Характеристики нуклеиновых кислот

Содержание

• Общие характеристики ДНК
• Общая характеристика РНК
• Азотистые основы
• Транскрипция и перевод
• От нитей ДНК к хромосомам
• Нуклеиновые Кислоты и Возникновение Жизни
• Медицинская терапия

Важные нуклеиновые кислоты в природе включают дезоксирибонуклеиновую кислоту или ДНК и рибонуклеиновую кислоту или РНК. Их называют кислотами, потому что они являются донорами протонов (то есть атомов водорода), и поэтому они несут отрицательный заряд.

Химически ДНК и РНК являются полимерами, то есть они состоят из повторяющихся звеньев, часто очень большого их количества. Эти единицы называются нуклеотиды, Все нуклеотиды, в свою очередь, включают три различные химические части: пентозный сахар, фосфатную группу и азотистое основание.

ДНК отличается от РНК тремя основными способами. Одним из них является то, что сахар, который составляет структурную «основу» молекулы нуклеиновой кислоты, является дезоксирибозой, тогда как в РНК это рибоза. Если вы вообще знакомы с химической номенклатурой, вы поймете, что это небольшая разница в общей структурной схеме; рибоза имеет четыре гидроксильные (-ОН) группы, в то время как дезоксирибоза имеет три.

Второе отличие состоит в том, что, хотя одним из четырех азотистых оснований, обнаруженных в ДНК, является тимин, соответствующее основание в РНК представляет собой урацил. Азотистые основания нуклеиновых кислот - это то, что определяет конечные характеристики этих молекул, потому что фосфатная и сахарная части не изменяются внутри или между молекулами одного типа.

Наконец, ДНК является двухцепочечной, что означает, что она состоит из двух длинных цепей нуклеотидов, химически связанных двумя азотистыми основаниями. ДНК намотана в форме «двойной спирали», как гибкая лестница, закрученная в противоположных направлениях на обоих концах.

Общие характеристики ДНК

Дезоксирибоза состоит из пятиатомного кольца, четырех атомов углерода и кислорода, имеющих форму пятиугольника или, возможно, домашней пластины в бейсболе. Поскольку углерод образует четыре связи, а кислород - два, это оставляет восемь свободных центров связывания на четырех атомах углерода, по два на углерод, один над кольцом и один под кольцом. Три из этих пятен заняты гидроксильными (-ОН) группами, а пять - атомами водорода.

Эта молекула сахара может связываться с одним из четырех азотистых оснований: аденином, цитозином, гуанином и тимином. Аденин (A) и гуанин (G) представляют собой пурины, а цитозин (C) и тимин (T) представляют собой пиримидины. Пурины являются более крупными молекулами, чем пиримидины; поскольку две цепи любой полной молекулы ДНК связаны в середине своими азотистыми основаниями, эти связи должны образовываться между одним пурином и одним пиримидином, чтобы общий размер двух оснований в молекуле оставался примерно постоянным. (Это помогает ссылаться на любую диаграмму нуклеиновых кислот при чтении, например, в ссылках.) Как это происходит, A связывается исключительно с T в ДНК, а C связывается исключительно с G.

Дезоксирибоза, связанная с азотистым основанием, называется нуклеозид, Когда фосфатная группа добавляется к дезоксирибозе в углероде в двух точках от места, где присоединено основание, образуется полный нуклеотид. Особенности соответствующих электрохимических зарядов на различных атомах в нуклеотидах ответственны за двухцепочечную ДНК, естественно формирующую спиральную форму, и две цепи ДНК в молекуле называются дополнительные нити.

Общая характеристика РНК

Пентозный сахар в РНК является рибозой, а не дезоксирибозой. Рибоза идентична дезоксирибозе за исключением того, что кольцевая структура связана с четырьмя гидроксильными (-ОН) группами и четырьмя атомами водорода вместо трех и пяти соответственно. Рибозная часть нуклеотида связана с фосфатной группой и азотистым основанием, как и с ДНК, с чередующимися фосфатами и сахарами, образующими «основную цепь» РНК. Основания, как отмечено выше, включают А, С и G, но вторым пиримидином в РНК является урацил (U), а не Т.

