NUKLEINSAVAK: JELLEMZŐK, FUNKCIÓK, SZERKEZET - BIOLÓGIA - 2026

A nukleinsavak nagy biomolekulák, amelyeket nukleotidoknak nevezett egységek vagy monomerek alkotnak. Ők felelősek a genetikai információk tárolásáért és továbbításáért. Részt vesznek a fehérje szintézis minden lépésében.

Szerkezetileg minden nukleotid foszfátcsoportból, öt széncukorból és heterociklusos nitrogénbázisból (A, T, C, G és U) áll. Fiziológiai pH mellett a nukleinsavak negatív töltésű, vízben oldódnak, viszkózus oldatokat képeznek és meglehetősen stabilak.

Forrás: pixabay.com

A nukleinsavaknak két fő típusa van: a DNS és az RNS. Mindkét nukleinsav összetétele hasonló: mindkettőben találunk egy sor nukleotidot, amelyeket foszfodiészter kötések kötnek össze. A DNS-ben azonban timint (T) és az RNS uracilot (U) találunk.

A DNS hosszabb és kettős spirál alakú, és az RNS egyetlen szálból áll. Ezek a molekulák jelen vannak minden élő szervezetben, a vírusoktól a nagy emlősökig.

Történelmi perspektíva

Nukleinsavak felfedezése

A nukleinsavak felfedezése 1869-ben nyúlik vissza, amikor Friedrich Miescher azonosította a kromatint. Kísérleteiben Miescher kivont egy zselatin anyagot a magból, és rájött, hogy ez az anyag foszforban gazdag.

Kezdetben a titokzatos természetű anyagot "nukleinnek" nevezték. A nukleinnel végzett későbbi kísérletek arra a következtetésre jutottak, hogy nemcsak foszforban gazdag, hanem szénhidrátokban és szerves bázisokban is.

Phoebus Levene azt találta, hogy a nuklein egy lineáris polimer. Noha a nukleinsavak alapvető kémiai tulajdonságai ismertek voltak, nem vették figyelembe, hogy kapcsolat áll fenn e polimer és az élőlények örökletes anyaga között.

A DNS funkciójának felfedezése

Az 1940-es évek közepén az akkori biológusok számára nem volt meggyőző, hogy a szervezet információinak továbbításáért és tárolásáért felelős molekula olyan egyszerű molekulaban helyezkedik el, mint a DNS - négy nagyon hasonló monomerből (nukleotidok) áll. minden egyes.

A fehérjék, a 20 típusú aminosavból álló polimerek akkoriban tűntek a legmegbízhatóbb jelölteknek az öröklés molekulájaként.

Ez a nézet 1928-ban megváltozott, amikor Fred Griffith kutató gyanította, hogy a nuklein szerepet játszik az öröklődésben. Végül, 1944-ben Oswald Avery megalapozott bizonyítékokkal jutott arra a következtetésre, hogy a DNS genetikai információkat tartalmaz.

Így a DNS egy unalmas és monoton molekuláról, amely csak négy építőelemből áll, olyan molekulává vált, amely lehetővé teszi óriási számú információ tárolását, és amely pontos, pontos és hatékony módon képes megőrizni és továbbítani azt.

A DNS szerkezetének felfedezése

Az 1953-as év forradalmi volt a biológiai tudományok számára, mivel James Watson és Francis Crick kutatók meghatározták a DNS helyes szerkezetét.

A röntgenreflexiós minták elemzése alapján Watson és Crick eredményei azt sugallták, hogy a molekula kettős spirál, ahol a foszfátcsoportok külső gerincet képeznek, és az alapok a belső térbe nyúlnak ki.

Általában a létrák analógiáját alkalmazzák, ahol a kapaszkodók megfelelnek a foszfátcsoportoknak, a lépcsők pedig az alapoknak.

A DNS-szekvenálás felfedezése

Az elmúlt két évtizedben rendkívüli haladás történt a biológiában, amit a DNS szekvenálás vezet. A technológiai fejlődésnek köszönhetően ma megvan a szükséges technológia ahhoz, hogy megismerjük a DNS-szekvenciát meglehetősen nagy pontossággal - a "szekvencia" alatt az alapok sorrendjét értjük.

A szekvencia tisztázása kezdetben drága esemény volt, és a befejezés hosszú időbe telt. Jelenleg nem probléma a teljes genomok sorrendjének ismerete.

jellemzők

Töltés és oldhatóság

Amint a neve is sugallja, a nukleinsavak természetének savasak, és vízben nagy oldhatóságú molekulák; vagyis hidrofil. Fiziológiai pH mellett a molekula negatív töltésű, foszfátcsoportok jelenléte miatt.

