Nucleïnezuren kenmerken, functies, structuur

De nucleïnezuren Het zijn grote biomoleculen gevormd door eenheden of monomeren die nucleotiden worden genoemd. Ze zijn verantwoordelijk voor opslag en overdracht van genetische informatie. Ze nemen ook deel aan elk van de stappen van eiwitsynthese.

Structureel wordt elk nucleotide gevormd door een fosfaatgroep, een vijf -koolstofuiker en een heterocyclische stikstofbasis (a, t, c, g en u). Een fysiologische pH, nucleïnezuren zijn negatief geladen, ze zijn oplosbaar in water, ze vormen viskeuze oplossingen en zijn vrij stabiel.

Bron: Pixabay.com

Er zijn twee hoofdtypen nucleïnezuren: DNA en RNA. De samenstelling van beide nucleïnezuren is vergelijkbaar: in beide vinden we een reeks nucleotiden verenigd door fosfodiéster -bindingen. In het DNA vinden we echter timina (t) en in de RNA uracil (u).

Het DNA is langer en bevindt zich in een dubbele propellerconformatie en het RNA wordt gevormd door een enkele streng. Deze moleculen zijn aanwezig in alle levende organismen, van virussen tot grote zoogdieren.

[TOC]

Historisch perspectief

Ontdekking van nucleïnezuren

De ontdekking van nucleïnezuren dateert uit 1869 toen Friedrich Miescher chromatine identificeerde. In zijn experimenten maakte Miescher de extractie van een gelatineus consistentiemateriaal uit de kern en ontdekte dat deze stof rijk was aan fosfor.

Aanvankelijk werd het mysterieuze materiaal aangeduid als "nuclein". Daaropvolgende experimenten met nuclein concludeerden dat dit niet alleen rijk is aan fosfor, maar ook in koolhydraten en biologische basen.

Phoebus Levene ontdekte dat nucleïne een lineair polymeer was. Hoewel de basale chemische eigenschappen van nucleïnezuren bekend waren, werd niet geacht dat er een verband was tussen dit polymeer en het erfelijke materiaal van levende wezens.

DNA -functie -ontdekking

In het midden van de 40s was het weinig overtuigend voor biologen vanaf het moment dat het molecuul dat verantwoordelijk was voor het overbrengen en opslaan van de informatie van een organisme in een molecuul verbleef met een conformatie zo eenvoudig als het DNA - samengesteld uit vier monomeren (nucleotiden) zeer zeer vergelijkbaar elkaar.

Eiwitten, polymeren bestaande uit 20 soorten aminozuren, leken voor de tijd meer plausibele kandidaten de overervingsmolecuul te zijn.

Deze visie veranderde in 1928, toen onderzoeker Fred Griffith vermoedde dat de nucleïne betrokken was bij de erfenis. Ten slotte slaagde Oswald Avery in 1944 erin om met robuust bewijs te concluderen dat DNA genetische informatie bevatte.

Het DNA ging dus van een saai en monotoon molecuul, gevormd door slechts vier structurele blokken, naar een molecuul dat de opslag van een enorm aantal informatie mogelijk maakt, en dat kan het behouden en op een nauwkeurige, exacte en effectieve manier verzenden.

DNA -structuurontdekking

Het jaar 1953 was een revolutionair voor biologische wetenschappen, omdat onderzoekers James Watson en Francis Crick de juiste structuur van DNA ophelderden.

Op basis van de analyse van X -Ray -reflectiepatronen suggereerden de resultaten van Watson en Crick dat het molecuul een dubbele helix is, waarbij fosfaatgroepen een extern skelet vormen en de basen worden geprojecteerd.

De analogie van een ladder wordt over het algemeen gebruikt, waarbij de leuningen overeenkomen met de fosfaten en stappen naar de basen.

DNA -sequencing ontdekking

In de afgelopen twee decennia zijn er buitengewone vooruitgang in de biologie opgetreden, geleid door DNA -sequencing. Dankzij technologische vooruitgang hebben we vandaag de nodige technologie om met een vrij hoge precisie de volgorde van DNA te kennen - met "sequentie", we bedoelen de volgorde van de bases.

Aanvankelijk was het ophelderen van de reeks een dure gebeurtenis en vereiste veel tijd om te voltooien. Momenteel is het geen probleem om de volgorde van hele genomen te kennen.

Kenmerken

Laad en oplosbaarheid

Zoals de naam al aangeeft, is de aard van nucleïnezuren zuur en zijn moleculen met oplosbaarheid in hoge water; dat wil zeggen, ze zijn hydrofiel. Bij fysiologische pH wordt het molecuul negatief geladen, door de aanwezigheid van fosfatengroepen.

