A foszfodiészter kötések kovalens kötések, amelyek foszfátcsoport két oxigénatomja és két különböző molekula hidroxilcsoportjai között fordulnak elő. Az ilyen típusú kötésben a foszfátcsoport stabil kötési "hídként" működik a két molekula között oxigénatomjaikon keresztül.
A foszfodiészter-kötések alapvető szerepe a természetben a nukleinsavláncok kialakulása, mind a DNS, mind az RNS. A pentóz-cukrokkal együtt (adott esetben dezoxiribóz vagy ribóz) a foszfátcsoportok ezeknek a fontos biomolekuláknak a hordozószerkezetének részét képezik.
Foszfodiészter kötés a DNS-csontvázban (Forrás: Fájl: Phosphodiester bond.png, Fájl: PhosphodiesterBondDiagram.png: Felhasználó: G3pro (talk) Felhasználó: G3pro at en.wikipedia.org Származékos munka: Felhasználó: Merops (talk) Származékos munka: Felhasználó: Deneapol (talk) Származékos munka: Felhasználó: KES47 (talk) Szöveg tweaks: Incnis Mrsi (talk) Szöveg tweaks: DMacks (talk)) Származékos munka: User: Miguelferig (talk) ionizációval, a Wikimedia Commons segítségével)
A DNS vagy az RNS nukleotidlánca, hasonlóan a fehérjékhez, különféle háromdimenziós konformációkat vehet fel, amelyeket nem kovalens kötések stabilizálnak, mint például a komplementer bázisok közötti hidrogénkötések.
Az elsődleges szerkezetet azonban a foszfodiészter kötésekkel kovalensen kapcsolt nukleotidok lineáris szekvenciája adja.
Hogyan alakul ki foszfodiészter kötés?
A fehérjékben levő peptidkötésekhez és a monoszacharidok közötti glikozidkötésekhez hasonlóan a foszfodiészter kötések olyan dehidratációs reakciókból származnak, amelyek során egy vízmolekula elveszik. Az alábbiakban bemutatjuk a következő dehidrációs reakciók egyikét:
HX 1 -OH + HX 2 -OH → HX 1 -X 2 -OH + H 2 O
A foszfátionok a foszforsav teljesen deprotonált konjugált bázisának felelnek meg, és szervetlen foszfátoknak nevezzük, amelynek rövidítése Pi-vel jelölve. Ha két foszfátcsoport kapcsolódik egymáshoz, vízmentes foszfátkötés alakul ki, és egy szervetlen pirofoszfát vagy PPi néven ismert molekulát kapunk.
Amikor egy foszfát-ion kapcsolódik egy szénatomhoz egy szerves molekulaban, akkor a kémiai kötést foszfát-észternek nevezzük, és a kapott vegyület egy szerves monofoszfát. Ha a szerves molekula egynél több foszfátcsoporthoz kötődik, akkor szerves difoszfátok vagy trifoszfátok képződnek.
Ha egyetlen szervetlen foszfát molekula kapcsolódik két szerves csoporthoz, foszfodiésztert vagy "foszfát-diészter" kötést alkalmazunk. Fontos, hogy ne keverjük össze a foszfodiészter kötéseket a nagy energiájú foszfánhidrogénkötésekkel olyan molekulák foszfátcsoportjai között, mint például az ATP.
A foszfátok és a foszforilok közötti különbségek (Forrás: Strater, a Wikimedia Commons segítségével)
A szomszédos nukleotidok közötti foszfodiészter-kapcsolatok két foszfészter-kötésből állnak, amelyek egy nukleotid 5'-helyzetében lévő hidroxil és a következő nukleotid 3'-helyzetű hidroxilcsoportja között alakulnak ki egy DNS vagy RNS szálban.
A környezeti viszonyoktól függően ezek a kötések mind enzimatikusan, mind nem enzimesen hidrolizálhatók.
Az érintett enzimek
A kémiai kötések kialakulása és megszakadása alapvető fontosságú az összes létfontosságú folyamat szempontjából, mivel ezeket ismertünk, és a foszfodiészter kötések sem kivétel.
A legfontosabb enzimek, amelyek képezik ezeket a kötéseket, a DNS vagy RNS polimerázok és ribozimek. A foszfodieszteráz enzimek képesek enzimatikusan hidrolizálni őket.