Ennek következményeként a fehérjék, amelyekhez a DNS kapcsolódik, gazdag aminosavmaradványokban vannak pozitív töltésekkel. A DNS helyes asszociációja elengedhetetlen a sejtekbe történő csomagoláshoz.

Viszkozitás

A nukleinsav viszkozitása attól függ, hogy kettős vagy egysávos-e. A kettős sávú DNS nagy viszkozitású oldatot képez, mivel szerkezete merev és ellenáll a deformációnak. Ezen felül, átmérőjükhöz képest rendkívül hosszú molekulák.

Ezzel szemben vannak olyan egysávos nukleinsav-oldatok, amelyeket alacsony viszkozitás jellemez.

Stabilitás

A nukleinsavak másik jellemzője stabilitásuk. Természetesen egy olyan nélkülözhetetlen feladattal rendelkező molekulának, mint az örökség tárolása, nagyon stabilnak kell lennie.

Összehasonlítva: a DNS stabilabb, mint az RNS, mivel nincs hidroxilcsoportja.

Lehetséges, hogy ez a kémiai tulajdonság fontos szerepet játszott a nukleinsavak fejlődésében és a DNS mint örökletes anyag megválasztásában.

Egyes szerzők által javasolt hipotetikus átmenetek szerint az RNS-t az evolúciós folyamatban helyettesítette a DNS. Ma azonban vannak olyan vírusok, amelyek genetikai anyagként RNS-t használnak.

Ultraibolya fény abszorpció

A nukleinsavak abszorpciója attól is függ, hogy kettős sávú vagy egysávos-e. A gyűrűk abszorpciós csúcsa szerkezetükben 260 nanométer (nm).

Ahogy a kettős sávú DNS-szál elválni kezd, az abszorpció a fent említett hullámhosszon növekszik, mivel a nukleotidokat alkotó gyűrűk vannak kitéve.

Ez a paraméter fontos a laboratóriumi molekuláris biológusok számára, mivel az abszorpció mérésével megbecsülhetik a mintáikban található DNS mennyiségét. Általában a DNS tulajdonságainak ismerete hozzájárul annak tisztításához és laboratóriumi kezeléséhez.

Besorolás (típusok)

A két fő nukleinsav a DNS és az RNS. Mindkettő az élő dolgok alkotóelemei. A DNS jelentése a dezoxiribonukleinsav, az RNS pedig a ribonukleinsav. Mindkét molekula alapvető szerepet játszik az öröklődésben és a fehérje szintézisben.

A DNS az a molekula, amely az organizmus fejlődéséhez szükséges összes információt tárolja, és géneknek nevezett funkcionális egységekre van csoportosítva. Az RNS felel az információ megszerzéséért, és a fehérjekomplexekkel együtt átadja az információt a nukleotidok láncáról az aminosavak láncára.

Az RNS-szálak lehetnek néhány száz vagy néhány ezer nukleotid hosszúak, míg a DNS-szálak meghaladják a nukleotidok millióit, és optikai mikroszkóp fényében megjeleníthetők, ha festékkel megfestik.

A két molekula közötti alapvető szerkezeti különbségeket a következő szakasz ismerteti.

RNS

A sejtekben különféle típusú RNS létezik, amelyek együttesen működnek a fehérjeszintézis irányításában. Az RNS három fő típusa a messenger, a riboszomális és az átvitel.

Messenger RNS

A Messenger RNS feladata a DNS-ben lévõ üzenet lemásolása és továbbítása a riboszómáknak nevezett struktúrákban zajló proteinszintézisbe.

Riboszomális vagy riboszómális RNS

A riboszómális RNS ezen alapvető mechanizmus részeként található meg: a riboszóma. A riboszómák 60% -át riboszóma RNS alkotja, a fennmaradó részt csaknem 80 különböző fehérje foglalja el.

Transzfer RNS

A transzfer RNS egyfajta molekuláris adapter, amely az aminosavakat (a fehérjék építőkövei) szállítja a beépítendő riboszómához.

Kis RNS

E három alaptípus mellett a közelmúltban felfedezték számos további RNS-t, amelyek alapvető szerepet játszanak a fehérje szintézisében és a gén expressziójában.

