НУКЛЕИНСКЕ КИСЕЛИНЕ: КАРАКТЕРИСТИКЕ, ФУНКЦИЈЕ, СТРУКТУРА - БИОЛОГИЈА - 2025

У Нуклеинске киселине су велике биомолекула настале јединице или мономера званих нуклеотиди. Они су задужени за складиштење и пренос генетских информација. Такође учествују у сваком од корака синтезе протеина.

Структурно је сваки нуклеотид сачињен од фосфатне групе, шећера са пет угљеника и хетероцикличне азотне базе (А, Т, Ц, Г и У). При физиолошком пХ, нуклеинске киселине су негативно наелектрисане, растворљиве у води, формирају вискозне растворе и прилично су стабилне.

Извор: пикабаи.цом

Постоје две главне врсте нуклеинских киселина: ДНК и РНК. Састав обе нуклеинске киселине је сличан: у обе налазимо низ нуклеотида повезаних фосфодиестерским везама. Међутим, у ДНК налазимо тимин (Т) и РНА урацил (У).

ДНК је дужа и налази се у двострукој спиралној конформацији, а РНК се састоји од једног ланца. Ови молекули су присутни у свим живим организмима, од вируса до великих сисара.

Историјска перспектива

Откривање нуклеинских киселина

Откривање нуклеинских киселина датира из 1869. године када је Фриедрицх Миесцхер идентификовао хроматин. У својим експериментима Миесцхер је извадио желатинозни материјал из језгре и открио да је ова супстанца богата фосфором.

У почетку је материјал мистериозне природе означен као "нуклеин". Каснији експерименти на нуклеину закључили су да он није богат само фосфором, већ и угљеним хидратима и органским базама.

Пхоебус Левене је открио да је нуклеин линеарни полимер. Иако су била позната основна хемијска својства нуклеинских киселина, није се сматрало да постоји веза између овог полимера и наследног материјала живих бића.

Откривање функције ДНК

Средином четрдесетих година прошлог века за биологе није било убедљиво да је молекул који је задужен за преношење и складиштење информација организма боравио у молекули с конформацијом једноставном као ДНК - састављена од четири врло слична мономера (нуклеотиди) сваки.

Протеини, полимери сачињени од 20 врста аминокиселина, чинили су се у то време да су најверљивији кандидати молекул наследства.

Ово гледиште се променило 1928. године, када је истраживач Фред Гриффитх посумњао да је нуклеин укључен у наследност. Коначно, 1944. Освалд Авери је успео да закључи са чврстим доказима да ДНК садржи генетску информацију.

Дакле, ДНК је прешао из досадног и монотоног молекула, састављеног од само четири грађевинска блока, до молекула који омогућава чување огромног броја информација и који га може сачувати и пренети на прецизан, тачан и ефикасан начин.

Откривање структуре ДНК

Година 1953. била је револуционарна за биолошке науке, пошто су истраживачи Јамес Ватсон и Францис Црицк разјаснили исправну структуру ДНК.

На основу анализа образаца рефлексије рендгенских зрака, резултати Ватсон-а и Црицка сугерисали су да је молекул двострука спирала, при чему фосфатне групе формирају спољашњу краљежницу, а базе се убацују у унутрашњост.

Најчешће се користи аналогија мердевина, где рукохвати одговарају фосфатним групама, а пречке до базе.

Откривање секвенцирања ДНК

У посљедње двије деценије дошло је до изванредног напретка у биологији, вођено ДНК секвенцирањем. Захваљујући технолошком напретку, данас имамо потребну технологију да знамо ДНК секвенцу са прилично великом прецизношћу - под „секвенцом“ мислимо на редослед база.

У почетку је разјашњавање секвенце било скупо и трајало је много времена. Тренутно није проблем знати редослед читавих генома.