A replikáció során a sejtproliferáció kritikus folyamataként minden reakcióciklusban a templát bázissal komplementer dNTP-t (deoxinukleotid-trifoszfátot) építünk be a DNS-be egy nukleotid átadási reakción keresztül.
A polimeráz felelős új kötés kialakításáért a templát szál 3'-OH és a dNTP α-foszfát között, köszönhetően annak a energiának, amely a dNTP α és β foszfátainak kötődéseinek felszakadása révén felszabadul. foszfoanhidrogénkötések útján.
Ennek eredményeként a lánc egy nukleotiddal meghosszabbodik, és egy pirofoszfát (PPi) molekula felszabadul. Megállapítottuk, hogy ezeknek a reakcióknak két kétértékű magnéziumiont (Mg 2+) érdemelnek, amelyek jelenléte lehetővé teszi az OH nukleofil elektrosztatikus stabilizálását - az enzim aktív helyére való megközelítés elérése érdekében.
A pKa egy egy foszfodiészter kötést közel van a 0, így egy vizes oldatban ezek a kötések teljesen ionizált, negatív töltésű.
Ennek eredményeként a nukleinsavmolekulák negatív töltést kapnak, amelyet semlegesíthetnek a fehérje aminosavmaradékok pozitív töltésével történő ionos kölcsönhatások, az elektrosztatikus kötés fémionokkal vagy a poliaminokkal való kapcsolat révén.
Vizes oldatban a foszfodiészter kötések a DNS-molekulákban sokkal stabilabbak, mint az RNS-molekulákban. Alkáliás oldatban ezeket az RNS-molekulákban levő kötéseket a nukleozidnak az 5'-végű molekulán belüli elmozdulásával 2'-oxi-nionnal hasítják le.
Funkció és példák
Mint említettük, ezeknek a kötéseknek a legfontosabb szerepe a nukleinsavmolekulák gerincének kialakításában való részvételük, amelyek a sejtek egyik legfontosabb molekulája.
A topoizomeráz enzimek aktivitása, amelyek aktívan részt vesznek a DNS replikációjában és fehérje szintézisében, a DNS 5 'végén levő foszfodiészter kötések kölcsönhatásaitól függ a tirozin oldalláncok oldalláncával ezek aktív helyén. enzimeket.
A második hírvivőként részt vevő molekulák, például a ciklikus adenozin-monofoszfát (cAMP) vagy a ciklikus guanozin-trifoszfát (cGTP) foszfodiészter kötésekkel rendelkeznek, amelyeket a foszfodiészterázok néven ismert enzimek hidrolizálnak, amelyek részvétele rendkívül fontos számos jelátviteli folyamat során. sejtes.
A glicerofoszfolipidek, amelyek a biológiai membránok alapvető alkotóelemei, egy glicerin molekulából állnak, amely foszfodiészter kötések útján kapcsolódik a poláris "fej" csoportokhoz, amelyek a molekula hidrofil régióját alkotják.
Irodalom
- Fothergill, M., Goodman, MF, Petruska, J., és Warshel, A. (1995). A fémionok szerepének szerkezet-energetikai elemzése a foszfodiészter kötés hidrolízisében DNS polimeráz segítségével. I. Az American Chemical Society folyóirat, 117 (47), 11619-11627.
- Lodish, H., Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Martin, K. (2003). Molecular Cell Biology (5. kiadás). Freeman, WH & Company.
- Nakamura, T., Zhao, Y., Yamagata, Y., Hua, YJ és Yang, W. (2012). A η DNS-polimeráz megfigyelésével foszfodiészter kötés alakul ki. Nature, 487 (7406), 196-201.
- Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Lehninger Biokémiai alapelvek. Omega kiadások (5. kiadás)
- Oivanen, M., Kuusela, S., és Lönnberg, H. (1998). Az RNS foszfodiészter-kötéseinek brómozott savakkal és bázisokkal történő hasításának és izomerizációjának kinetikája és mechanizmusai. Chemical Reviews, 98 (3), 961-990.
- Pradeepkumar, PI, Höbartner, C., Baum, D. és Silverman, S. (2008). Nukleopeptid-kapcsolatok DNS-katalizált képződése. Angewandte Chemie International Edition, 47 (9), 1753–1757.
- Soderberg T. (2010). Szerves kémia biológiai hangsúlyozással, II. Kötet (II. Kötet). Minnesota: A Minnesota Egyetem Morris Digital Well. Vissza a következőhöz: www.digitalcommons.morris.umn.edu