НУКЛЕИНОВИ КИСЕЛИНИ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ФУНКЦИИ, СТРУКТУРА - БИОЛОГИЯ - 2025

На нуклеинови киселини са големи биомолекули, образувани от единици или мономери, наречени нуклеотиди. Те отговарят за съхранението и предаването на генетична информация. Те също участват във всеки от етапите на синтеза на протеини.

Структурно всеки нуклеотид е съставен от фосфатна група, пет въглеродна захар и хетероциклена азотна основа (A, T, C, G и U). При физиологично pH нуклеиновите киселини са отрицателно заредени, разтворими във вода, образуват вискозни разтвори и са доста стабилни.

Източник: pixabay.com

Има два основни типа нуклеинови киселини: ДНК и РНК. Съставът и на двете нуклеинови киселини е сходен: и при двете откриваме серия нуклеотиди, свързани чрез фосфодиестерни връзки. Въпреки това, в ДНК откриваме тимин (Т) и в РНК урацил (U).

ДНК е по-дълга и е в двойна спирална конформация, а РНК е съставена от единична верига. Тези молекули присъстват във всички живи организми, от вируси до едри бозайници.

Историческа перспектива

Откриване на нуклеинови киселини

Откриването на нуклеиновите киселини е от 1869 г., когато Фридрих Мишер идентифицира хроматин. В своите експерименти Мишер извлича желатинен материал от сърцевината и открива, че това вещество е богато на фосфор.

Първоначално материалът с мистериозен характер е определен като „нуклеин“. По-късни експерименти върху нуклеина стигнаха до заключението, че той не е богат само на фосфор, но и на въглехидрати и органични основи.

Phoebus Levene откри, че нуклеинът е линеен полимер. Въпреки че бяха известни основните химични свойства на нуклеиновите киселини, не се считаше, че съществува връзка между този полимер и наследствения материал на живите същества.

Откриване на функцията на ДНК

В средата на 40-те години за биолозите беше неубедително, че молекулата, отговорна за предаването и съхраняването на информацията на организма, пребивава в молекула с конформация, проста като ДНК - съставена от четири много подобни мономера (нуклеотиди) всеки.

Протеините, полимерите, съставени от 20 вида аминокиселини, изглеждаха по това време най-правдоподобните кандидати за молекулата на наследственост.

Това мнение се промени през 1928 г., когато изследователят Фред Грифит подозира, че нуклеинът участва в наследствеността. И накрая, през 1944 г. Освалд Ейвъри успява да заключи с твърди доказателства, че ДНК съдържа генетична информация.

Така ДНК премина от скучна и монотонна молекула, съставена от само четири градивни елемента, до молекула, която позволява съхраняването на огромен брой информация и която може да я съхранява и предава по точен, точен и ефикасен начин.

Откриване на структурата на ДНК

1953 г. е революционна за биологичните науки, тъй като изследователите Джеймс Уотсън и Франсис Крик изясняват правилната структура на ДНК.

Въз основа на анализите на рентгеновите модели на отражение, резултатите на Уотсън и Крик предполагат, че молекулата е двойна спирала, където фосфатните групи образуват външен гръбнак, а основите излизат във вътрешността.

Обикновено се използва аналогията на стълба, където парапетите съответстват на фосфатните групи, а стълбите - на основите.

Откриване на ДНК секвениране

През последните две десетилетия се наблюдава изключителен напредък в биологията, воден от секвенцията на ДНК. Благодарение на технологичния напредък днес имаме необходимата технология да познаваме последователността на ДНК с доста висока точност - под „последователност“ имаме предвид реда на базите.

Първоначално изясняването на последователността беше скъпо събитие и отне много време, за да завърши. В момента не е проблем да се знае последователността на цели геноми.

характеристики

Зареждане и разтворимост

Както подсказва името му, природата на нуклеиновите киселини е кисела и те са молекули с висока разтворимост във вода; тоест те са хидрофилни. При физиологично pH молекулата се зарежда отрицателно, поради наличието на фосфатни групи.

В резултат на това протеините, с които се свързва ДНК, са богати на аминокиселинни остатъци с положителни заряди. Правилното свързване на ДНК е от решаващо значение за опаковането му в клетките.

вискозитет

Вискозитетът на нуклеиновата киселина зависи от това дали е двоен или еднолентов. Двулентовата ДНК образува разтвори с висок вискозитет, тъй като структурата му е твърда, устойчива на деформация. Освен това, те са изключително дълги молекули по отношение на диаметъра им.

За разлика от тях има и еднобандови разтвори на нуклеинови киселини, които се характеризират с нисък вискозитет.

стабилност

Друга характеристика на нуклеиновите киселини е тяхната стабилност. Естествено, една молекула с такава незаменима задача като съхраняването на наследството трябва да е много стабилна.

