Χαρακτηριστικά των νουκλεϊνικών οξέων

Περιεχόμενο

• Γενικά Χαρακτηριστικά του DNA
• Γενικά Χαρακτηριστικά του RNA
• Οι αζωτούχες βάσεις
• Μεταγραφή και μετάφραση
• Από τις ίνες DNA έως τα χρωμοσώματα
• Νουκλεϊκά οξέα και την εμφάνιση της ζωής
• Ιατρικές Θεραπείες

Σημαντικά νουκλεϊνικά οξέα στη φύση περιλαμβάνουν δεοξυριβονουκλεϊνικό οξύ ή ϋΝΑ και ριβονουκλεϊνικό οξύ ή RNA. Ονομάζονται οξέα επειδή είναι δότες πρωτονίων (δηλ. Ατόμων υδρογόνου) και συνεπώς φέρουν αρνητικό φορτίο.

Χημικά, το DNA και το RNA είναι πολυμερή, που σημαίνει ότι αποτελούνται από επαναλαμβανόμενες μονάδες, συχνά πολύ μεγάλο αριθμό από αυτά. Αυτές οι μονάδες καλούνται νουκλεοτίδια. Όλα τα νουκλεοτίδια με τη σειρά τους περιλαμβάνουν τρία διαφορετικά χημικά τμήματα: ένα σάκχαρο πεντόζης, μία φωσφορική ομάδα και μία αζωτούχο βάση.

Το DNA διαφέρει από το RNA με τρεις βασικούς τρόπους. Το ένα είναι ότι η ζάχαρη που αποτελεί τη δομική "ραχοκοκαλιά" του μορίου νουκλεϊκού οξέος είναι δεοξυριβόζη, ενώ στο RNA είναι ριβόζη. Εάν είστε εξοικειωμένοι με τη χημική ονοματολογία, θα αναγνωρίσετε ότι πρόκειται για μικρή διαφορά στο συνολικό δομικό σχήμα. η ριβόζη έχει τέσσερις ομάδες υδροξυλίου (-ΟΗ), ενώ η δεοξυριβόζη έχει τρείς.

Η δεύτερη διαφορά είναι ότι ενώ μία από τις τέσσερις αζωτούχες βάσεις που βρίσκονται στο DNA είναι θυμίνη, η αντίστοιχη βάση στο RNA είναι η ουρακίλη. Οι αζωτούχες βάσεις των νουκλεϊνικών οξέων είναι εκείνες που υπαγορεύουν τα τελικά χαρακτηριστικά αυτών των μορίων, επειδή τα τμήματα φωσφορικού και σακχάρου δεν μεταβάλλονται εντός ή μεταξύ μορίων του ιδίου τύπου.

Τέλος, το DNA είναι διπλής έλικας, που σημαίνει ότι αποτελείται από δύο μακριές αλυσίδες νουκλεοτιδίων που δεσμεύονται χημικά από δύο αζωτούχες βάσεις. Το DNA περιτυλίσσεται σε σχήμα "διπλής έλικας", όπως μια εύκαμπτη σκάλα στριμμένη σε αντίθετες κατευθύνσεις και στα δύο άκρα.

Γενικά Χαρακτηριστικά του DNA

Η δεοξυριβόζη αποτελείται από έναν δακτύλιο πέντε ατόμων, τέσσερις άνθρακες και ένα οξυγόνο, διαμορφωμένο σαν ένα πεντάγωνο ή ίσως εγχώριο πιάτο στο μπέιζμπολ. Επειδή ο άνθρακας σχηματίζει τέσσερις δεσμούς και οξυγόνο δύο, αυτό αφήνει οκτώ θέσεις δέσμευσης ελεύθερα στα τέσσερα άτομα άνθρακα, δύο ανά άνθρακα, ένα πάνω και ένα κάτω από τον δακτύλιο. Τρεις από αυτές τις κηλίδες καταλαμβάνονται από ομάδες υδροξυλίου (-ΟΗ) και πέντε από τα άτομα υδρογόνου.

