroskopa ako su obojeni bojama.

Osnovne strukturne razlike između obje molekule bit će detaljno opisane u sljedećem odjeljku.

RNK

U stanicama postoje različite vrste RNA koje zajedno rade na orkestraciji sinteze proteina. Tri glavne vrste RNA su glasnik, ribosomal i prijenos.

RNA glasnika

Glasnik RNA odgovoran je za kopiranje poruke koja postoji u DNK i prijenos je u sintezu proteina koja se odvija u strukturama koje se nazivaju ribosomi.

Ribosomalna ili ribosomalna RNA

Ribosomalna RNA nalazi se kao dio ove osnovne opreme: ribosoma. Od ribosoma 60% čini RNK ribosoma, a ostatak zauzima gotovo 80 različitih proteina.

Prijenos RNA

Transfer RNA je vrsta molekularnog adaptera koji transportira aminokiseline (građevne blokove proteina) u ribosom, koji se mora ugraditi.

Mala RNA

Pored ove tri osnovne vrste, nedavno je otkriveno nekoliko dodatnih RNA koji igraju ključnu ulogu u sintezi proteina i ekspresiji gena.

Male nuklearne RNK, skraćeno kao snRNA, sudjeluju kao katalitički entiteti u spajanju (procesu koji se sastoji od uklanjanja introna) glasnika RNA.

Male nukleolarne RNK ili snoRNA uključene su u obradu pre-ribosomalnih RNA transkripata koji čine dio ribosomske podjedinice. To se događa u nukleolu.

Kratke interferirajuće RNA i mikroRNA male su RNK sekvence čija je glavna uloga modulacija ekspresije gena. MikroRNA se kodiraju iz DNK, ali njihova transformacija u proteine ​​se ne nastavlja. Oni su jednolančani i mogu nadopuniti RNA porukom, inhibirajući njen prijevod u proteine.

Struktura i kemijski sastav

Nukleinske kiseline su dugi polimerni lanci sastavljeni od monomernih jedinica nazvanih nukleotidi. Svaku od njih čine:

Fosfatna skupina

Postoje četiri vrste nukleotida i imaju zajedničku strukturu: fosfatna skupina povezana fosfodiesterskom vezom za pentozu. Prisutnost fosfata daje molekuli kiselinski karakter. Fosfatna skupina disocira se na pH stanice, pa se negativno nabije.

Ovaj negativni naboj omogućava udruživanje nukleinskih kiselina s molekulama čiji je naboj pozitivan.

Male količine nukleozida mogu se naći unutar stanica, a također i u izvanstanične tekućine. To su molekule sastavljene od svih komponenti nukleotida, ali kojima nedostaju fosfatne skupine.

Prema ovoj nomenklaturi, nukleotid je nukleozid koji ima jednu, dvije ili tri fosfatne skupine esterificirane u hidroksilu smještenom na 5 'ugljiku. Nukleozidi s tri fosfata sudjeluju u sintezi nukleinskih kiselina, iako oni također obavljaju i druge funkcije u stanici.

Pentoza

Pentoza je monomerni ugljikohidrat sastavljen od pet ugljikovih atoma. U DNK pentoza je deoksiriboza, koju karakterizira gubitak hidroksilne skupine na ugljiku 2 '. U RNA je pentoza riboza.

Dušična baza

Pentoza je zauzvrat vezana na organsku bazu. Identitet nukleotida osigurava identitet baze. Postoji pet vrsta, skraćeno od svojih inicijala: adenin (A), gvanin (G), citozin (C), timin (T) i uracil (U).

U literaturi je uobičajeno da se tih pet slova koristi za označavanje čitavog nukleotida. Međutim, strogo govoreći, to su samo dio nukleotida.

Prva tri, A, G i C, zajednička su i DNK i RNA. Dok je T jedinstven po DNK, a uracil je ograničen na molekulu RNA.

Strukturno, baze su heterociklički kemijski spojevi, čiji se prstenovi sastoje od molekula ugljika i dušika. A i G nastaju u paru spojenih prstenova i pripadaju skupini purina. Preostale baze pripadaju pirimidinima i njihova je struktura sastavljena od jednog prstena.

Uobičajeno je da u obje vrste nukleinskih kiselina nalazimo niz modificiranih baza, poput dodatne metilne skupine.

Kada se dogodi taj događaj, kažemo da je baza metilirana. U prokariotima se obično nalaze metilirani adenini, a u oba prokariota i eukariota citozini mogu imati dodatnu metilnu skupinu.

Kako nastaje polimerizacija?