A kis nukleáris RNS-ek, rövidítve snRNS, katalitikus entitásként vesznek részt a messenger RNS splicingjában (az intronok eltávolításának folyamatában).

Kis riboláris RNS-ek vagy snoRNS-ek vesznek részt a riboszóma előtti RNS transzkripciók feldolgozásában, amelyek a riboszóma alegység részét képezik. Ez a magban fordul elő.

A rövid, interferáló RNS-k és a mikroRNS-k olyan kis RNS-szekvenciák, amelyek fő szerepe a génexpresszió modulálása. A mikroRNS-eket a DNS kódolja, de a fehérjévé történő transzláció nem folytatódik. Egyszálúak és kiegészítik az üzenet RNS-t, gátolva annak fehérjévé történő transzlációját.

Szerkezet és kémiai összetétel

A nukleinsavak hosszú polimer láncok, amelyek nukleotidoknak nevezett monomer egységekből állnak. Mindegyik a következőkből áll:

Foszfátcsoport

Négy típusú nukleotid létezik, és közös szerkezetük van: egy foszfátcsoport egy pentózhoz kapcsolódik egy foszfodiészter kötéssel. A foszfátok jelenléte savmolekulát ad a molekula számára. A foszfátcsoport disszociálódik a sejt pH-ján, tehát negatív töltésű.

Ez a negatív töltés lehetővé teszi a nukleinsavak asszociációját a pozitív töltésű molekulákkal.

Kis mennyiségű nukleozid található a sejtekben és az extracelluláris folyadékokban is. Ezek olyan molekulák, amelyek egy nukleotid összes alkotórészéből állnak, de amelyekben nincs foszfátcsoport.

E nómenklatúra szerint a nukleotid olyan nukleozid, amely egy, két vagy három foszfátcsoportot észterez az 5 'szénatomon elhelyezkedő hidroxilcsoporton. Három foszfáttal rendelkező nukleozidok vesznek részt a nukleinsavak szintézisében, bár a sejt más funkcióit is ellátják.

Egy pentózus

A pentóz egy öt szénatomból álló monomer szénhidrát. A DNS-ben a pentóz dezoxiribóz, amelyet a hidroxilcsoport vesztesége jellemez a 2 'szénnél. Az RNS-ben a pentóz ribóz.

Nitrogén bázis

A pentóz viszont egy szerves bázissal van kötve. A nukleotid azonosságát a bázis azonosítása biztosítja. Öt típus létezik, kezdőbetűikkel rövidítve: adenin (A), guanin (G), citozin (C), timin (T) és uracil (U).

Az irodalomban gyakori, hogy azt találjuk, hogy ezt az öt betűt a teljes nukleotidra utalják. Szigorúan véve azonban ezek csak a nukleotid részét képezik.

Az első három, A, G és C, mind a DNS-ben, mind az RNS-ben közös. Míg a T csak a DNS-re vonatkozik, az uracil az RNS-molekulára korlátozódik.

Strukturálisan az alapok heterociklusos kémiai vegyületek, amelyek gyűrűi szén- és nitrogénmolekulákból állnak. A és G egy pár olvasztott gyűrűt alkotnak, és a purinek csoportjába tartoznak. A fennmaradó bázisok a pirimidinekhez tartoznak, és szerkezetük egyetlen gyűrűből áll.

Általános, hogy mindkét típusú nukleinsavban módosított bázisok sorozatát találjuk, például egy további metilcsoportot.

Amikor ez az esemény bekövetkezik, azt mondjuk, hogy a bázis metilezett. A prokariótákban általában metilezett adenineket találnak, és mind a prokarióta, mind az eukarióta esetében a citozinok további metilcsoportot tartalmazhatnak.

Hogyan történik a polimerizáció?

Mint már említettük, a nukleinsavak monomerekből - nukleotidokból álló hosszú láncok. A láncok kialakításához ezeket egy bizonyos módon összekapcsolják.

Amikor a nukleotidok polimerizálódnak, az egyik nukleotid cukorjának 3'-szénén található hidroxilcsoport (-OH) észterkötést képez egy másik nukleotidmolekula foszfátcsoportjával. Ennek a kötésnek a kialakulásakor egy vízmolekula eltávolul.

Az ilyen típusú reakciókat "kondenzációs reakciónak" nevezzük, és nagyon hasonló ahhoz, ami akkor fordul elő, amikor a fehérjékben lévő peptidkötések két aminosavmaradék között alakulnak ki. Az egyes nukleotidpárok közötti kötéseket foszfodiészter kötéseknek nevezzük.

