NUKLEORŪGŠTYS: SAVYBĖS, FUNKCIJOS, STRUKTŪRA - BIOLOGIJA - 2025

Kad nukleino rūgštys yra dideli biomolekulių suformuotos vienetų arba monomerų, vadinamų nukleotidai. Jie yra atsakingi už genetinės informacijos saugojimą ir perdavimą. Jie taip pat dalyvauja kiekviename baltymo sintezės etape.

Struktūriškai kiekvienas nukleotidas yra sudarytas iš fosfato grupės, penkių anglies cukraus ir heterociklinės azoto bazės (A, T, C, G ir U). Esant fiziologiniam pH, nukleino rūgštys yra neigiamai įkrautos, tirpsta vandenyje, sudaro klampius tirpalus ir yra gana stabilios.

Šaltinis: pixabay.com

Yra du pagrindiniai nukleorūgščių tipai: DNR ir RNR. Abiejų nukleorūgščių sudėtis yra panaši: abejuose randame nukleotidų, sujungtų fosfodiesteriniais ryšiais, seriją. Tačiau DNR randame timiną (T) ir RNR uracilą (U).

DNR yra ilgesnė ir yra dvigubos spiralės formos ir RNR yra sudaryta iš vienos grandinės. Šios molekulės yra visuose gyvuose organizmuose, nuo virusų iki stambių žinduolių.

Istorinė perspektyva

Nukleorūgščių atradimas

Nukleorūgščių atradimas datuojamas 1869 m., Kai Friedrichas Miescheris nustatė chromatiną. Savo eksperimentuose Miescheris iš šerdies išgavo želatiną medžiagą ir atrado, kad šioje medžiagoje gausu fosforo.

Iš pradžių paslaptingo pobūdžio medžiaga buvo žymima „nukleinu“. Vėlesni eksperimentai su nukleinu padarė išvadą, kad jame gausu ne tik fosforo, bet ir angliavandenių bei organinių bazių.

Phoebus Levene nustatė, kad nukleinas yra linijinis polimeras. Nors pagrindinės cheminės nukleorūgščių savybės buvo žinomos, nebuvo manoma, kad tarp šio polimero ir paveldimos gyvų daiktų medžiagos yra ryšys.

DNR funkcijos atradimas

4-ojo dešimtmečio viduryje to meto biologams nebuvo įtikinama, kad už organizmo informacijos perdavimą ir saugojimą atsakinga molekulė gyvena molekulėje, kurios raiška yra tokia pati paprasta kaip DNR - sudaryta iš keturių labai panašių monomerų (nukleotidų). kiekviena.

Baltymai, polimerai, sudaryti iš 20 rūšių aminorūgščių, tuo metu labiausiai tikėtini kandidatai buvo paveldimumo molekulė.

Šis požiūris pasikeitė 1928 m., Kai tyrinėtojas Fredas Griffithas įtarė, kad nukleinas susijęs su paveldimumu. Galiausiai 1944 m. Oswaldui Avery pavyko padaryti patikimus įrodymus, kad DNR yra genetinė informacija.

Taigi, DNR tapo nuobodžia ir monotoniška molekule, sudaryta tik iš keturių konstrukcinių blokų, iki molekulės, leidžiančios saugoti nepaprastai daug informacijos ir galinčią ją tiksliai ir tiksliai išsaugoti bei perduoti.

DNR struktūros atradimas

1953-ieji metai biologiniams mokslams buvo revoliuciniai, nes tyrėjai Jamesas Watsonas ir Francisas Crickas išsiaiškino teisingą DNR struktūrą.

Remiantis rentgeno atspindžio modelių analize, Watsono ir Cricko rezultatai rodo, kad molekulė yra dviguba spiralė, kur fosfato grupės sudaro išorinį stuburą ir bazės išsikiša į vidų.

Paprastai naudojama kopėčių analogija, kai turėklai atitinka fosfato grupes, o laiptai - prie pagrindų.

DNR sekos nustatymas

Per pastaruosius du dešimtmečius biologijoje padaryta nepaprasta pažanga, kurią lėmė DNR sekos nustatymas. Technologinės pažangos dėka šiandien mes turime reikiamą technologiją, kad žinotume DNR seką gana dideliu tikslumu - „seka“ turime omenyje bazių tvarką.

Iš pradžių sekos išaiškinimas buvo brangus įvykis, kurio įgyvendinimas užtruko ilgai. Šiuo metu nėra sudėtinga žinoti ištisų genomų seką.

charakteristikos

Krūvis ir tirpumas

Kaip rodo jo pavadinimas, nukleorūgštys yra rūgščios ir yra molekulės, kurios gerai tirpsta vandenyje; tai yra, jie yra hidrofiliniai. Esant fiziologiniam pH, molekulė neigiamai įkraunama dėl fosfatų grupių buvimo.