В то время как ДНК касается только хранения информации (ген - это просто цепь ДНК, кодирующая отдельный белок), разные типы РНК выполняют разные функции. РНК-мессенджер, или мРНК, образуется из ДНК, когда обычно двухцепочечная ДНК расщепляется на две отдельные цепи с целью транскрипции. Получающаяся в результате мРНК, в конечном счете, попадает в те участки клеток, где происходит производство белка, и несет инструкции для этого процесса, доставляемые ДНК. Второй тип РНК, трансфер РНК (тРНК), принимает участие в производстве белков. Это происходит на клеточных органеллах, называемых рибосомами, и сами рибосомы состоят в основном из третьего типа РНК, называемой точно рибосомальной РНК (рРНК).

Азотистые основы

Пять азотистых оснований - аденин (A), цитозин (C), гуанин (G) и тимин (T) в ДНК и первые три плюс урацил (U) в РНК - являются частями нуклеиновых кислот, которые в конечном счете ответственны за разнообразие генных продуктов среди живых существ. Порции сахара и фосфата имеют важное значение в том смысле, что они обеспечивают структуру и строительные леса, но основания - это то, где генерируются коды. Если вы думаете о своем ноутбуке как о нуклеиновой кислоте или, по крайней мере, о последовательности нуклеотидов, аппаратное обеспечение (например, дисководы, экран монитора, микропроцессор) аналогично сахарам и фосфатам, тогда как любое программное обеспечение и приложения, которые вы используете, похожи азотистые основы, потому что уникальный ассортимент программ, которые вы загрузили в свою систему, эффективно превращает ваш компьютер в единственный в своем роде «организм».

Как описано ранее, азотистые основания классифицируются как пурины (A и G) или пиримидины (C, T и U). A всегда спаривается в цепи ДНК с T, а C всегда спаривается с G. Важно, что когда цепь ДНК используется в качестве матрицы для синтеза (транскрипции) РНК, в каждой точке растущей молекулы РНК создается нуклеотид РНК, который создается из "родительского" нуклеотида ДНК включает основание, с которым всегда связывается "родительское" основание. Это рассматривается в следующем разделе.

Пурины состоят из азотно-углеродного кольца из шести членов и азотно-углеродного кольца из пяти элементов, таких как шестиугольник и пятиугольник, которые имеют общую сторону. Синтез пурина включает химическое изменение содержания рибозного сахара с последующим добавлением амино (-NH₂) группы. Пиримидины также имеют азотно-углеродное кольцо из шести членов, как и пурины, но не содержат азотно-углеродное кольцо из пяти членов из пуринов. Поэтому пурины имеют более высокую молекулярную массу, чем пиримидины.

Синтез нуклеотидов, содержащих пиримидины, и синтез нуклеотидов, содержащих пурины, происходят в обратном порядке на одном важном этапе. В пиримидинах основная часть собирается сначала, а остальная часть молекулы превращается в нуклеотид позже. В пуринах та часть, которая в конечном итоге становится аденином или гуанином, модифицируется ближе к концу образования нуклеотидов.

Транскрипция и перевод

Транскрипция - это создание цепи мРНК из матрицы ДНК, несущей те же инструкции (т.е. генетический код) для создания конкретного белка, что и матрица. Процесс происходит в ядре клетки, где расположена ДНК.Когда двухцепочечная молекула ДНК разделяется на одноцепочечные и происходит транскрипция, мРНК, которая генерируется из одной цепи «разархивированной» пары ДНК, идентична ДНК другой цепи разархивированной ДНК, за исключением того, что мРНК содержит U вместо Т. (Опять-таки, ссылка на диаграмму полезна; см. Список литературы). После завершения мРНК ядро ​​покидает ядро ​​через поры в ядерной мембране. После того как мРНК покидает ядро, она присоединяется к рибосоме.