Αυτό το μόριο σακχάρου μπορεί να συνδεθεί σε μία από τις τέσσερις αζωτούχες βάσεις: αδενίνη, κυτοσίνη, γουανίνη και θυμίνη. Η αδενίνη (Α) και η γουανίνη (G) είναι πουρίνες, ενώ η κυτοσίνη (C) και η θυμίνη (Τ) είναι πυριμιδίνες. Τα πουρίνες είναι μεγαλύτερα μόρια από τις πυριμιδίνες. επειδή οι δύο κλώνοι οποιουδήποτε πλήρους μορίου ϋΝΑ συνδέονται στη μέση με τις αζωτούχες βάσεις τους, αυτοί οι δεσμοί πρέπει να σχηματίζονται μεταξύ μιας πουρίνης και μιας πυριμιδίνης για να διατηρηθεί το συνολικό μέγεθος των δύο βάσεων κατά μήκος του μορίου περίπου σταθερό. (Συμβάλλει στην αναφορά σε οποιοδήποτε διάγραμμα των νουκλεϊνικών οξέων κατά την ανάγνωση, όπως αυτές στις Αναφορές.) Όπως συμβαίνει, οι δεσμοί Α συνδέονται αποκλειστικά με το Τ στο DNA, ενώ οι Ο δεσμοί συνδέονται αποκλειστικά με το G.

Η δεοξυριβόζη δεσμευμένη σε αζωτούχο βάση ονομάζεται α νουκλεοσίδιο. Όταν μια φωσφορική ομάδα προστίθεται στην δεοξυριβόζη στον άνθρακα δύο κηλίδες μακριά από όπου συνδέεται η βάση, σχηματίζεται ένα πλήρες νουκλεοτίδιο. Οι ιδιαιτερότητες των αντίστοιχων ηλεκτροχημικών φορτίων στα διάφορα άτομα στα νουκλεοτίδια είναι υπεύθυνες για το δίκλωνο DNA που σχηματίζει φυσικά ένα ελικοειδές σχήμα και οι δύο ίνες DNA στο μόριο ονομάζονται συμπληρωματικά σκέλη.

Γενικά Χαρακτηριστικά του RNA

Το σάκχαρο πεντόζης στο RNA είναι ριβόζη και όχι δεοξυριβόζη. Η ριβόζη είναι πανομοιότυπη με την δεοξυριβόζη εκτός από το ότι η δομή του δακτυλίου συνδέεται προς τέσσερις ομάδες υδροξυλίου (-ΟΗ) και τέσσερα άτομα υδρογόνου αντί για τρία και πέντε αντίστοιχα. Το τμήμα ριβόζης ενός νουκλεοτιδίου δεσμεύεται σε μια φωσφορική ομάδα και μια αζωτούχο βάση, όπως με το DNA, με εναλλασσόμενα φωσφορικά και σάκχαρα που σχηματίζουν τον σκελετό του RNA. Οι βάσεις, όπως σημειώνεται παραπάνω, περιλαμβάνουν τα Α, C και G, αλλά η δεύτερη πυριμιδίνη στο RNA είναι ουρακίλη (U) και όχι Τ.

Ενώ το DNA αφορά αποκλειστικά μόνο την αποθήκευση πληροφοριών (ένα γονίδιο είναι απλώς ένα κλώνο DNA που κωδικοποιεί μία μόνο πρωτεΐνη), διαφορετικοί τύποι RNA αναλαμβάνουν διαφορετικές λειτουργίες. Το RNA αγγελιαφόρου, ή το mRNA, κατασκευάζεται από ϋΝΑ όταν το κανονικά δίκλωνο ϋΝΑ διασπάται σε δύο μονές αλυσίδες για το σκοπό της μεταγραφής. Το προκύπτον mRNA κάνει τελικά το δρόμο του προς τα μέρη των κυττάρων όπου λαμβάνει χώρα η παραγωγή πρωτεϊνών, φέρνοντας τις οδηγίες για αυτή τη διαδικασία που παρέχεται από το DNA. Ένας δεύτερος τύπος RNA μεταφοράς, RNA μεταφοράς (tRNA), συμμετέχει στην κατασκευή πρωτεϊνών. Αυτό συμβαίνει σε οργανικά κύτταρα που ονομάζονται ριβοσώματα και τα ίδια τα ριβοσώματα αποτελούνται κυρίως από ένα τρίτο τύπο RNA που ονομάζεται, εύστοχα, ριβοσωμικό RNA (rRNA).