Сравнително, ДНК е по-стабилна от РНК, тъй като липсва хидроксилна група.

Възможно е тази химическа характеристика да играе важна роля в еволюцията на нуклеиновите киселини и в избора на ДНК като наследствен материал.

Според хипотетичните преходи, предложени от някои автори, РНК е заменена с ДНК в еволюционния процес. Въпреки това, днес има някои вируси, които използват РНК като генетичен материал.

Поглъщане на ултравиолетова светлина

Абсорбцията на нуклеинови киселини също зависи от това дали е двулентова или еднолентова. Пикът на абсорбция на пръстените в тяхната структура е 260 нанометра (nm).

Тъй като двулентовият ДНК верига започва да се разделя, абсорбцията при споменатата дължина на вълната се увеличава, тъй като пръстените, съставляващи нуклеотидите, са изложени.

Този параметър е важен за молекулярните биолози в лабораторията, тъй като чрез измерване на поглъщането те могат да преценят количеството на ДНК, което съществува в техните проби. По принцип познаването на свойствата на ДНК допринася за нейното пречистване и лечение в лаборатории.

Класификация (видове)

Двете основни нуклеинови киселини са ДНК и РНК. И двете са компоненти на всички живи същества. ДНК означава дезоксирибонуклеинова киселина, а РНК - рибонуклеинова киселина. И двете молекули играят основна роля в наследствеността и синтеза на протеини.

ДНК е молекулата, която съхранява цялата информация, необходима за развитието на организма, и е групирана във функционални единици, наречени гени. РНК е отговорна за приемането на тази информация и заедно с протеиновите комплекси превежда информацията от верига нуклеотиди във верига от аминокиселини.

РНК веригите могат да бъдат дълги няколко стотин или няколко хиляди нуклеотиди, докато нишките на ДНК надвишават милиони нуклеотиди и могат да бъдат визуализирани под светлината на оптичен микроскоп, ако са оцветени с багрила.

Основните структурни разлики между двете молекули ще бъдат подробно описани в следващия раздел.

РНК

В клетките има различни видове РНК, които заедно работят за организиране на синтеза на протеини. Трите основни типа РНК са пратеник, рибозома и трансфер.

Пратеник РНК

Messenger RNA е отговорен за копирането на съобщението, което съществува в ДНК и транспортирането му до синтеза на протеин, който се осъществява в структури, наречени рибозоми.

Рибосомална или рибозомна РНК

Рибосомалната РНК се намира като част от тази основна машина: рибозомата. От рибозомата 60% е съставена от рибозомна РНК, а останалата част е заета от почти 80 различни протеина.

Прехвърляне на РНК

Трансферната РНК е вид молекулен адаптер, който транспортира аминокиселини (градивни елементи на протеини) до рибозомата, която трябва да бъде включена.

Малка РНК

В допълнение към тези три основни типа има редица допълнителни РНК, които наскоро бяха открити, които играят съществена роля в синтеза на протеини и генната експресия.

Малки ядрени РНК, съкратено като snRNA, участват като каталитични образувания в сплайсинга (процес, който се състои в отстраняване на интрони) на пратеника РНК.

Малки нуклеоларни РНК или snoRNA участват в обработката на пре-рибозомни РНК транскрипти, които са част от рибозомната субединица. Това се случва в ядрото.

Късите интерфериращи РНК и микроРНК са малки РНК последователности, чиято основна роля е модулирането на генната експресия. МикроРНК са кодирани от ДНК, но преводът им в протеини не продължава. Те са едноверижни и могат да допълват РНК на съобщението, инхибирайки неговия превод в протеини.

Структура и химичен състав

Нуклеиновите киселини са дълги полимерни вериги, съставени от мономерни единици, наречени нуклеотиди. Всеки от тях е съставен от:

Фосфатна група

Има четири типа нуклеотиди и те имат обща структура: фосфатна група, свързана с пентоза чрез фосфодиестерна връзка. Наличието на фосфати придава на молекулата киселинен характер. Фосфатната група се дисоциира при рН на клетката, така че се зарежда отрицателно.

Този отрицателен заряд позволява свързването на нуклеиновите киселини с молекулите, чийто заряд е положителен.

Малки количества нуклеозиди могат да бъдат открити вътре в клетките, а също и в извънклетъчните течности. Това са молекули, изградени от всички компоненти на нуклеотид, но в които липсват фосфатни групи.

Съгласно тази номенклатура нуклеотидът е нуклеозид, който има една, две или три фосфатни групи, естерифицирани в хидроксила, разположен на 5 'въглерод. Нуклеозидите с три фосфата участват в синтеза на нуклеинови киселини, въпреки че изпълняват и други функции в клетката.

Пентоза

Пентозата е мономерен въглехидрат, съставен от пет въглеродни атома. В ДНК пентозата е дезоксирибоза, която се характеризира със загубата на хидроксилна група при въглерод 2 '. В РНК пентозата е рибоза.