карактеристике

Пуњење и растворљивост

Као што му име каже, природа нуклеинских киселина је кисела и они су молекули велике растворљивости у води; то јест, они су хидрофилни. При физиолошком пХ, молекул је негативно наелектрисан, услед присуства фосфатних група.

Као последица тога, протеини са којима је повезан ДНК богати су аминокиселинским остацима са позитивним набојима. Исправна повезаност ДНК је пресудна за његово паковање у ћелије.

Вискозност

Вискозност нуклеинске киселине зависи од тога да ли је дво- или једносмерна. Двобојна ДНК формира растворе високе вискозности, јер је њена структура крута, отпорна на деформације. Даље, они су изузетно дуги молекули у односу на њихов пречник.

Супротно томе, постоје и једнопојасни раствори нуклеинских киселина за које је карактеристична мала вискозност.

Стабилност

Још једна карактеристика нуклеинских киселина је њихова стабилност. Наравно, молекул са тако неопходним задатком као што је чување наследства мора бити веома стабилан.

Упоредно, ДНК је стабилнија од РНК јер јој недостаје хидроксилна група.

Могуће је да је ова хемијска карактеристика играла важну улогу у еволуцији нуклеинских киселина и у избору ДНК као наследног материјала.

Према хипотетичким прелазима које су предложили неки аутори, РНА је у еволутивном процесу замењена ДНК. Међутим, данас постоје неки вируси који користе РНА као генетски материјал.

Апсорпција ултраљубичастог светла

Апсорпција нуклеинских киселина такође зависи од тога да ли је дво-опсежна или једно-опсежна. Врхунац апсорпције прстенова у њиховој структури је 260 нанометара (нм).

Како се дволанчани ланац ДНК почиње одвајати, апсорпција на поменутој таласној дужини се повећава, јер су прстенови који чине нуклеотиде изложени.

Овај параметар је важан за молекуларне биологе у лабораторији, јер мерењем уноса могу да процене количину ДНК која постоји у њиховим узорцима. Генерално, познавање својстава ДНК доприноси његовом пречишћавању и лечењу у лабораторијама.

Класификација (врсте)

Две главне нуклеинске киселине су ДНК и РНА. Обоје су састојци свих живих бића. ДН означава деоксирибонуклеинску киселину, а РНА рибонуклеинску киселину. Оба молекула играју фундаменталну улогу у наследности и синтези протеина.

ДНК је молекул који чува све информације неопходне за развој организма и груписан је у функционалне јединице које се називају генима. РНА је одговорна за узимање ових информација и заједно са протеинким комплексима преводи информације из ланца нуклеотида у ланац аминокиселина.

Ланци РНК могу бити дуги неколико стотина или неколико хиљада нуклеотида, док ланци ДНК прелазе милионе нуклеотида и могу се визуелизовати под светлошћу оптичког микроскопа ако су обојени бојама.

Основне структурне разлике између оба молекула биће детаљно описане у наредном одељку.

РНА

У ћелијама постоје различите врсте РНА које заједно раде на оркестрацији синтезе протеина. Три главне врсте РНК су гласник, рибосомал и пренос.

Мессенгер РНА

Мессенгер РНА је одговоран за копирање поруке која постоји у ДНК и транспорт до синтезе протеина која се одвија у структурама које се називају рибосоми.

Рибосомална или рибосомална РНА

Рибосомална РНА налази се као део ове основне машине: рибосома. Од рибосома 60% сачињава рибосомска РНА, а остатак заузима готово 80 различитих протеина.

Пренос РНА

Трансфер РНА је врста молекуларног адаптера који транспортује аминокиселине (грађевне блокове протеина) у рибосом, који треба да буде уграђен.

Мала РНА

Поред ове три основне врсте, недавно је откривено неколико додатних РНА који играју кључну улогу у синтези протеина и експресији гена.

Мале нуклеарне РНК, скраћено као снРНА, учествују као каталитички ентитети у спајању (процесу уклањања интрона) мессенгер РНА.