Dėl to baltymuose, su kuriais susijusi DNR, gausu aminorūgščių liekanų, turinčių teigiamą krūvį. Teisingas DNR susiejimas yra labai svarbus, kad jos pakaktų ląstelėse.

Klampumas

Nukleorūgšties klampumas priklauso nuo to, ar ji yra dviguba, ar viena juosta. Dvigubos juostos DNR sudaro didelio klampumo tirpalus, nes jo struktūra yra tvirta ir atspari deformacijai. Be to, jų skersmuo yra ypač ilgos molekulės.

Priešingai, yra ir vienos juostos nukleino rūgščių tirpalų, kuriems būdingas mažas klampumas.

Stabilumas

Kita nukleorūgščių savybė yra jų stabilumas. Natūralu, kad molekulė, atliekanti tokią būtiną užduotį kaip paveldėjimo saugojimas, turi būti labai stabili.

Palyginti, DNR yra stabilesnė nei RNR, nes joje nėra hidroksilo grupės.

Gali būti, kad ši cheminė savybė vaidino svarbų vaidmenį nukleorūgščių evoliucijoje ir pasirenkant DNR kaip paveldimą medžiagą.

Remiantis hipotetiniais kai kurių autorių pasiūlytais perėjimais, RNR evoliucijos procese buvo pakeista DNR. Tačiau šiandien yra keletas virusų, kurie naudoja RNR kaip genetinę medžiagą.

Ultravioletinės šviesos absorbcija

Nukleorūgščių absorbcija taip pat priklauso nuo to, ar jos yra dvigubos, ar vienos juostos. Žiedų struktūros absorbcijos smailė yra 260 nanometrų (nm).

Pradėjus atskirti dvigubos juostos DNR grandinę, absorbcija aukščiau nurodytu bangos ilgiu padidėja, nes yra veikiami žiedai, kurie sudaro nukleotidus.

Šis parametras yra svarbus molekuliniams biologams laboratorijoje, nes matuojant įsisavinimą jie gali įvertinti DNR kiekį, esantį jų mėginiuose. Apskritai žinios apie DNR savybes prisideda prie jo gryninimo ir apdorojimo laboratorijose.

Klasifikacija (tipai)

Dvi pagrindinės nukleorūgštys yra DNR ir RNR. Abu yra visų gyvų dalykų komponentai. DNR reiškia dezoksiribonukleorūgštį, o RNR - ribonukleorūgštį. Abi molekulės vaidina pagrindinį paveldimumą ir baltymų sintezę.

DNR yra molekulė, kurioje kaupiama visa organizmo vystymuisi reikalinga informacija, ir ji yra sugrupuota į funkcinius vienetus, vadinamus genais. RNR yra atsakinga už šios informacijos paėmimą ir kartu su baltymų kompleksais perduoda informaciją iš nukleotidų grandinės į aminorūgščių grandinę.

RNR sruogos gali būti kelių šimtų ar kelių tūkstančių nukleotidų ilgio, tuo tarpu DNR sruogos viršija milijonus nukleotidų ir jas galima vizualizuoti optiniu mikroskopu, jei jos dažomos dažais.

Pagrindiniai abiejų molekulių struktūriniai skirtumai bus aprašyti kitame skyriuje.

RNR

Ląstelėse yra įvairių rūšių RNR, kurios kartu veikia organizuodamos baltymų sintezę. Trys pagrindiniai RNR tipai yra pasiuntinė, ribosominė ir pernešamoji.

Messenger RNR

Messenger RNR yra atsakinga už DNR egzistuojančios žinutės nukopijavimą ir gabenimą į baltymų sintezę, vykstančią struktūrose, vadinamose ribosomomis.

Ribosominė arba ribosominė RNR

Ribosominė RNR randama kaip šios būtinos mašinos dalis: ribosoma. 60% ribosomos sudaro ribosomų RNR, o likusią dalį užima beveik 80 skirtingų baltymų.

Perkelkite RNR

Perdavimo RNR yra tam tikras molekulinis adapteris, pernešantis aminorūgštis (baltymų statybinius blokus) į ribosomą, kurią reikia įtraukti.

Maža RNR

Be šių trijų pagrindinių tipų, neseniai buvo rasta nemažai papildomų RNR, kurios vaidina esminį vaidmenį baltymų sintezėje ir genų ekspresijoje.