Mint a polipeptidekben is, a nukleinsavláncok két kémiai orientációval rendelkeznek a végükön: az egyik az 5 'vég, amely szabad hidroxilcsoportot vagy foszfátcsoportot tartalmaz a terminális cukor 5' szénén, míg a 3 végén "Találunk egy 3 szénatomból álló szabad hidroxilcsoportot".

Képzeljük el, hogy minden DNS-blokk Lego készlet, amelynek egyik vége be van helyezve, és szabad lyukkal van ellátva, ahol egy másik blokk beilleszthető. Az 5 'vég a foszfáttal lesz a beilleszthető vég, és a 3' analóg a szabad lyukkal.

Egyéb nukleotidok

A sejtben más típusú nukleotidokat találunk, amelyek szerkezete eltér a fentebb említettektől. Noha ezek nem képezik részét a nukleinsavaknak, nagyon fontos biológiai szerepet játszanak.

A legrelevánsabbok között szerepel többek között az FMN néven ismert riboflavin mononukleotid, A koenzim, adenin-dinukleotid és nikotinamin.

RNS szerkezete

A nukleinsavpolimer lineáris szerkezete megfelel ezen molekulák primer szerkezetének. A polinukleotidok képesek továbbá nem-kovalens erõkkel stabilizált háromdimenziós tömbök kialakítására - hasonlóan a fehérjékben található hajtogatáshoz.

Bár a DNS és az RNS elsődleges összetétele meglehetősen hasonló (kivéve a fent említett különbségeket), szerkezetük sminkje jelentősen eltér. Az RNS-eket általában egyetlen nukleotidláncként találják meg, bár ezek eltérő elrendezéseket tartalmazhatnak.

A transzfer RNS-k például kis molekulák, amelyek kevesebb, mint 100 nukleotidból állnak. Jellemző másodlagos szerkezete három lóhere alakú lóhere. Vagyis az RNS-molekula komplementer bázisokat talál belül, és önmagára hajtogathat.

A riboszómális RNS-k nagyobb molekulák, amelyek komplex háromdimenziós konformációkat vesznek fel, és másodlagos és harmadlagos szerkezetet mutatnak.

DNS-szerkezet

Dupla spirál

A lineáris RNS-szel ellentétben a DNS elrendezése két összefonódó szálból áll. Ez a szerkezeti különbség elengedhetetlen sajátos funkcióinak végrehajtásához. Az RNS nem képes ilyen típusú helikákat képezni a sztereikus akadály miatt, amelyet a további cukor által jelentett OH csoport okoz.

Alapja a kiegészítő jelleg

Az alapok egymást kiegészítik. Vagyis méretük, alakjuk és kémiai összetételük következtében a purineknek hidrogénkötések útján párosulniuk kell egy pirimidinnel. Ezért a természetes DNS-ben azt találjuk, hogy A szinte mindig párosul T-vel és G-val C-vel, hidrogénkötéseket képezve partnerükkel.

A G és C közötti bázispárokat három hidrogénkötés köti össze, míg az A és T pár gyengébb, és csak két hidrogénkötés tartja össze őket.

A DNS-szálak elválaszthatók (ez a sejtben és a laboratóriumi eljárásokban is előfordul), és a szükséges hő függ a molekula GC mennyiségétől: minél nagyobb, annál több energiát igényel szétválasztása.

A szál iránya

A DNS másik jellemzője az ellentétes tájolása: míg egy szál 5'-3 'irányba fut, partnerének a 3'-5' irányba kell haladnia.

Természetes konformációk és a laboratóriumban

A szerkezetet vagy konformációt, amelyet általában a természetben találunk, DNS-nek nevezzük. Ezt jellemzi, hogy minden fordulaton 10,4 nukleotid van, 3,4 távolsággal elválasztva. A B DNS jobbra fordul.

Ez a tekercselési minta két barázda megjelenését eredményezi, egy nagyobb és egy kisebb.

A laboratóriumi (szintetikus) képződött nukleinsavakban más konformációk is megtalálhatók, amelyek szintén nagyon specifikus körülmények között jelentkeznek. Ezek DNS A és Z Z.

Az A változat szintén jobbra fordul, bár rövidebb és kissé szélesebb, mint a természetes. A molekula megkapja ezt az alakot, ha a páratartalom csökken. Minden 11 bázispárt elforgat.