Мале нуклеоларне РНК или сноРНА укључене су у обраду пре-рибосомалних РНК транскрипата који ће бити део подјединице рибосома. То се догађа у нуклеолу.

Кратке интерферирајуће РНА и микроРНА су мале РНК секвенце чија је главна улога модулација експресије гена. МикроРНА се кодирају из ДНК, али њихова трансформација у протеине се не наставља. Они су једноланчани и могу надопунити РНА поруком, инхибирајући њену трансформацију у протеине.

Структура и хемијски састав

Нуклеинске киселине су дуги полимерни ланци сачињени од мономерних јединица које се називају нуклеотиди. Сваку од њих чине:

Фосфатна група

Постоје четири врсте нуклеотида и оне имају заједничку структуру: фосфатна група повезана пентозом преко фосфодиестерске везе. Присуство фосфата даје молекулу киселински карактер. Фосфатна група се дисоцира на пХ ћелије, па се негативно набије.

Овај негативни набој омогућава удруживање нуклеинских киселина са молекулима чији је набој позитиван.

Мале количине нуклеозида могу се наћи унутар ћелија, а такође и у ванћелијским течностима. Ово су молекули састављени од свих компоненти нуклеотида, али им недостају фосфатне групе.

Према овој номенклатури, нуклеотид је нуклеозид који има једну, две или три фосфатне групе естерификоване у хидроксилу смештеном на 5 'угљенику. Нуклеозиди са три фосфата су укључени у синтезу нуклеинских киселина, мада они такође испуњавају и друге функције у ћелији.

Пентоза

Пентоза је мономерни угљени хидрат састављен од пет атома угљеника. У ДНК пентоза је деоксирибоза, за коју је карактеристичан губитак хидроксилне групе на угљенику 2 '. У РНА, пентоза је рибоза.

Азотна база

Пентоза је заузврат везана за органску базу. Идентитет нуклеотида обезбеђује се идентитетом базе. Постоји пет врста, које су скраћене од својих иницијала: аденин (А), гванин (Г), цитозин (Ц), тимин (Т) и урацил (У).

У литератури је уобичајено да се ових пет слова користе за означавање целог нуклеотида. Међутим, строго говорећи, то су само део нуклеотида.

Прве три, А, Г и Ц, заједничке су и за ДНК и за РНК. Док је Т јединствен за ДНК, а урацил је ограничен на молекулу РНК.

Структурно, базе су хетероцикличка хемијска једињења, чији су прстенови сачињени од молекула угљеника и азота. А и Г су формирани од пар истопљених прстенова и припадају групи пурина. Преостале базе припадају пиримидинима и њихова структура је сачињена од једног прстена.

Уобичајено је да у обе врсте нуклеинских киселина налазимо низ модификованих база, као што је додатна метилна група.

Када се догоди овај догађај, кажемо да је база метилирана. У прокариотима се обично налазе метилирани аденини, а у оба прокариота и еукариота цитозини могу имати додатну метилну групу.

Како настаје полимеризација?

Као што смо споменули, нуклеинске киселине су дугачки ланци сачињени од мономера - нуклеотида. Да би се формирали ланци, они су повезани на одређени начин.

Када нуклеотиди полимеризирају, хидроксилна група (-ОХ) која се налази на 3 'угљенику шећера једног од нуклеотида формира естерску везу са фосфатном групом из другог молекуле нуклеотида. Током формирања ове везе долази до уклањања молекула воде.

Ова врста реакције се назива "реакција кондензације", а врло је слична оној која се дешава када се пептидне везе у протеинима формирају између два аминокиселинска остатка. Везе између сваког пара нуклеотида називају се фосфодиестерске везе.

Као и код полипептида, ланци нуклеинске киселине имају на својим крајевима две хемијске оријентације: један је 5 'крај који садржи слободну хидроксилну групу или фосфатну групу на 5' угљенику терминалног шећера, док је на 3 крају „Наћи ћемо слободну хидроксилну групу угљеника 3“.

