Su fosfodiesterske veze su kovalentne veze koji se javljaju između dva atoma kisika u fosfatnom grupom i hidroksilnih skupina dvaju različitih molekula. U ovoj vrsti veze, fosfatna skupina djeluje kao stabilan vezni "most" između dviju molekula kroz svoje atome kisika.
Temeljna uloga fosfodiesterskih veza u prirodi je u stvaranju lanaca nukleinske kiseline, i DNK i RNA. Zajedno s pentoznim šećerima (deoksiriboza ili riboza, ovisno o slučaju), fosfatne su skupine dio potporne strukture ovih važnih biomolekula.
Fosfodiesterska veza u kosturu DNK (Izvor: Datoteka: Phosfodiester bond.png, Datoteka: PhosphodiesterBondDiagram.png: Korisnik: G3pro (razgovor) Korisnik: G3pro na en.wikipedia.org Derivativni rad: Korisnik: Merops (razgovor) Derivatni rad: Korisnik: Deneapol (razgovor) Derivatni rad: Korisnik: KES47 (razgovor) Podešavanje teksta: Incnis Mrsi (razgovor) Podešavanje teksta: DMacks (razgovor)) Derivativni rad: Korisnik: Miguelferig (razgovor) s ionizacijom, putem Wikimedia Commons)
Nukleotidni lanci DNA ili RNA, poput proteina, mogu pretpostaviti različite trodimenzionalne konformacije stabilizirane nekovalentnim vezama, poput vodikovih veza između komplementarnih baza.
Međutim, primarna struktura je dana linearnom sekvencom nukleotida kovalentno povezanih fosfodiesterskim vezama.
Kako se formira fosfodiesterska veza?
Poput peptidnih veza u proteinima i glikozidnih veza između monosaharida, fosfodiesterske veze nastaju kao rezultat reakcija dehidracije u kojima se gubi molekula vode. Evo opće sheme jedne od tih reakcija dehidracije:
HX 1 -OH + HX 2 OH → HX 1 X 2 -OH + H 2 O
Fosfatni ioni odgovaraju potpuno deprotoniranoj konjugiranoj bazi fosforne kiseline i nazivaju se anorganskim fosfatima čija se kratica označava Pi. Kad se dvije fosfatne skupine povežu zajedno, nastaje bezvodna fosfatna veza i dobiva se molekula poznata kao anorganski pirofosfat ili PPi.
Kad se fosfatni ion veže na atom ugljika u organskoj molekuli, kemijska se veza naziva fosfatni ester, a rezultirajuća vrsta je organski monofosfat. Ako se organska molekula veže za više fosfatnih skupina, nastaju organski difosfati ili trifosfati.
Kad se jedna anorganska fosfatna molekula veže za dvije organske skupine, upotrebljava se veza fosfodiestera ili fosfat-diester. Na primjer, važno je ne miješati fosfodiesterske veze s visokoenergetskim fosfoanhidro vezama, na primjer, između fosfatnih skupina molekula poput ATP-a.
Razlike između fosfata i fosforila (Izvor: Strater, putem Wikimedia Commons)
Fosfodiesterske veze između susjednih nukleotida sastoje se od dvije fosfoesterske veze koje nastaju između hidroksila na položaju 5 'jednog nukleotida i hidroksila na položaju 3' sljedećeg nukleotida u lancu DNA ili RNA.
Ovisno o uvjetima okoline, ove se veze mogu hidrolizirati i enzimski i neenzimatski.
Enzimi koji su uključeni
Stvaranje i kršenje kemijskih veza presudno je za sve vitalne procese koliko ih poznajemo, a slučaj fosfodiesterskih veza nije iznimka.
Među najvažnije enzime koji mogu tvoriti te veze su polimeraze DNA i RNA i ribozimi. Enzimi fosfodiesteraze sposobni su enzimski ih hidrolizirati.
