На връзки фосфодиестерни са ковалентни връзки, които възникват между два от кислородните атоми на фосфатна група и хидроксилни групи на две различни молекули. При този тип връзка фосфатната група действа като стабилен свързващ "мост" между двете молекули чрез кислородните им атоми.
Основната роля на фосфодиестерните връзки в природата е тази на образуването на вериги от нуклеинови киселини, както ДНК, така и РНК. Заедно с пентозните захари (дезоксирибоза или рибоза, според случая) фосфатните групи са част от носещата структура на тези важни биомолекули.
Фосфодиестерна връзка в скелета на ДНК (Източник: Файл: Phosfodiester bond.png, Файл: PhosphodiesterBondDiagram.png: Потребител: G3pro (говори) Потребител: G3pro на en.wikipedia.org Производна работа: Потребител: Merops (беседа) Производна работа: Потребител: Deneapol (беседа) Производна работа: Потребител: KES47 (беседа) Текстови настройки: Incnis Mrsi (беседа) Текстови настройки: DMacks (беседа)) Производна работа: Потребител: Miguelferig (беседа) с йонизация, чрез Wikimedia Commons)
Нуклеотидните вериги на ДНК или РНК, подобно на протеините, могат да приемат различни триизмерни конформации, които са стабилизирани от нековалентни връзки, като водородни връзки между комплементарни бази.
Първичната структура обаче се дава от линейната последователност на нуклеотиди, ковалентно свързани чрез фосфодиестерни връзки.
Как се образува фосфодиестерна връзка?
Подобно на пептидните връзки в протеините и гликозидните връзки между монозахаридите, фосфодиестерните връзки са резултат от реакции на дехидратация, при които се губи водна молекула. Ето общата схема на една от тези реакции на дехидратация:
HX 1 -ОН + HX 2 -ОН → HX 1 Х 2 -ОН + H 2 O
Фосфатните йони съответстват на напълно депротонираната конюгирана основа на фосфорната киселина и се наричат неорганични фосфати, чието съкращение е обозначено Pi. Когато две фосфатни групи са свързани заедно, се образува безводна фосфатна връзка и се получава молекула, известна като неорганичен пирофосфат или PPi.
Когато фосфатният йон е свързан с въглероден атом в органична молекула, химическата връзка се нарича фосфатен естер и полученият вид е органичен монофосфат. Ако органичната молекула се свързва с повече от една фосфатна група, се образуват органични дифосфати или трифосфати.
Когато една неорганична фосфатна молекула е свързана към две органични групи, се използва връзка с фосфодиестер или "фосфатен диестер". Важно е да не се бърка фосфодиестерните връзки с високоенергийните фосфоанхидро връзки между фосфатните групи молекули като АТФ, например.
Разлики между фосфати и фосфорили (Източник: Стратер, чрез Wikimedia Commons)
Фосфодиестерните връзки между съседни нуклеотиди се състоят от две фосфоестерни връзки, които възникват между хидроксила в 5 'позиция на един нуклеотид и хидроксила в 3' позиция на следващия нуклеотид в ДНК или РНК верига.
В зависимост от условията на околната среда, тези връзки могат да бъдат хидролизирани както ензимно, така и не ензимно.
Ензими, участващи
Образуването и разрушаването на химичните връзки е от решаващо значение за всички жизненоважни процеси, тъй като ги познаваме и случаят с фосфодиестерните връзки не е изключение.
Сред най-важните ензими, които могат да образуват тези връзки, са ДНК или РНК полимерази и рибозими. Ензимите на фосфодиестеразата са способни да ги хидролизират ензимно.
По време на репликацията, решаващ процес за клетъчна пролиферация, във всеки реакционен цикъл, dNTP (дезоксинуклеотид трифосфат), допълващ основата на шаблона, е включен в ДНК чрез реакция на пренос на нуклеотиди.
Полимеразата е отговорна за образуването на нова връзка между 3'-ОН на шаблонната верига и α-фосфата на dNTP, благодарение на енергията, освободена от скъсването на връзките между α и β фосфатите на dNTP, които са свързани чрез фосфоанхидро връзки.
Резултатът е удължаването на веригата от един нуклеотид и освобождаването на молекула пирофосфат (PPi) s. Определено е, че тези реакции заслужават два двувалентни магнезиеви йони (Mg 2+), наличието на които позволява електростатично стабилизиране на нуклеофил ОН - за постигане на подход към активното място на ензима.
РК а на фосфодиестерна връзка е близо до 0, така че във воден разтвор, тези връзки са напълно йонизиран, отрицателно зареден.
Това дава на молекулите на нуклеиновата киселина отрицателен заряд, който се неутрализира благодарение на йонните взаимодействия с положителните заряди на остатъците от протеиновите аминокиселини, електростатичното свързване с метални йони или връзката с полиамини.
Във воден разтвор фосфодиестерните връзки в молекулите на ДНК са много по-стабилни, отколкото в молекулите на РНК. В алкален разтвор, тези връзки в молекулите на РНК се разцепват чрез вътремолекулно изместване на нуклеозида в 5 'края чрез 2' оксианион.
Функция и примери
Както споменахме, най-важната роля на тези връзки е участието им във формирането на гръбнака на молекулите на нуклеиновите киселини, които са една от най-важните молекули в клетъчния свят.
Активността на ензимите топоизомераза, които активно участват в репликацията на ДНК и синтеза на протеини, зависи от взаимодействието на фосфодиестерните връзки в 5 'края на ДНК със страничната верига от тирозинови остатъци в активното място на тези ензими.
Молекулите, които участват като втори пратеници, като цикличен аденозин монофосфат (cAMP) или цикличен гуанозин трифосфат (cGTP), притежават фосфодиестерни връзки, които се хидролизират от специфични ензими, известни като фосфодиестерази, чието участие е от изключително значение за много сигнални процеси клетъчен.
Глицерофосфолипидите, основни компоненти в биологичните мембрани, са съставени от молекула на глицерол, която се свързва чрез фосфодиестерни връзки към полярните групи на "главата", които съставляват хидрофилната област на молекулата.
Препратки
- Fothergill, M., Goodman, MF, Petruska, J., & Warshel, A. (1995). Структурно-енергиен анализ на ролята на металните йони в хидролизата на фосфодиестерната връзка чрез ДНК полимераза I. Journal of American Chemical Society, 117 (47), 11619-11627.
- Лодиш, Х., Берк, А., Кайзер, Калифорния, Кригър, М., Бретшер, А., Плое, Х., Мартин, К. (2003). Молекулярна клетъчна биология (5-то изд.). Freeman, WH & Company.
- Nakamura, T., Zhao, Y., Yamagata, Y., Hua, YJ, & Yang, W. (2012). Гледането на ДНК полимераза η прави фосфодиестерна връзка. Природа, 487 (7406), 196-201.
- Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Принципи на биохимията на Ленингер. Омега издания (5-то издание)
- Oivanen, M., Kuusela, S., & Lönnberg, H. (1998). Кинетика и механизми за разцепване и изомеризация на фосфодиестерните връзки на РНК чрез разпръснати киселини и основи. Химически рецензии, 98 (3), 961-990.
- Pradeepkumar, PI, Höbartner, C., Baum, D., & Silverman, S. (2008). ДНК-катализирано образуване на нуклеопептидни връзки. Angewandte Chemie International Edition, 47 (9), 1753–1757.
- Содерберг, Т. (2010). Органична химия с биологичен акцент Том II (том II). Минесота: Университет на Минесота Морис Дигитален кладенец. Извлечено от www.digitalcommons.morris.umn.edu