Als gevolg hiervan zijn de eiwitten waarmee het DNA is geassocieerd rijk aan aminozuurresiduen met positieve belastingen. De juiste DNA -associatie is cruciaal voor de verpakking in cellen.

Smurrie

De viscositeit van het nucleïnezuur hangt af van het feit of dit dubbele of eenvoudige band is. DNA met dubbele band vormt oplossingen met hoge viscositeit, omdat de structuur ervan stijf is, tegengestelde weerstand tegen vervorming. Bovendien zijn het extreem lange moleculen in relatie tot de diameter.

Er zijn daarentegen ook nucleïnezuuroplossingen in eenvoudige band, die worden gekenmerkt door een verminderde viscositeit.

Stabiliteit

Een ander kenmerk van nucleïnezuren is hun stabiliteit. Natuurlijk moet een molecuul met zo'n onmisbaar werk als overervingopslag zeer stabiel zijn.

Ter vergelijking: DNA is stabieler dan RNA, omdat het een hydroxylgroep mist.

Het is mogelijk dat deze chemische eigenschap een belangrijke rol speelde in de evolutie van nucleïnezuren en bij de keuze van DNA als erfelijk materiaal.

Het kan u van dienst zijn: protocooperation

Volgens de hypothetische overgangen die door sommige auteurs zijn opgevoed, werd het RNA vervangen door DNA in de evolutionaire toekomst. Tegenwoordig zijn er echter enkele virussen die RNA gebruiken als genetisch materiaal.

Ultraviolet lichtabsorptie

De absorptie van nucleïnezuren hangt ook af of het nu in dubbele band is of in een eenvoudige band. De ringen absorptiepiek in zijn structuur is 260 nanometer (NM).

Naarmate de DNA -streng met dubbele band begint te scheiden, neemt de absorptie naar de genoemde golflengte toe, omdat de ringen die de nucleotiden vormen worden blootgesteld.

Deze parameter is belangrijk voor moleculaire biologen in het laboratorium, omdat ze door het meten van absorptie de hoeveelheid DNA kunnen schatten die in hun monsters bestaat. Over het algemeen draagt ​​kennis van DNA -eigenschappen bij aan de zuivering en behandeling ervan in laboratoria.

Classificatie (typen)

De twee belangrijkste nucleïnezuren zijn DNA en RNA. Beide zijn componenten van alle levende wezens. DNA zijn het acroniem voor deoxyribonucleïnezuur en RNA voor ribonucleïnezuur. Beide moleculen spelen een fundamentele rol in overerving en eiwitsynthese.

DNA is het molecuul dat alle benodigde informatie opslaat voor de ontwikkeling van een organisme en is gegroepeerd in functionele eenheden die genen worden genoemd. Het RNA is verantwoordelijk voor het nemen van deze informatie en vertaalt, samen met eiwitcomplexen, de informatie van een nucleotideketen naar een aminozuurketen.

RNA -ketens kunnen lange of enkele duizend nucleotiden hebben, terwijl DNA -ketens de miljoenen nucleotiden overschrijden en kunnen worden gevisualiseerd onder het licht van een optische microscoop als ze met kleurstoffen worden geverfd.

De fundamentele structurele verschillen tussen de twee moleculen zullen ze in de volgende sectie beschrijven.

RNA

In cellen zijn er verschillende soorten RNA die samen werken om eiwitsynthese te orkestreren. De drie belangrijkste soorten RNA's zijn de boodschapper, de ribosomaal en de overdracht.

Messenger RNA

Het RNA van de boodschapper is verantwoordelijk voor het kopiëren van de boodschap die in het DNA bestaat en het transporteren naar de eiwitsynthese die plaatsvindt in structuren die ribosomen worden genoemd.

Ribosomaal of ribosomaal RNA

Ribosomaal RNA maakt deel uit van deze essentiële machines: ribosoom. Del ribosoma, 60% wordt gevormd door ribosoma -RNA en de rest wordt bezet door bijna 80 verschillende eiwitten.

Overdracht RNA

Overdracht RNA is een soort moleculaire adapter die aminozuren (de structurele blokken van eiwitten) naar ribosoom transporteert, om te worden opgenomen.

RNA klein

Naast deze drie basistypen is er een extra reeks RNA's die recent zijn ontdekt en die een essentiële rol spelen in eiwitsynthese en in de expressie van de genen.

Kleine nucleaire RNA's, afgekort als SnRNA deelnemen als katalytische entiteiten in de Splitsing (proces bestaande uit de eliminatie van introns) van het RNA van de boodschapper.