Tijekom replikacije, presudni postupak za staničnu proliferaciju, u svakom reakcijskom ciklusu dNTP (deoksinukleotid trifosfat), komplementarni bazi obrasca, ugrađuje se u DNA putem reakcije prijenosa nukleotida.
Polimeraza je odgovorna za formiranje nove veze između 3'-OH šablona i α-fosfata dNTP, zahvaljujući energiji koja se oslobađa razbijanjem veza između α i β fosfata dNTP-a, koji su povezani fosfoanhidro vezama.
Rezultat je produženje lanca jednim nukleotidom i oslobađanje molekule pirofosfata (PPi) s. Utvrđeno je da ove reakcije zaslužuju dva dvovalentna magnezijeva iona (Mg 2+), čija prisutnost omogućava elektrostatičku stabilizaciju nukleofilnih OH - za postizanje pristupa prema aktivnom mjestu enzima.
PK a fosfodiesterske veze je blizu 0, tako da su u vodenoj otopini ove veze potpuno ionizirane, negativno nabijene.
To daje molekulama nukleinske kiseline negativan naboj, koji se neutralizira zahvaljujući ionskim interakcijama s pozitivnim nabojima ostataka aminokiselina proteina, elektrostatskom vezom s metalnim ionima ili povezanošću s poliaminima.
U vodenoj otopini fosfodiesterske veze u molekuli DNA mnogo su stabilnije nego u molekuli RNA. U alkalnoj otopini ove se veze u molekuli RNA cijepaju intramolekularnim pomakom nukleozida na 5 'kraju pomoću 2' oksianiona.
Funkcija i primjeri
Kao što je spomenuto, najrelevantnija uloga ovih veza je njihovo sudjelovanje u stvaranju okosnice molekula nukleinskih kiselina, koje su jedna od najvažnijih molekula u staničnoj svijetu.
Aktivnost enzima topoizomeraze, koji aktivno sudjeluju u replikaciji DNK i sintezi proteina, ovisi o interakciji fosfodiesterskih veza na 5 'kraju DNK sa bočnim lancem ostataka tirozina na aktivnom mjestu tih enzimi.
Molekule koje sudjeluju kao drugi glasnici, kao što su ciklični adenozin monofosfat (cAMP) ili ciklički gvanozin trifosfat (cGTP), posjeduju fosfodiesterske veze koje hidroliziraju specifični enzimi poznati kao fosfodiesteraze, čije je sudjelovanje od najveće važnosti u mnogim signalnim procesima mobitel.
Glicerofosfolipidi, temeljne komponente u biološkim membranama, sastoje se od molekule glicerola koja se preko fosfodiesterskih veza pričvršćuje na polarne skupine "glava" koje čine hidrofilnu regiju molekule.
Reference
- Fothergill, M., Goodman, MF, Petruska, J., & Warshel, A. (1995). Strukturno-energetska analiza uloge metalnih iona u hidrolizi fosfodiesterske veze DNK polimerazom 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 stanična biologija (5. izd.). Freeman, WH & Company.
- Nakamura, T., Zhao, Y., Yamagata, Y., Hua, YJ, & Yang, W. (2012). Gledanje DNK polimeraze η stvara fosfodiestersku vezu. Priroda, 487 (7406), 196-201.
- Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Lehningerovi principi biokemije. Omega izdanja (5. izd.)
- Oivanen, M., Kuusela, S., & Lönnberg, H. (1998). Kinetika i mehanizmi cijepanja i izomerizacije fosfodiesterskih veza RNK pomoću razgrađenih kiselina i baza. Kemijski pregledi, 98 (3), 961-990.
- Pradeepkumar, PI, Höbartner, C., Baum, D., & Silverman, S. (2008). DNK katalizirana tvorba nukleopeptidnih veza. Angewandte Chemie International Edition, 47 (9), 1753–1757.
- Soderberg, T. (2010). Organska kemija s biološkim naglaskom svezak II (svezak II). Minnesota: Sveučilište Minnesota Morris Digital Well. Preuzeto s www.digitalcommons.morris.umn.edu