Mažos branduolinės RNR, sutrumpintai kaip snRNR, dalyvauja kaip kataliziniai vienetai pasiuntinio RNR splaisinge (procese, kurį sudaro intronų pašalinimas).

Išankstinės ribosominės RNR nuorašų, sudarančių ribosomos subvienetą, apdorojime dalyvauja mažos branduolinės RNR arba snoRNR. Tai įvyksta branduolyje.

Trumpai trukdančios RNR ir mikroRNR yra mažos RNR sekos, kurių pagrindinis vaidmuo yra genų ekspresijos moduliavimas. MikroRNR yra koduojami iš DNR, tačiau jų transliacija į baltymus nesitęsia. Jie yra vienos grandinės ir gali papildyti žinutės RNR, slopindami jos virsmą baltymais.

Struktūra ir cheminė sudėtis

Nukleorūgštys yra ilgos polimerų grandinės, sudarytos iš monomerų, vadinamų nukleotidais. Kiekvieną iš jų sudaro:

Fosfato grupė

Yra keturi nukleotidų tipai ir jie turi bendrą struktūrą: fosfato grupė, sujungta su pentozė per fosfodiesterinį ryšį. Fosfatų buvimas suteikia molekulės rūgštingumą. Fosfato grupė yra disociuojama ląstelės pH, todėl ji yra neigiamai įkrauta.

Šis neigiamas krūvis leidžia nukleorūgštis susieti su molekulėmis, kurių krūvis teigiamas.

Nedideli nukleozidų kiekiai gali būti randami ląstelėse ir tarpląsteliniuose skysčiuose. Tai yra molekulės, sudarytos iš visų nukleotido komponentų, bet kuriose nėra fosfato grupių.

Remiantis šia nomenklatūra, nukleotidas yra nukleozidas, turintis vieną, dvi ar tris fosfato grupes, esterintas hidroksilo, esančio 5 ’anglies atomo vietoje. Nukleozidai su trimis fosfatais dalyvauja nukleorūgščių sintezėje, nors jie ląstelėje atlieka ir kitas funkcijas.

Pentozė

Pentozė yra monomerinis angliavandenis, sudarytas iš penkių anglies atomų. DNR pentozė yra dezoksiribozė, kuriai būdingas hidroksilo grupės praradimas prie anglies 2 ’. RNR pentozė yra ribozė.

Azoto bazė

Pentozė savo ruožtu yra sujungta su organine baze. Nukleotido tapatumą suteikia bazės tapatumas. Yra penki tipai, sutrumpinti jų inicialais: adeninas (A), guaninas (G), citozinas (C), timinas (T) ir uracilis (U).

Literatūroje įprasta, kad šios penkios raidės yra naudojamos nurodyti visą nukleotidą. Tačiau griežtai tariant, tai tik dalis nukleotido.

Pirmieji trys, A, G ir C, būdingi ir DNR, ir RNR. Tuo tarpu T būdinga tik DNR, o uracilis ribojamas RNR molekulėmis.

Struktūriškai bazės yra heterocikliniai cheminiai junginiai, kurių žiedai sudaryti iš anglies ir azoto molekulių. A ir G yra sudaryti iš sulydytų žiedų poros ir priklauso purinų grupei. Likusios bazės priklauso pirimidinams, o jų struktūrą sudaro vienas žiedas.

Įprasta, kad abiejų tipų nukleorūgštyse randame modifikuotų bazių, pavyzdžiui, papildomos metilo grupės, seriją.

Kai įvyksta šis įvykis, sakome, kad bazė metilinta. Prokariotuose dažniausiai randami metilinti adeninai, o tiek prokariotuose, tiek eukariotuose citozinai gali turėti papildomą metilo grupę.

Kaip vyksta polimerizacija?

Kaip minėjome, nukleorūgštys yra ilgos grandinės, sudarytos iš monomerų - nukleotidų. Norėdami sudaryti grandines, jos yra susietos tam tikru būdu.

Kai nukleotidai polimerizuojasi, hidroksilo grupė (-OH), esanti vieno iš nukleotidų cukraus 3 'anglis, sudaro esterinį ryšį su fosfato grupe iš kitos nukleotido molekulės. Susiformavus šiam ryšiui, pašalinama vandens molekulė.

Ši reakcijos rūšis vadinama „kondensacijos reakcija“ ir yra labai panaši į tai, kas vyksta, kai baltymų peptidiniai ryšiai susiformuoja tarp dviejų aminorūgščių liekanų. Ryšiai tarp kiekvienos nukleotidų poros vadinami fosfodiesteriniais ryšiais.