Οι αζωτούχες βάσεις

Οι πέντε αζωτούχες βάσεις - αδενίνη (Α), κυτοσίνη (C), γουανίνη (G) και θυμίνη (Τ) στο DNA και τα τρία πρώτα συν ουρακίλη (U) στο RNA - είναι τα τμήματα των νουκλεϊνικών οξέων που είναι τελικά υπεύθυνα για ποικιλία γονιδιακών προϊόντων σε όλα τα ζωντανά πράγματα. Τα τμήματα ζάχαρης και φωσφορικού άλατος είναι απαραίτητα επειδή παρέχουν δομή και ικριώματα, αλλά οι βάσεις είναι εκεί όπου παράγονται οι κωδικοί. Αν νομίζετε ότι ο φορητός υπολογιστής σας είναι νουκλεϊνικό οξύ ή τουλάχιστον μια σειρά από νουκλεοτίδια, το υλικό (π.χ. δίσκοι, οθόνη, μικροεπεξεργαστής) είναι ανάλογο με τα σάκχαρα και τα φωσφορικά άλατα, ενώ οποιοδήποτε λογισμικό και εφαρμογές που εκτελείτε είναι αζωτούχες βάσεις, επειδή η μοναδική ποικιλία προγραμμάτων που έχετε φορτώσει στο σύστημά σας κάνει τον υπολογιστή σας μοναδικό "οργανισμό".

Όπως περιγράφηκε προηγουμένως, οι αζωτούχες βάσεις ταξινομούνται είτε ως πουρίνες (Α και G) είτε ως πυριμιδίνες (C, Τ και U). Ένα πάντοτε ζευγάρια σε έναν κλώνο DNA με Τ και το C πάντα ζεύγη με το G. Σημαντικά, όταν ένας κλώνος DNA χρησιμοποιείται ως πρότυπο για τη σύνθεση (μεταγραφή) RNA, σε κάθε σημείο κατά μήκος του αυξανόμενου μορίου RNA, το νουκλεοτίδιο RNA που δημιουργείται από το "μητρικό" DNA νουκλεοτίδιο περιλαμβάνει τη βάση που είναι αυτή που η "μητρική" βάση πάντα δεσμεύεται. Αυτό εξετάζεται σε ένα περαιτέρω τμήμα.

Τα πουρίνες αποτελούνται από έναν εξαμελή δακτύλιο αζώτου και άνθρακα και έναν πενταμελή δακτύλιο αζώτου και άνθρακα, όπως ένα εξάγωνο και ένα πεντάγωνο που μοιράζονται μια πλευρά. Η σύνθεση πουρίνης περιλαμβάνει χημική διαμόρφωση ενός σάκκου ριβόζης, ακολουθούμενη από την προσθήκη αμινο (-ΝΗ₂). Οι πυριμιδίνες έχουν επίσης έναν εξαμελή δακτύλιο αζώτου και άνθρακα, όπως τα πουρίνες, αλλά στερούνται του πενταμελούς δακτυλίου αζώτου και άνθρακα των πουρινών. Επομένως, τα μουρίνες έχουν υψηλότερη μοριακή μάζα από ότι οι πυριμιδίνες.

Η σύνθεση νουκλεοτιδίων που περιέχουν πυριμιδίνες και η σύνθεση νουκλεοτιδίων που περιέχουν πουρίνες συμβαίνουν στην αντίθετη σειρά σε ένα κρίσιμο βήμα. Στις πυριμιδίνες, το τμήμα βάσης συναρμολογείται πρώτα, και το υπόλοιπο του μορίου τροποποιείται αργότερα σε ένα νουκλεοτίδιο. Στις πουρίνες, το τμήμα που τελικά γίνεται αδενίνη ή γουανίνη, τροποποιείται προς το τέλος του σχηματισμού νουκλεοτιδίων.