Kleine of snorna nucleolaire RNA's zijn betrokken bij de verwerking van ribosomale pre-arr transcripties die deel zullen uitmaken van de ribosoomsubeenheid. Dit gebeurt in de nucleolus.

Korte RNA's van interferentie en microarn zijn kleine RNA -sequenties waarvan de belangrijkste rol de modulatie van genexpressie is. Microarn wordt gecodeerd door DNA, maar gaat niet door met hun eiwittranslatie. Ze zijn monocatenarios en kunnen worden aangevuld met een bericht -RNA, waardoor hun eiwittranslatie wordt geremd.

Chemische structuur en samenstelling

Nucleïnezuren zijn lange ketens van polymeren gevormd uit monomere eenheden die nucleotiden worden genoemd. Elk bestaat uit:

Een fosfaatgroep

Er zijn vier soorten nucleotiden en deze hebben een gemeenschappelijke structuur: een fosfaatgroep gekoppeld aan een pentose door een fosfodi -foliebinding. De aanwezigheid van fosfaten geeft het molecuul een zuur karakter. De fosfaatgroep is gedissocieerd tot de pH van de cel, dus deze wordt negatief geladen.

Deze negatieve belasting maakt de associatie mogelijk van nucleïnezuren met moleculen waarvan de belasting positief is.

In cellen en ook in extracellulaire vloeistoffen kunnen we kleine hoeveelheden nucleosiden vinden. Dit zijn moleculen gevormd door alle componenten van een nucleotide, maar die fosfaatgroepen missen.

Volgens de nomenclatuur is een nucleotide een nucleoside dat één, twee of drie fosfaatgroepen heeft veresteld in de hydroxyl in koolstof 5 '. Nucleosiden met drie fosfaten zijn betrokken bij de synthese van nucleïnezuren, hoewel ze ook andere functies in de cel vervullen.

Een pentose

Een pentose is een monomere koolhydraat gevormd vijf koolstofatomen. In het DNA is de pentose een deoxyribose, die wordt gekenmerkt door het verlies van een hydroxylgroep in koolstof 2 '. In RNA is de pentose een ribose.

Het kan je van dienst zijn: neo -charchism

Een stikstofbasis

De pantosa is op zijn beurt gekoppeld aan een organische basis. De identiteit van het nucleotide wordt geleverd door de identiteit van de basis. Er zijn vijf typen, afgekort door de initiaal ervan: adenine (a), guanine (g), cytosine (c), timina (t) en uracil (u).

Het is gebruikelijk dat we in de literatuur vinden dat ze deze vijf letters gebruiken om naar de hele nucleotide te verwijzen. Strikt genomen zijn echter slechts een deel van de nucleotide.

De eerste drie, A, G en C, zijn gebruikelijk voor zowel DNA als RNA. Terwijl de T uniek is voor DNA en uracil beperkt is tot het RNA -molecuul.

Structureel zijn de basen heterocyclische chemische verbindingen, waarvan de ringen zijn samengesteld uit koolstof- en stikstofmoleculen. A en G worden gevormd door een paar gefuseerde ringen en behoren tot de Purinas -groep. De resterende basen behoren tot de pyrimidines en hun structuur wordt gevormd door een enkele ring.

Het is gebruikelijk dat we in beide soorten nucleïnezuren een reeks gemodificeerde basen vinden, zoals een extra methylgroep.

Wanneer deze gebeurtenis plaatsvindt, zeggen we dat de basis wordt gemethyleerd. In prokaryoten worden meestal gemethyleerde adenines gevonden en zowel in prokaryoten als in eukaryoten kunnen de cytosines een extra methode hebben.

Hoe is polymerisatie?

Zoals we al zeiden, zijn nucleïnezuren lange ketens gevormd door monomeren - nucleotiden. Om de ketens te vormen, zijn deze op een bepaalde manier gekoppeld.

Wanneer het nucleotiden polymerizan, vormt de hydroxylgroep (-OH) die wordt aangetroffen in de 3 'koolstof van de suiker van een van de nucleotiden een ester-type link met de fosfaatgroep van een ander nucleotidemolecuul. Tijdens de vorming van deze link treedt de eliminatie van een watermolecuul op.

Dit type reactie wordt "condensatiereactie" genoemd en lijkt erg op wat er gebeurt wanneer de peptideverbindingen van eiwitten tussen twee aminozuurafval vormen. De links tussen elk paar nucleotiden worden genoemd Fosfodiéster links.