Замислимо да је сваки ДНК блок Лего скуп, са једним крајем који је убачен и са слободном рупом на којој може доћи до уметања другог блока. 5 'крај са фосфатом биће крај који треба уметнути, а 3' аналоган слободном отвору.

Остали нуклеотиди

У ћелији налазимо другу врсту нуклеотида са другачијом структуром од оне која је горе наведена. Иако оне неће бити део нуклеинских киселина, оне играју врло важну биолошку улогу.

Међу најрелевантнијим имамо рибофлавин мононуклеотид, познат као ФМН, коензим А, аденину динуклеотид и никотинамин, између осталих.

РНА структура

Линеарна структура полимера нуклеинске киселине одговара примарној структури ових молекула. Полинуклеотиди такође имају способност да формирају тродимензионалне низе стабилизоване нековалентним силама - слично као савијање које се налази у протеинима.

Иако је примарни састав ДНК и РНА прилично сличан (осим разлика које су горе поменуте), састав њихове структуре је знатно другачији. РНК се обично налазе као један нуклеотидни ланац, мада могу да преузму различите аранжмане.

На пример, преносне РНК су мали молекули сачињени од мање од 100 нуклеотида. Његова типична секундарна грађевина је у облику дјетелине с три крака. Односно, РНА молекул налази комплементарне базе унутра и може се савити на себи.

Рибосомалне РНК су већи молекули који преузимају сложене тродимензионалне конформације и показују секундарну и терцијарну структуру.

Структура ДНК

Двострука спирала

За разлику од линеарне РНА, аранжман ДНК се састоји од две испреплетене нити. Ова структурална разлика је кључна за обављање његових специфичних функција. РНА није у стању да формира ову врсту хеликоптера због стерицних сметњи које је наметнула додатна ОХ група која њен шећер представља.

Основе комплементарности

Постоји комплементарност између база. То јест, као последица своје величине, облика и хемијског састава, пурини се морају упарити са пиримидином преко водоничних веза. Из тог разлога, у природној ДНК налазимо да је А готово увек упарен са Т и Г са Ц, формирајући водоничне везе са својим партнерима.

Основни парови између Г и Ц повезани су три водоничне везе, док су парови А и Т слабији, а само две водикове везе их држе заједно.

ДНК ланци се могу одвојити (ово се дешава и у ћелији и у лабораторијским процедурама), а потребна топлота зависи од количине ГЦ у молекули: што је већа, више ће јој требати енергије да се одвоји.

Оријентација струне

Још једна карактеристика ДНК је његова супротна оријентација: док прамен води у правцу 5'-3 ', његов партнер ради у правцу 3'-5'.

Природне конформације и у лабораторији

Структура или конформација коју иначе налазимо у природи назива се ДНК Б. Карактерише је то што има 10,4 нуклеотида за сваки заокрет, одвојених удаљеност од 3,4. ДНК Б скреће удесно.

Овај образац навијања резултира појавом две бразде, једне веће и једне мање.

У нуклеинским киселинама формираним у лабораторији (синтетичке) могу се наћи и друге конформације, које се такође појављују у врло специфичним условима. То су ДНК А и ДНК З.

Варијанта А такође скреће удесно, иако је краћа и нешто шира од природне. Овај молекул поприма овај облик када влага опадне. Ротира се на сваких 11 парова базе.

Последња варијанта је З, а карактерише је уска и скретање улево. Формира га група хексануклеотида који су груписани у дуплекс антипаралних ланаца.

Карактеристике

ДНК: молекул наследности

ДНК је молекул који може да складишти информације. Живот какав га познајемо на нашој планети зависи од способности складиштења и превођења таквих информација.

За ћелију, ДНК је врста библиотеке у којој се налазе сва потребна упутства за производњу, развој и одржавање живог организма.