Μεταγραφή και μετάφραση

Η μεταγραφή είναι η δημιουργία ενός κλώνου mRNA από ένα πρότυπο ϋΝΑ, που φέρει τις ίδιες οδηγίες (δηλ., Τον γενετικό κώδικα) για την παρασκευή μιας συγκεκριμένης πρωτεΐνης όπως το πρότυπο. Η διαδικασία εμφανίζεται στον πυρήνα του κυττάρου, όπου βρίσκεται το DNA.Όταν ένα δίκλωνο μόριο ϋΝΑ διαχωρίζεται σε μονές αλυσίδες και προχωρά η μεταγραφή, το mRNA το οποίο παράγεται από έναν κλώνο του ζεύγους "unzipped" ϋΝΑ είναι ταυτόσημο με το ϋΝΑ του άλλου κλώνου του μη αναπτυγμένου ϋΝΑ, εκτός του ότι το mRNA περιέχει U αντί Τ. (Το πάλι, αναφερόμενο σε ένα διάγραμμα είναι χρήσιμο, βλέπε τις αναφορές.) Το mRNA, μόλις ολοκληρωθεί, εγκαταλείπει τον πυρήνα μέσω πόρων στην πυρηνική μεμβράνη. Αφού το mRNA εγκαταλείψει τον πυρήνα, συνδέεται με ένα ριβόσωμα.

Τα ένζυμα στη συνέχεια συνδέονται με το ριβοσωμικό σύμπλεγμα και βοηθούν στη διαδικασία της μετάφρασης. Η μετάφραση είναι η μετατροπή της εντολής mRNAs σε πρωτεΐνες. Αυτό συμβαίνει όταν τα αμινοξέα, οι υπομονάδες των πρωτεϊνών, παράγονται από τρία νουκλεοτίδια "κωδικόνια" στον κλώνο mRNA. Η διαδικασία περιλαμβάνει επίσης rRNA (δεδομένου ότι η μετάφραση λαμβάνει χώρα στα νεύρα) και tRNA (που βοηθά στη συναρμολόγηση των αμινοξέων).

Από τις ίνες DNA έως τα χρωμοσώματα

Οι ίνες DNA συναρμολογούνται σε διπλή έλικα λόγω της συρροής συναφών παραγόντων. Ένας από αυτούς είναι οι δεσμοί υδρογόνου που φυσικά πέφτουν στη θέση τους σε διάφορα μέρη του μορίου. Καθώς σχηματίζεται η έλικα, τα ζεύγη σύνδεσης των αζωτούχων βάσεων είναι κάθετα στον άξονα της διπλής έλικας ως σύνολο. Κάθε πλήρης σειρά περιλαμβάνει συνολικά περίπου 10 ζευγάρια με βάση τη βάση. Αυτό που θα μπορούσαν να ονομάζονται "πλευρές" του DNA, όταν ορίζονται ως "σκάλα" καλούνται τώρα "αλυσίδες" της διπλής έλικας. Αυτά αποτελούνται σχεδόν εξ ολοκλήρου από τα τμήματα ριβόζης και φωσφορικών ενώσεων των νουκλεοτιδίων, με τις βάσεις να βρίσκονται στο εσωτερικό τους. Η έλικα λέγεται ότι έχει τόσο μεγάλες όσο και μικρές αυλακώσεις που καθορίζουν το τελικά σταθερό σχήμα της.