Net als in polypeptiden hebben nucleïnezuurketens twee chemische oriëntaties aan hun uiteinden: één is het 5 'uiteinde die een vrije hydroxylgroep of een fosfaatgroep bevat in de 5' koolstof van de terminale suiker, terwijl we aan het einde 3 'een Koolstofvrije hydroxylgroep 3 '.

Stel je voor dat elk DNA -blok een blok van het LEGO -spel is, met één uiteinde dat wordt ingevoegd en met een vrij gat waar de invoeging van een ander blok kan optreden. Het 5 'uiteinde met fosfaat is het extreme om in te voegen en de 3' is analoog aan het vrije gat.

Andere nucleotiden

In de cel vinden we een ander type nucleotiden met een andere structuur dan het hierboven genoemde structuur. Hoewel deze geen onderdeel zullen zijn van nucleïnezuren, spelen ze zeer belangrijke biologische artikelen.

Een van de meest relevante hebben we de mononucléido van Riboflavina, bekend als FMN, het co -enzym A, de dyucleotide van Adenina en Nicotinamina, onder andere.

RNA -structuur

De lineaire structuur van het nucleïnezuurpolymeer komt overeen met de primaire structuur van deze moleculen. Polinucleotiden hebben ook de mogelijkheid om arrangementen te vormen in drie dimensies gestabiliseerd door niet -covalente krachten - vergelijkbaar met het vouwen dat we in eiwitten vinden.

Hoewel de primaire samenstelling van DNA en RNA vrij gelijkaardig is (met uitzondering van de hierboven genoemde verschillen), is de vorming van de structuur ervan aanzienlijk verschillend. We vinden vaak RNA's als een enkele nucleotideketen, hoewel het verschillende regelingen kan nemen.

Overdracht RNA's zijn bijvoorbeeld kleine moleculen gevormd door minder dan 100 nucleotiden. De typische secundaire structuur is in de vorm van een klaver met drie armen. Dat wil zeggen, het RNA -molecuul vindt complementaire basen binnen en kan op zichzelf vouwen.

Ribosomale RNA's zijn grotere moleculen die complexe drie -dimensionale conformaties hebben en een secundaire en tertiaire structuur hebben.

DNA -structuur

Dubbele propeller

In tegenstelling tot lineair RNA bestaat DNA -opstelling uit twee met elkaar verweven strengen. Dit structurele verschil is cruciaal om zijn specifieke functies uit te voeren. RNA is niet in staat om dit type propellers te vormen vanwege een sterische belemmering die wordt opgelegd door de extra OH -groep die zijn suiker presenteert.

Basiscomplementariteit

Onder de bases is er complementariteit. Dat is, als gevolg van zijn grootte, vorm en chemische samenstelling, purines moeten modderig zijn met een pyrimidine door waterstofbruggen. Daarom vinden we in natuurlijk DNA dat A bijna altijd wordt gecombineerd met T en G met C, waardoor waterstofbruggen worden gevormd met hun metgezellen.

De basenparen tussen G en C zijn verbonden door drie waterstofbruggen, terwijl het koppel A en T zwakker is en slechts twee waterstofbruggen ze bij elkaar houden.

DNA -strengen kunnen worden gescheiden (dit gebeurt zowel in de cel als in laboratoriumprocedures) en de nodige warmte hangt af van de hoeveelheid GC die het molecuul heeft: hoe hoger het is, hoe meer energie het nodig is om het te scheiden.

Kan u van dienst zijn: Mendel -wetten

Strengoriëntatie

Een ander kenmerk van DNA is de tegenovergestelde oriëntatie: terwijl een streng in 5 ' - 3' richting loopt, is zijn partner in de richting van 3'- 5 '.

Natuurlijke conformaties en in het laboratorium

De structuur of conformatie die we normaal in de natuur hebben gevonden, wordt DNA B genoemd. Dit wordt gekenmerkt door 10.4 nucleotiden voor elke ronde, gescheiden door een afstand van 3,4. DNA B draait naar rechts.

Dit rolpatroon resulteert in het verschijnen van twee grooves, een major en een minderjarige.

In nucleïnezuren gevormd in de laboratorium (synthetische) kunnen andere conformaties worden gevonden, die ook in zeer specifieke omstandigheden verschijnen. Dit zijn DNA A en DNA Z.

De variant A voert ook de juiste beurt uit, hoewel het korter en enigszins breder is dan het natuurlijke. Het molecuul verwerft deze vorm wanneer het vocht afneemt. Draai elke 11 basenparen.

De laatste variant is de z, gekenmerkt door smal te zijn en door linksaf te gaan. Het wordt gevormd door een groep hexanucleotiden die zijn gegroepeerd in een duplex van Antipaalla -ketens.