У молекули ДНК налазимо организацију дискретних функционалних ентитета званих гени. Неки ће се преносити на протеине, док ће други испуњавати регулаторне функције.

Структура ДНК коју описујемо у претходном одељку је кључна за обављање његових функција. Хелик мора бити у могућности да се одвоји и лако се придружи - кључно својство за догађаје репликације и транскрипције.

ДНК се налази у прокариотима на одређеном месту у њиховој цитоплазми, док се у еукариотима налази у језгру.

РНА: мултифункционални молекул

Улога у синтези протеина

РНА је нуклеинска киселина коју налазимо у различитим фазама синтезе протеина и у регулацији експресије гена.

Синтеза протеина почиње транскрипцијом шифроване поруке у ДНК у молекулски РНА. Затим, гласник мора елиминисати делове који неће бити преведени, познати под именом интрони.

За превођење РНА поруке у аминокиселинске остатке потребне су две додатне компоненте: рибосомална РНА која је део рибосома и трансфер РНА која ће носити аминокиселине и бити одговорна за убацивање исправне аминокиселине у пептидни ланац. У тренингу.

Другим речима, свака главна врста РНА игра критичну улогу у овом процесу. Овај прелазак са ДНК на месначку РНК и коначно на протеине оно је што биолози називају „централном догмом биологије“.

Међутим, како се наука не може заснивати на догмама, постоје различити случајеви у којима ова претпоставка није испуњена, попут ретровируса.

Улога у регулацији

Горе поменуте мале РНК индиректно учествују у синтези, оркестрирању синтезе мессенгер РНА и учествују у регулацији експресије.

На пример, у ћелији постоје различите месначке РНК које су регулисане малим РНА, које имају низ који комплементарно томе. Ако се мала РНА приложи поруци, она може да расцијепи гласник и на тај начин спречи његово превођење. Постоји више процеса који су регулисани на овај начин.

Референце

1. Албертс, Б., Браи, Д., Хопкин, К., Јохнсон, АД, Левис, Ј., Рафф, М.,… и Валтер, П. (2015). Битна ћелијска биологија. Гарланд Сциенце.
2. Берг, ЈМ, Тимоцзко, ЈЛ, Стриер, Л. (2002). Биохемија. 5. издање ВХ Фрееман.
3. Цоопер, ГМ и Хаусман, РЕ (2000). Ћелија: Молекуларни приступ. Синауер Ассоциатес.
4. Цуртис, Х., Барнес, НС (1994). Позив на биологију. Мацмиллан.
5. Фиерро, А. (2001). Кратка историја открића структуре ДНК. Рев Мед Цлиница Лас Цондес, 20, 71-75.
6. Фортерре, П., Филее, Ј. & Милликаллио, Х. (2000-2013) Порекло и еволуција ДНК и машина за умножавање ДНК. У: База података о биознаности Мадаме Цурие. Аустин (ТКС): Ландес Биосциенце.
7. Карп, Г. (2009). Ћелијска и молекуларна биологија: концепти и експерименти. Јохн Вилеи & Сонс.
8. Лазцано, А., Гуерреро, Р., Маргулис, Л., & Оро, Ј. (1988). Еволуцијски прелаз из РНА у ДНК у раним ћелијама. Часопис за молекуларну еволуцију, 27 (4), 283-290.
9. Лодисх, Х., Берк, А., Дарнелл, ЈЕ, Каисер, Калифорнија, Криегер, М., Сцотт, МП,… & Матсудаира, П. (2008). Молекуларна ћелијска биологија. Мацмиллан.
10. Воет, Д. и Воет, ЈГ (2006). Биохемија. Панамерицан Медицал Ед.
11. Воет, Д., Воет, ЈГ, & Пратт, ЦВ (1999). Основе биохемије. Нев Иорк: Јохн Виллеи анд Сонс.