Азотна основа

Пентозата от своя страна е свързана с органична основа. Идентичността на нуклеотида се осигурява от идентичността на базата. Има пет вида, съкратени от техните инициали: аденин (А), гуанин (G), цитозин (C), тимин (T) и урацил (U).

В литературата е често срещано, че тези пет букви се използват за обозначаване на целия нуклеотид. Въпреки това, строго погледнато, това са само част от нуклеотида.

Първите три, A, G и C, са общи както за ДНК, така и за РНК. Докато Т е уникален за ДНК и урацилът е ограничен до молекулата на РНК.

Структурно основите са хетероциклични химични съединения, пръстените на които са изградени от въглеродни и азотни молекули. A и G са образувани от двойка слети пръстени и принадлежат към групата на пурините. Останалите основи принадлежат на пиримидините и тяхната структура е изградена от един пръстен.

Обичайно е, че и при двата типа нуклеинови киселини намираме серия от модифицирани основи, като допълнителна метилова група.

Когато се случи това събитие, казваме, че основата е метилирана. В прокариотите обикновено се намират метилирани аденини и при прокариотите и еукариотите цитозините могат да имат допълнителна метилова група.

Как става полимеризацията?

Както споменахме, нуклеиновите киселини са дълги вериги, съставени от мономери - нуклеотиди. За да се образуват веригите, те са свързани по определен начин.

Когато нуклеотидите полимеризират, хидроксилната група (-OH), намираща се на 3 'въглерод от захарта на един от нуклеотидите, образува естерна връзка с фосфатната група от друга нуклеотидна молекула. По време на образуването на тази връзка се получава отстраняването на водна молекула.

Този тип реакция се нарича "кондензационна реакция" и е много подобна на тази, която се получава, когато пептидни връзки в протеини се образуват между два аминокиселинни остатъка. Връзките между всяка двойка нуклеотиди се наричат ​​фосфодиестерни връзки.

Както в полипептидите, веригите на нуклеиновите киселини имат две химически ориентации в краищата си: единият е 5 'край, който съдържа свободна хидроксилна група или фосфатна група върху 5' въглерода от крайната захар, докато в 3 края „Откриваме свободна хидроксилна група на въглерод 3“.

Нека си представим, че всеки ДНК блок е набор от Lego, с един край, който е поставен и със свободен отвор, където може да се вмъкне друг блок. 5 'краят с фосфата ще бъде краят, който трябва да се вмъкне, а 3' е аналог на свободния отвор.

Други нуклеотиди

В клетката откриваме друг тип нуклеотиди с различна структура от споменатия по-горе. Въпреки че те няма да бъдат част от нуклеиновите киселини, те играят много важни биологични роли.

Сред най-подходящите имаме рибофлавин мононуклеотид, известен като FMN, коензим А, аденинов динуклеотид и никотинамин, между другото.

РНК структура

Линейната структура на полимера на нуклеиновата киселина съответства на първичната структура на тези молекули. Полинуклеотидите също имат способността да образуват триизмерни масиви, стабилизирани от нековалентни сили - подобно на сгъването, намиращо се в протеините.

Въпреки че първичният състав на ДНК и РНК е доста сходен (с изключение на споменатите по-горе разлики), съставът на структурата им е значително различен. РНК обикновено се намират като единична нуклеотидна верига, въпреки че могат да приемат различни подредби.

Трансферните РНК, например, са малки молекули, съставени от по-малко от 100 нуклеотида. Типичната му вторична структура е под формата на детелина с три рамена. Тоест молекулата на РНК намира комплементарни основи вътре и може да се сгъне върху себе си.

Рибозомните РНК са по-големи молекули, които приемат сложни триизмерни конформации и проявяват вторична и третична структура.

ДНК структура

Двойна спирала

За разлика от линейната РНК, ДНК устройството се състои от две преплетени нишки. Тази структурна разлика е от решаващо значение за изпълнението на нейните специфични функции. РНК не е в състояние да образува този тип спирали поради стерично препятствие, наложено от допълнителната ОН група, която нейната захар представя.

Основна допълняемост

Има взаимно допълване между базите. Тоест, вследствие на техния размер, форма и химичен състав, пурините трябва да се сдвояват с пиримидин чрез водородни връзки. Поради тази причина в естествената ДНК откриваме, че А почти винаги е сдвоена с Т и G със С, образувайки водородни връзки с техните партньори.

Основните двойки между G и C са свързани с три водородни връзки, докато двойката A и T са по-слаби и само две водородни връзки ги държат заедно.

ДНК веригите могат да бъдат разделени (това се случва както в клетката, така и при лабораторни процедури), а необходимата топлина зависи от количеството на GC в молекулата: колкото по-голямо е, толкова повече енергия ще е необходимо, за да се раздели.