Kao što smo spomenuli, nukleinske kiseline su dugački lanci sastavljeni od monomera - nukleotida. Da bi se lanci formirali, oni su povezani na određeni način.

Kad se nukleotidi polimeriziraju, hidroksilna skupina (-OH) koja se nalazi na 3 'ugljiku šećera jednog od nukleotida formira estersku vezu s fosfatnom skupinom iz druge molekule nukleotida. Tijekom stvaranja ove veze dolazi do uklanjanja molekule vode.

Ova vrsta reakcije naziva se "kondenzacijska reakcija", a vrlo je slična onoj koja se događa kada se peptidne veze u proteinima formiraju između dva aminokiselinska ostatka. Veze između svakog para nukleotida nazivaju se fosfodiesterske veze.

Kao i kod polipeptida, lanci nukleinske kiseline na svojim krajevima imaju dvije kemijske orijentacije: jedan je 5 'kraj koji sadrži slobodnu hidroksilnu skupinu ili fosfatnu skupinu na 5' ugljiku terminalnog šećera, dok je na kraju 3 'Pronašli smo slobodnu hidroksilnu skupinu ugljika 3'.

Zamislimo da je svaki DNK blok Lego skup, s jednim krajem koji je umetnut i sa slobodnom rupom gdje se može dogoditi umetanje drugog bloka. 5 'kraj s fosfatom bit će kraj koji treba umetnuti, a 3' analogan slobodnom otvoru.

Ostali nukleotidi

U stanici nalazimo drugu vrstu nukleotida drugačije strukture od one spomenute gore. Iako one neće biti dio nukleinskih kiselina, one igraju vrlo važnu biološku ulogu.

Među najrelevantnijim imamo riboflavin mononukleotid, poznat kao FMN, koenzim A, adeninu dinukleotid i nikotinamin, među ostalim.

Struktura RNK

Linearna struktura polimera nukleinske kiseline odgovara primarnoj strukturi tih molekula. Polinukleotidi također imaju sposobnost stvaranja trodimenzionalnih nizova stabiliziranih nekovalentnim silama - slično kao savijanje koje se nalazi u proteinima.

Iako je primarni sastav DNK i RNA prilično sličan (osim već spomenutih razlika), sastav njihove strukture značajno je različit. RNK se obično nalaze kao jedan nukleotidni lanac, iako može imati različite rasporede.

Na primjer, prijenosne RNK su male molekule sačinjene od manje od 100 nukleotida. Njegova tipična sekundarna građevina je u obliku djeteline s tri kraka. Odnosno, molekula RNA nalazi komplementarne baze unutar i može se saviti na sebi.

Ribosomske RNK su veće molekule koje uzimaju složene trodimenzionalne konformacije i pokazuju sekundarnu i tercijarnu strukturu.

Struktura DNK

Dvostruka spirala

Za razliku od linearne RNA, aranžman DNA sastoji se od dva isprepletena lanca. Ova je strukturna razlika ključna za izvršavanje njegovih specifičnih funkcija. RNA nije u stanju formirati ovu vrstu helikoptera zbog stericnog ometanja koju nametne dodatna OH grupa koja ima svoj šećer.

Osnove komplementarnosti

Između baza postoji komplementarnost. To jest, kao posljedica njihove veličine, oblika i kemijskog sastava, purini se moraju pariti s pirimidinom preko vodikovih veza. Iz tog razloga u prirodnoj DNK nalazimo da je A gotovo uvijek uparen s T, a G s C, formirajući vodikove veze sa svojim partnerima.

Osnovni parovi između G i C povezani su tri vodikove veze, dok su parovi A i T slabiji, a samo dvije vodikove veze ih drže zajedno.

Vlakne DNA mogu se odvojiti (to se događa i u stanici i u laboratorijskim postupcima), a potrebna toplina ovisi o količini GC u molekuli: što je veća, više je potrebno energije za odvajanje.

Orijentacija niti

Još jedna karakteristika DNA je njegova suprotna orijentacija: dok pramen vodi u 5'-3 'smjeru, njegov partner trči u smjeru 3'-5'.

Prirodne konformacije i u laboratoriju

Struktura ili konformacija koju inače nalazimo u prirodi naziva se DNA B. Karakterizira je s 10,4 nukleotida za svaki zaokret, odijeljenih s razmakom od 3,4. DNK B skreće udesno.

Ovaj obrazac navijanja rezultira pojavom dviju brazda, jedne veće i jedne manje.