Ферменты затем присоединяются к рибосомному комплексу и помогают в процессе трансляции. Трансляция - это преобразование инструкции мРНК в белки. Это происходит, когда аминокислоты, субъединицы белков, генерируются из трехнуклеотидных «кодонов» на цепи мРНК. Процесс также включает в себя рРНК (поскольку трансляция происходит на рибсомах) и тРНК (которая помогает собирать аминокислоты).

От нитей ДНК к хромосомам

Нити ДНК собираются в двойную спираль вследствие слияния связанных факторов. Одним из них являются водородные связи, которые естественным образом попадают на место через различные части молекулы. По мере образования спирали пары связывания азотистых оснований перпендикулярны оси двойной спирали в целом. Каждый полный ход включает в себя около 10 пар оснований и оснований. То, что можно было бы назвать «сторонами» ДНК, когда их выкладывали как «лестницу», теперь называют «цепями» двойной спирали. Они почти полностью состоят из рибозной и фосфатной частей нуклеотидов, а основания находятся внутри. Говорят, что спираль имеет как основные, так и второстепенные канавки, которые определяют ее окончательно стабильную форму.

Хотя хромосомы могут быть описаны как очень длинные нити ДНК, это грубое упрощение. Это правда, что данная хромосома, теоретически, может быть развернута, чтобы обнаружить единственную неразорванную молекулу ДНК, но это не указывает на сложное свертывание, наматывание и кластеризацию, которые ДНК делает на пути к образованию хромосомы. Одна хромосома содержит миллионы пар оснований ДНК, и если бы вся ДНК растянулась без разрыва спирали, ее длина увеличилась бы с нескольких миллиметров до более сантиметра. На самом деле ДНК гораздо более сжатая. Белки, называемые гистонами, образуются из четырех пар субъединичных белков (всего восемь субъединиц). Этот октамер служит своего рода катушкой для двойной спирали ДНК, которая оборачивается дважды, как нить. Эта структура, октамер плюс ДНК, обернутая вокруг нее, называется нуклеосомой. Когда хромосома частично разматывается в нить, называемую хроматидой, эти микроскопы появляются при микроскопии в виде шариков на нити. Но выше уровня нуклеосом происходит дальнейшее сжатие генетического материала, хотя точный механизм остается неясным.

Нуклеиновые Кислоты и Возникновение Жизни

ДНК, РНК и белки считаются биополимеры потому что они представляют собой повторяющиеся последовательности информации и аминокислот, которые связаны с живыми существами («био» означает «жизнь»). Молекулярные биологи сегодня признают, что ДНК и РНК в той или иной форме предшествуют появлению жизни на Земле, но по состоянию на 2018 год никто не определил путь от ранних биополимеров к простым живым существам. Некоторые предполагают, что РНК в той или иной форме была источником всех этих вещей, включая ДНК. Это «гипотеза мира РНК». Тем не менее, это представляет собой своего рода сценарий "курица и яйцо" для биологов, потому что достаточно большие молекулы РНК, по-видимому, не могли появиться никакими средствами, кроме транскрипции. В любом случае, ученые с возрастающим энтузиазмом в настоящее время исследуют РНК в качестве мишени для первой самореплицирующейся молекулы.

Медицинская терапия

Химические вещества, которые имитируют составляющие нуклеиновых кислот, используются сегодня в качестве лекарств, и в этой области продолжаются дальнейшие разработки. Например, слегка модифицированная форма урацила, 5-фторурацил (5-FU), использовалась в течение десятилетий для лечения рака толстой кишки. Он делает это, имитируя истинное азотистое основание достаточно близко, чтобы он вставлялся во вновь изготовленную ДНК. В конечном итоге это приводит к нарушению синтеза белка.

Имитаторы нуклеозидов (которые, как вы помните, являются рибозным сахаром и азотистым основанием) использовались в антибактериальной и противовирусной терапии. Иногда это основная часть нуклеозида, которая подвергается модификации, а в других случаях лекарство предназначается для сахарной части.