Ориентация на нишките

Друга характеристика на ДНК е нейната противоположна ориентация: докато нишка се движи в посока 5'-3 ', нейният партньор работи в посока 3'-5'.

Природни конформации и в лабораторията

Структурата или конформацията, която обикновено намираме в природата, се нарича ДНК Б. Това се характеризира с това, че има 10,4 нуклеотида за всеки завой, разделени на разстояние от 3,4. ДНК В се завива надясно.

Този модел на навиване води до появата на две бразди, една по-голяма и една по-малка.

В нуклеиновите киселини, образувани в лабораторията (синтетични), могат да се намерят други конформации, които също се появяват при много специфични условия. Това са ДНК А и ДНК Z.

Вариант А също прави завоя вдясно, въпреки че е по-къс и малко по-широк от естествения. Молекулата приема тази форма, когато влажността намалява. Той се върти на всеки 11 базови двойки.

Последният вариант е Z, характеризиращ се с това, че е тесен и завива вляво. Образува се от група хексануклеотиди, които са групирани в дуплекс от антипаралелни вериги.

Характеристика

ДНК: молекула на наследствеността

ДНК е молекула, която може да съхранява информация. Животът, какъвто го познаваме на нашата планета, зависи от способността да съхраняваме и превеждаме такава информация.

За клетката ДНК е своеобразна библиотека, в която се намират всички необходими инструкции за производството, развитието и поддържането на жив организъм.

В молекулата на ДНК откриваме организация на отделни функционални образувания, наречени гени. Някои от тях ще бъдат пренесени към протеини, докато други ще изпълняват регулаторни функции.

Структурата на ДНК, която описваме в предишния раздел, е ключова за изпълнението на функциите му. Спиралата трябва да може да се разделя и да се присъединява лесно - ключово свойство за репликация и транскрипция.

ДНК се намира в прокариотите на определено място в тяхната цитоплазма, докато в еукариотите се намира в ядрото.

РНК: многофункционална молекула

Роля в синтеза на протеини

РНК е нуклеинова киселина, която намираме в различни етапи на протеиновия синтез и в регулацията на генната експресия.

Синтезът на протеина започва с транскрипцията на криптираното съобщение в ДНК в пратеник РНК молекула. На следващо място, пратеникът трябва да елиминира частите, които няма да бъдат преведени, известни с името на интрони.

За превеждането на съобщението на РНК в аминокиселинни остатъци са необходими два допълнителни компонента: рибозомната РНК, която е част от рибозомите, и преносната РНК, която ще носи аминокиселините и ще отговаря за вмъкването на правилната аминокиселина в пептидната верига. В тренировка.

С други думи, всеки основен тип РНК играе критична роля в този процес. Това преминаване от ДНК към РНК на пратеника и накрая до протеини е това, което биолозите наричат ​​„централната догма на биологията“.

Въпреки това, тъй като науката не може да се основава на догми, има различни случаи, когато тази предпоставка не е изпълнена, като например ретровирусите.

Роля в регулирането

Посочените по-горе малки РНК участват индиректно в синтеза, оркестрират синтеза на месинджър РНК и участват в регулирането на експресията.

Например в клетката има различни РНК на месинджър, които се регулират от малки РНК, които имат последователност, допълваща тази. Ако малката РНК се прикачи към съобщението, тя може да разцепи месинджъра, като по този начин предотвратява неговия превод. Има множество процеси, които се регулират по този начин.

Препратки

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2015). Съществена клетъчна биология. Garland Science.
2. Berg, JM, Tymoczko, JL, Stryer, L. (2002). Биохимия. 5-то издание. WH Freeman.
3. Cooper, GM, & Hausman, RE (2000). Клетката: Молекулен подход. Sinauer Associates.
4. Curtis, H., & Barnes, NS (1994). Покана за биология. Macmillan.
5. Фиеро, А. (2001). Кратка история на откриването на структурата на ДНК. Rev Méd Clínica Las Condes, 20, 71-75.
6. Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) Произход и еволюция на машините за репликация на ДНК и ДНК. В: Мадам Кюри База данни за биологични науки. Остин (Тексас): Биология на Ландс.
7. Карп, Г. (2009). Клетъчна и молекулярна биология: концепции и експерименти. John Wiley & Sons.
8. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). Еволюционният преход от РНК към ДНК в ранните клетки. Списание за молекулна еволюция, 27 (4), 283-290.
9. Lodish, H., Berk, A., Darnell, JE, Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP,… & Matsudaira, P. (2008). Молекулярно-клетъчна биология. Macmillan.
10. Voet, D., & Voet, JG (2006). Биохимия. Panamerican Medical Ed.
11. Voet, D., Voet, JG, & Pratt, CW (1999). Основи на биохимията. Ню Йорк: Джон Уили и синове.