Functie

DNA: erfenismolecuul

DNA is een molecuul dat informatie kan opslaan. Het leven, zoals we het op onze planeet kennen, hangt af van het vermogen om dergelijke informatie op te slaan en te vertalen.

Voor de cel is DNA een soort boekwinkel waar alle benodigde instructies voor de productie, ontwikkeling en onderhoud van een levend organisme worden gevonden.

In het DNA -molecuul vinden we een organisatie van discrete functionele entiteiten die genen worden genoemd. Sommigen van hen zullen naar eiwitten worden gebracht, terwijl anderen regelgevende functies zullen vervullen.

De structuur van het DNA dat we in de vorige sectie beschrijven, is de sleutel tot het uitvoeren van zijn functies. De propeller moet in staat zijn om te scheiden en gemakkelijk te doen - belangrijke eigenschap voor replicatie- en transcriptiegebeurtenissen.

Het DNA bevindt zich in de prokaryoten op een specifieke plaats van zijn cytoplasma, terwijl het in de eukaryoten zich in de kern bevindt.

RNA: een multifunctioneel molecuul

Papier in eiwitsynthese

RNA is een nucleïnezuur dat we vinden in verschillende stadia van eiwitsynthese en in de regulatie van genexpressie.

Eiwitsynthese begint met de transcriptie van het bericht dat in het DNA wordt gecodeerd naar een RNA -molecuul van een boodschapper. Vervolgens moet de boodschapper de porties elimineren die niet worden vertaald, bekend als introns.

Voor de vertaling van het RNA -bericht naar aminozuurresiduen zijn twee extra componenten nodig: het ribosomale RNA dat deel uitmaakt van de ribosomen, en het overdracht RNA, dat de aminozuren zal dragen en de leiding heeft over het plaatsen van de juiste aminozuur in de peptideketen in training.

Met andere woorden, elk hoofdtype RNA speelt een fundamentele rol in dit proces. Deze doorgang van DNA naar een boodschapper en dit eindelijk voor eiwitten is wat biologen "het centrale dogma van de biologie" noemen.

Aangezien de wetenschap echter niet op dogma's kan zijn gebaseerd, zijn er verschillende gevallen waarin niet wordt voldaan, zoals retrovirus.

Rol in regelgeving

Het hierboven genoemde kleine RNA neemt indirect deel aan de synthese, het orkestreren van de synthese van het messenger -RNA en deelnemen aan de regulatie van de expressie.

In de cel zijn er bijvoorbeeld verschillende boodschappers die worden gereguleerd door kleine RNA's, die hier een aanvullende volgorde van hebben. Als de kleine RNA -koppels naar het bericht de boodschapper kunnen splitsen, waardoor de vertaling wordt voorkomen. Er zijn meerdere processen die op deze manier worden gereguleerd.

Referenties

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, a. D., Lewis, J., Raff, m.,… & Walter, p. (2015). Essentiële celbiologie. Slingerwetenschap.
2. Berg, J.M., Tymoczko, J.L., Stryer, l. (2002). Biochemie. 5e editie. W H Freeman.
3. Cooper, G. M., & Hausman, r. EN. (2000). De cel: nader moleculair. Sinauer Associates.
4. Curtis, h., & Barnes, n. S. (1994). Uitnodiging voor de biologie. Macmillan.
5. Fierro, een. (2001). Korte geschiedenis van de ontdekking van DNA -structuur. Rev Clinic Medicine Las Condes, twintig, 71-75.
6. Forterre, p., Filée, J. & Myllykallio, h. (2000-2013) Oorsprong en evolutie van DNA- en DNA-replicatiemachines. In: Madame Curie Bioscience Database [Internet]. Austin (TX): Landes Bioscience.
7. Karp, g. (2009). Cel- en moleculaire biologie: concepten en experimenten. John Wiley & Sons.
8. Lazcano, een., Guerrero, r., Margulis, l., & Goud, j. (1988). De evolutionaire overgang van RNA naar DNA in vroege cellen. Journal of Molecular Evolution, 27(4), 283-290.
9. Lodish, h., Berk, een., Darnell, J. EN., Kaiser, c. NAAR., Krieger, m., Scott, m. P.,… & Matsudaira, p. (2008). Moleculaire celbiologie. Macmillan.
10. VOET, D., & Voet, J. G. (2006). Biochemie. ED. Pan -American Medical.
11. VOET, D., VOET, J. G., & Pratt, c. W. (1999). Fundamentele biochemie. Nieuw York: John Willey and Sons.