Ενώ τα χρωμοσώματα μπορούν να περιγραφούν ως πολύ μακριές έλικες DNA, αυτή είναι μια απλή απλούστευση. Είναι αλήθεια ότι ένα δεδομένο χρωμόσωμα θα μπορούσε, θεωρητικά, να ξετυλιχθεί για να αποκαλύψει ένα ενιαίο μη διακεκομμένο μόριο ϋΝΑ, αλλά αυτό δεν καταδεικνύει την περίπλοκη περιέλιξη, περιτύλιξη και συσσώρευση που το DNA κάνει στο δρόμο για το σχηματισμό ενός χρωμοσώματος. Ένα χρωμόσωμα διαθέτει εκατομμύρια ζεύγη βάσεων DNA και εάν ολόκληρο το DNA εκταθεί χωρίς να σπάσει την έλικα, το μήκος του θα εκτείνεται από μερικά χιλιοστά μέχρι πάνω από ένα εκατοστό. Στην πραγματικότητα, το DNA είναι πολύ πιο συμπυκνωμένο. Οι πρωτεΐνες που ονομάζονται ιστόνες σχηματίζονται από τέσσερα ζεύγη πρωτεϊνών υπομονάδας (οκτώ υπομονάδες συνολικά). Αυτό το οκταμερές χρησιμεύει ως τύμπανο για τη διπλή έλικα DNA για να τυλίγεται γύρω από δύο φορές, όπως το νήμα. Αυτή η δομή, το οκταμερές και το DNA που τυλίγεται γύρω του, ονομάζεται νουκλεοσώματος. Όταν ένα χρωμόσωμα είναι εν μέρει ξετυλιγμένο σε έναν κλώνο που ονομάζεται χρωματίτιδα, αυτά τα νουκλεοσώματα εμφανίζονται σε μικροσκοπία ως χάντρες σε μια χορδή. Αλλά πάνω από το επίπεδο των νουκλεοσωμάτων, εμφανίζεται περαιτέρω συμπίεση του γενετικού υλικού, αν και ο ακριβής μηχανισμός παραμένει ασαφής.

Νουκλεϊκά οξέα και την εμφάνιση της ζωής

Το DNA, το RNA και οι πρωτεΐνες εξετάζονται βιοπολυμερή επειδή είναι επαναλαμβανόμενες ακολουθίες πληροφοριών και αμινοξέα που σχετίζονται με τα ζωντανά πράγματα ("βιο" σημαίνει "ζωή"). Οι μοριακοί βιολόγοι σήμερα αναγνωρίζουν ότι το DNA και το RNA σε κάποια μορφή προηγούνται της εμφάνισης της ζωής στη Γη, αλλά από το 2018, κανείς δεν είχε καταλάβει το μονοπάτι από πρώιμα βιοπολυμερή σε απλά ζωντανά πράγματα. Μερικοί θεωρούν ότι το RNA σε κάποια μορφή ήταν η αρχική πηγή όλων αυτών των πραγμάτων, συμπεριλαμβανομένου του DNA. Αυτή είναι η "παγκόσμια υπόθεση του RNA". Ωστόσο, αυτό παρουσιάζει ένα είδος σεναρίου κοτόπουλου και αυγού για τους βιολόγους, επειδή αρκετά μεγάλα μόρια RNA φαινομενικά δεν θα μπορούσαν να εμφανιστούν με οποιοδήποτε άλλο τρόπο εκτός από τη μεταγραφή. Σε κάθε περίπτωση, οι επιστήμονες, με αυξανόμενη προθυμία, ερευνούν επί του παρόντος το RNA ως στόχο για το πρώτο μόριο που αναδιπλασιάζεται.

Ιατρικές Θεραπείες

Χημικά που μιμούνται τα συστατικά των νουκλεϊνικών οξέων χρησιμοποιούνται σήμερα ως φάρμακα, με περαιτέρω εξελίξεις σε αυτόν τον τομέα σε εξέλιξη. Για παράδειγμα, μια ελαφρώς τροποποιημένη μορφή ουρακίλης, 5-φθοροουρακίλης (5-FU), έχει χρησιμοποιηθεί εδώ και δεκαετίες για την αντιμετώπιση καρκίνου του παχέος εντέρου. Το κάνει αυτό μιμούμενος μια πραγματική βάση αζώτου αρκετά στενά έτσι ώστε να εισαχθεί στο νέο κατασκευασμένο DNA. Αυτό τελικά οδηγεί σε διάσπαση της πρωτεϊνικής σύνθεσης.

Οι μιμητές των νουκλεοζιτών (οι οποίοι, μπορεί να θυμηθείτε, είναι ένα ζάχαρο ριβόζης συν μια αζωτούχο βάση) έχουν χρησιμοποιηθεί σε αντιβακτηριακές και αντι-ιικές θεραπείες. Μερικές φορές, είναι το βασικό τμήμα του νουκλεοσιδίου που υφίσταται τροποποίηση και άλλες φορές το φάρμακο στοχεύει το τμήμα σακχάρου.