Az utolsó változat a Z, melyet keskenynek és balra fordulás jellemez. A hexanukleotidok egy csoportja alkotja, amelyeket antiparallel láncok duplexeibe csoportosítanak.

Jellemzők

DNS: öröklődés-molekula

A DNS egy molekula, amely információkat tárolhat. A bolygónkon ismert élet az attól függ, hogy képes-e ilyen információkat tárolni és lefordítani.

A sejt számára a DNS egyfajta könyvtár, ahol megtalálják az élő organizmusok előállításához, fejlesztéséhez és fenntartásához szükséges összes útmutatást.

A DNS-molekulában diszkrét funkcionális entitások génnek nevezett szervezetet találunk. Néhányuk fehérjékbe kerül, mások pedig szabályozási funkciókat látnak el.

A DNS szerkezete, amelyet az előző szakaszban írunk le, kulcsfontosságú a funkcióinak végrehajtásához. A hélixnak képesnek kell lennie arra, hogy elválaszthassa és könnyen csatlakozzon - ez a kulcs tulajdonsága a replikációs és transzkripciós eseményeknek.

A DNS a prokariótákban található egy citoplazmájuk egy meghatározott helyén, míg az eukariótákban a magban helyezkedik el.

RNS: multifunkcionális molekula

Szerepe a fehérje szintézisben

Az RNS egy nukleinsav, amelyet a fehérje szintézis különböző szakaszaiban és a gén expresszió szabályozásában találunk.

A fehérje szintézis azzal kezdődik, hogy a DNS-ben a kódolt üzenet átíródik egy hírvivő RNS molekulába. Ezután az üzenetküldőnek meg kell szüntetnie azokat a részeket, amelyeket nem fordítanak le, és amelyeket intronok neve nevez.

Az RNS üzenet aminosavmaradékokká történő transzlációjához két további komponensre van szükség: a riboszómális RNS, amely a riboszómák részét képezi, és az átadó RNS, amely az aminosavakat hordozza, és felelős a helyes aminosav beillesztéséből a peptidláncba. Edzésben.

Más szavakkal, az RNS minden fő típusa kritikus szerepet játszik ebben a folyamatban. A DNS-től a messenger RNS-ig és végül a fehérjéig történő átmenet az, amit a biológusok "a biológia központi dogmája" -nak neveznek.

Mivel azonban a tudomány nem alapulhat dogmákon, vannak olyan esetek, amikor ez a feltételezés nem teljesül, például retrovírusok.

Szerep a szabályozásban

A fent említett kicsi RNS-k közvetetten vesznek részt a szintézisben, irányítják a messenger RNS szintézisét és részt vesznek az expresszió szabályozásában.

Például a sejtben különböző messenger RNS-ek vannak, amelyeket kis RNS-ek szabályoznak, amelyek szekvenciája komplementer. Ha a kis RNS hozzákapcsolódik az üzenethez, akkor meg tudja hasítani az üzenetküldőt, ezáltal megakadályozva annak fordítását. Több folyamat is ilyen módon szabályozott.

Irodalom

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… és Walter, P. (2015). Alapvető sejtbiológia. Garland Science.
2. Berg, J. M., Tymoczko, J. L., Stryer, L. (2002). Biokémia. 5. kiadás. WH Freeman.
3. Cooper, GM és Hausman, RE (2000). A cella: Molekuláris megközelítés. Sinauer Associates.
4. Curtis, H. és Barnes, NS (1994). Meghívás a biológiára. Macmillan.
5. Fierro, A. (2001). A DNS szerkezetének felfedezésének rövid története. Rev Méd Clínica Las Condes, 20, 71-75.
6. Forterre, P., Filée, J. és Myllykallio, H. (2000-2013) A DNS és a DNS replikációs gépek eredete és evolúciója. In: Madame Curie Bioscience Database. Austin (TX): Landes Bioscience.
7. Karp, G. (2009). Sejt- és molekuláris biológia: fogalmak és kísérletek. John Wiley & Sons.
8. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., és Oro, J. (1988). A korai sejtekben az evolúciós átmenet az RNS-ből a DNS-be. Journal of molecular evolution, 27. (4), 283-290.
9. Lodish, H., Berk, A., Darnell, JE, Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP,… és Matsudaira, P. (2008). Molekuláris sejtbiológia. Macmillan.
10. Voet, D. és Voet, JG (2006). Biokémia. Panamerican Medical Ed.
11. Voet, D., Voet, JG és Pratt, CW (1999). A biokémia alapjai. New York: John Willey és fiai.