Kaip ir polipeptiduose, nukleorūgščių grandinių galai turi dvi chemines orientacijas: vienas yra 5 'galas, kuriame yra laisvojo hidroksilo grupė arba fosfato grupė ant galinio cukraus 5' anglies, o 3 gale. ´ randame laisvą anglies 3 hidroksilo grupę´.

Įsivaizduokime, kad kiekvienas DNR blokas yra „Lego“ rinkinys, kurio vienas galas yra įkištas ir su laisva skylute, kur gali būti įdėtas kitas blokas. 5 'galas su fosfatu bus įdėtas galas, o 3' yra analogiškas laisvai skylei.

Kiti nukleotidai

Ląstelėje randame kito tipo nukleotidus, turinčius kitokią struktūrą nei minėta aukščiau. Nors šios nebus nukleorūgščių dalys, jos vaidina labai svarbius biologinius vaidmenis.

Tarp tinkamiausių turime riboflavino mononukleotidą, žinomą kaip FMN, kofermentą A, adenino dinukleotidą ir nikotinaminą.

RNR struktūra

Nukleorūgšties polimero linijinė struktūra atitinka pirminę šių molekulių struktūrą. Polinukleotidai taip pat turi galimybę sudaryti trijų matmenų matricas, kurias stabilizuoja nekovalentinės jėgos - panašios į baltymuose randamą lankstymą.

Nors pirminė DNR ir RNR sudėtis yra gana panaši (išskyrus aukščiau paminėtus skirtumus), jų struktūros makiažas labai skiriasi. RNR dažniausiai randamos kaip viena nukleotidų grandinė, nors ji gali vykti skirtingai.

Pavyzdžiui, perdavimo RNR yra mažos molekulės, sudarytos iš mažiau nei 100 nukleotidų. Tipiška antrinė jo struktūra yra dobilų su trimis rankomis pavidalu. T. y., RNR molekulė viduje randa papildomas bazes ir gali susilankstyti pati.

Ribosominės RNR yra didesnės molekulės, kurios įgauna sudėtingas trimates konfigūracijas ir pasižymi antrine bei tretinęja struktūra.

DNR struktūra

Dviguba spiralė

Skirtingai nuo linijinės RNR, DNR išdėstymas susideda iš dviejų susipynusių sruogų. Šis struktūrinis skirtumas yra labai svarbus norint atlikti specifines jo funkcijas. RNR nėra pajėgi sudaryti tokio tipo sraigtas dėl papildomos OH grupės, kuriai yra jos cukrus, nustatyto sterilumo.

Pagrindų papildomumas

Tarp pagrindų yra papildomumas. Tai reiškia, kad purinai dėl savo dydžio, formos ir cheminės sudėties turi susijungti su pirimidinu per vandenilio ryšius. Dėl šios priežasties natūralioje DNR mes pastebime, kad A beveik visada yra suporuotas su T ir G su C, sudarydamas vandenilio ryšius su savo partneriais.

Bazinės poros tarp G ir C yra sujungtos trimis vandenilio ryšiais, tuo tarpu poros A ir T yra silpnesnės ir tik dvi vandenilio jungtys jas laiko kartu.

DNR grandines galima atskirti (tai įvyksta tiek ląstelėje, tiek atliekant laboratorines procedūras), o reikalinga šiluma priklauso nuo GC kiekio molekulėje: kuo jis didesnis, tuo daugiau energijos reikės jos atskyrimui.

Sruogos orientacija

Kita DNR savybė yra priešinga jos orientacija: nors styga eina 5'-3 'kryptimi, jos partneris eina 3'-5' kryptimi.

Natūralios formos ir laboratorijoje

Struktūra ar struktūra, kurią paprastai randame gamtoje, vadinama DNR B. Tai apibūdinama tuo, kad kiekviename posūkyje yra 10,4 nukleotidų, atskirtų 3,4 atstumu. DNR B pasisuka į dešinę.

Dėl šio apvijos modelio atsiranda dvi vagos, viena didesnė ir kita mažesnė.

Laboratorijoje suformuotose nukleorūgštyse (sintetinėse) galima rasti kitokių konformacijų, kurios taip pat atsiranda labai specifinėmis sąlygomis. Tai yra DNR A ir DNR Z.

Variantas A taip pat suka į dešinę, nors jis yra trumpesnis ir šiek tiek platesnis nei natūralus. Molekulė įgauna tokią formą, kai mažėja drėgmė. Jis sukasi kas 11 bazinių porų.