U nukleinskim kiselinama formiranim u laboratoriju (sintetičke) mogu se naći i druge konformacije, koje se također pojavljuju u vrlo specifičnim uvjetima. To su DNA A i DNA Z.

Varijanta A također skreće udesno, iako je kraća i nešto šira od prirodne. Ovaj molekul poprima ovaj oblik kada vlaga opada. Rotira svakih 11 parova baze.

Posljednja varijanta je Z, a karakterizira je uskom i skretanjem ulijevo. Tvori ga skupina heksanukleotida koji su grupirani u dupleks antiparalnih lanaca.

Značajke

DNK: molekula nasljednosti

DNK je molekula koja može pohraniti informacije. Život kakav ga poznajemo na našem planetu ovisi o sposobnosti pohranjivanja i prevođenja takvih podataka.

Za stanicu, DNK je svojevrsna knjižnica u kojoj se nalaze sve potrebne upute za proizvodnju, razvoj i održavanje živog organizma.

U molekuli DNK nalazimo organizaciju diskretnih funkcionalnih cjelina zvanih geni. Neki će se prenositi na proteine, dok će drugi ispunjavati regulatorne funkcije.

Struktura DNA koju opisujemo u prethodnom odjeljku ključna je za obavljanje njenih funkcija. Helix se mora moći lako odvojiti i pridružiti - ključno svojstvo događaja replikacije i transkripcije.

DNK se nalazi u prokariotima na određenom mjestu u njihovoj citoplazmi, dok se u eukariotima nalazi unutar jezgre.

RNA: višenamjenska molekula

Uloga u sintezi proteina

RNA je nukleinska kiselina koju nalazimo u različitim fazama sinteze proteina i u regulaciji ekspresije gena.

Sinteza proteina započinje s transkripcijom šifrirane poruke u DNA u glasnik RNA molekule. Dalje, glasnik mora eliminirati dijelove koji neće biti prevedeni, poznati po imenu introna.

Za prijevod RNA poruke u aminokiselinske ostatke potrebne su dvije dodatne komponente: ribosomalna RNA koja je dio ribosoma i prijenosna RNA koja će nositi aminokiseline i biti će odgovorna za umetanje ispravne aminokiseline u peptidni lanac. U treningu.

Drugim riječima, svaka glavna vrsta RNA igra kritičnu ulogu u ovom procesu. Taj prelazak s DNK na glasnik RNA i konačno na proteine ​​ono je što biolozi nazivaju „središnjom dogmom biologije“.

No, kako se znanost ne može temeljiti na dogmama, postoje različiti slučajevi u kojima ova pretpostavka nije ispunjena, poput retrovirusa.

Uloga u regulaciji

Gore spomenute male RNA posredno sudjeluju u sintezi, orkestriraju sintezu glasnika RNA i sudjeluju u regulaciji ekspresije.

Na primjer, u stanici se nalaze različite mesnačke RNA koje su regulirane malim RNA, a imaju slijed komplementarnog ovome. Ako se mala RNA pridaje poruci, ona može rascijepiti glasnik i na taj način spriječiti njegov prijevod. Postoji više procesa koji su regulirani na ovaj način.

Reference

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2015). Bitna stanična biologija. Garland Science.
2. Berg, JM, Tymoczko, JL, Stryer, L. (2002). Biokemija. 5. izdanje WH Freeman.
3. Cooper, GM i Hausman, RE (2000). Stanica: Molekularni pristup. Sinauer Associates.
4. Curtis, H., i Barnes, NS (1994). Poziv na biologiju. Macmillan.
5. Fierro, A. (2001). Kratka povijest otkrića strukture DNK. Rev Méd Clínica Las Condes, 20, 71-75.
6. Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) Podrijetlo i evolucija DNK i uređaja za umnožavanje DNK. U: Baza podataka o bioznanosti Madame Curie. Austin (TX): Landes Bioscience.
7. Karp, G. (2009). Stanična i molekularna biologija: koncepti i eksperimenti. John Wiley & Sinovi.
8. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). Evolucijski prijelaz iz RNA u DNA u ranim stanicama. Časopis za molekularnu evoluciju, 27 (4), 283-290.
9. Lodish, H., Berk, A., Darnell, JE, Kaiser, Kalifornija, Krieger, M., Scott, MP,… & Matsudaira, P. (2008). Molekularna stanična biologija. Macmillan.
10. Voet, D., i Voet, JG (2006). Biokemija. Panamerican Medical Ed.
11. Voet, D., Voet, JG, & Pratt, CW (1999). Osnove biokemije. New York: John Willey i sinovi.