Paskutinis variantas yra Z, pasižymintis siaurumu ir pasukimu į kairę. Jį sudaro grupė heksanukleotidų, kurie yra sugrupuoti į antiparallelių grandinių dupleksą.

funkcijos

DNR: paveldimumo molekulė

DNR yra molekulė, galinti saugoti informaciją. Gyvenimas, kokį mes jį žinome savo planetoje, priklauso nuo sugebėjimo saugoti ir versti tokią informaciją.

Ląstelei DNR yra tam tikra biblioteka, kurioje randamos visos būtinos gyvo organizmo gamybos, vystymosi ir palaikymo instrukcijos.

DNR molekulėje randame atskirų funkcinių vienetų, vadinamų genais, organizaciją. Kai kurie iš jų bus pernešti į baltymus, o kiti atliks reguliavimo funkcijas.

DNR struktūra, kurią apibūdinsime ankstesniame skyriuje, yra pagrindinė jos funkcijų atlikimo sąlyga. Sraigė turi sugebėti atskirti ir lengvai prisijungti - tai pagrindinė replikacijos ir transkripcijos įvykių savybė.

DNR randama prokariotuose tam tikroje jų citoplazmos vietoje, o eukariotuose - branduolyje.

RNR: daugiafunkcinė molekulė

Vaidmuo baltymų sintezėje

RNR yra nukleino rūgštis, kurią randame skirtinguose baltymų sintezės etapuose ir genų ekspresijos reguliavime.

Baltymų sintezė prasideda šifruoto pranešimo perrašymu DNR į pasiuntinio RNR molekulę. Tada pasiuntinys turi pašalinti dalis, kurios nebus išverstos, žinomas intronų pavadinimu.

RNR pranešimui paversti aminorūgščių liekanomis reikalingi du papildomi komponentai: ribosomų RNR, kuri yra ribosomų dalis, ir pernešančioji RNR, kuri nešios aminorūgštis ir bus atsakinga už tinkamos aminorūgšties įterpimą į peptido grandinę. Treniruotėje.

Kitaip tariant, kiekviena pagrindinė RNR rūšis vaidina kritinį vaidmenį šiame procese. Šis perėjimas iš DNR į pasiuntinių RNR ir galiausiai į baltymus yra tai, ką biologai vadina „centrine biologijos dogma“.

Tačiau kadangi mokslas negali būti grindžiamas dogmomis, yra įvairių atvejų, kai ši prielaida neįvykdoma, pavyzdžiui, retrovirusai.

Vaidmuo reglamentavime

Aukščiau paminėtos mažos RNR netiesiogiai dalyvauja sintezėje, organizuojant pasiuntinių RNR sintezę ir dalyvaujant ekspresijos reguliavime.

Pavyzdžiui, ląstelėje yra skirtingos pasiuntinių RNR, kurias reguliuoja mažos RNR, kurių seka papildo tai. Jei maža RNR prisijungia prie pranešimo, ji gali pašalinti pranešėją ir taip užkirsti kelią jo vertimui. Yra keli procesai, kurie tokiu būdu yra reguliuojami.

Nuorodos

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… ir Walter, P. (2015). Esminė ląstelių biologija. Girlianda mokslas.
2. Bergas, J. M., Tymoczko, J. L., Stryeris, L. (2002). Biochemija. 5-asis leidimas. WH Freeman.
3. Cooperis, GM ir Hausmanas, RE (2000). Ląstelė: molekulinis požiūris. „Sinauer Associates“.
4. Curtis, H., & Barnes, NS (1994). Kvietimas į biologiją. Macmillanas.
5. Fierro, A. (2001). Trumpa DNR struktūros atradimo istorija. „Rev Méd Clínica Las Condes“, 20, 71–75.
6. Forterre, P., Filée, J. ir Myllykallio, H. (2000-2013) DNR ir DNR replikacijos aparatų kilmė ir raida. In: „Madame Curie“ bioscience duomenų bazė. Ostinas (TX): Landes bioscience.
7. Karp, G. (2009). Ląstelių ir molekulių biologija: sąvokos ir eksperimentai. Johnas Wiley ir sūnūs.
8. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). Ankstyvųjų ląstelių evoliucinis perėjimas nuo RNR prie DNR. Žurnalas apie molekulinę evoliuciją, 27 (4), 283–290.
9. Lodish, H., Berk, A., Darnell, JE, Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP,… ir Matsudaira, P. (2008). Molekulinių ląstelių biologija. Macmillanas.
10. Voet, D., & Voet, JG (2006). Biochemija. Panamerican Medical Ed.
11. Voet, D., Voet, JG, & Pratt, CW (1999). Biochemijos pagrindai. Niujorkas: Johnas Willey ir sūnūs.