НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ФУНКЦИИ, СТРОЕНИЕ - БИОЛОГИЯ - 2024

Эти нуклеиновые кислоты являются крупные биомолекулы , образованные единицами или мономеров , называемых нуклеотидами. Они несут ответственность за хранение и передачу генетической информации. Они также участвуют в каждом из этапов синтеза белка.

Структурно каждый нуклеотид состоит из фосфатной группы, пятиуглеродного сахара и гетероциклического азотистого основания (A, T, C, G и U). При физиологическом pH нуклеиновые кислоты заряжены отрицательно, растворимы в воде, образуют вязкие растворы и довольно стабильны.

Источник: pixabay.com

Есть два основных типа нуклеиновых кислот: ДНК и РНК. Состав обеих нуклеиновых кислот схож: в обеих мы находим серию нуклеотидов, связанных фосфодиэфирными связями. Однако в ДНК мы находим тимин (T) и в РНК урацил (U).

ДНК длиннее и имеет конформацию двойной спирали, а РНК состоит из одной нити. Эти молекулы присутствуют во всех живых организмах, от вирусов до крупных млекопитающих.

Историческая перспектива

Открытие нуклеиновых кислот

Открытие нуклеиновых кислот относится к 1869 году, когда Фридрих Мишер идентифицировал хроматин. В своих экспериментах Мишер извлек студенистый материал из ядра и обнаружил, что это вещество богато фосфором.

Первоначально материал загадочного характера обозначался как «нуклеин». Более поздние эксперименты с нуклеином пришли к выводу, что он богат не только фосфором, но также углеводами и органическими основаниями.

Фебус Левен обнаружил, что нуклеин представляет собой линейный полимер. Хотя основные химические свойства нуклеиновых кислот были известны, не предполагалось, что существует связь между этим полимером и наследственным материалом живых существ.

Открытие функции ДНК

В середине 1940-х годов для биологов того времени было неубедительно, что молекула, отвечающая за передачу и хранение информации организма, находится в молекуле с такой простой конформацией, как ДНК, - состоящей из четырех очень похожих мономеров (нуклеотидов). каждый.

Белки, полимеры, состоящие из 20 типов аминокислот, в то время казались наиболее вероятными кандидатами на роль молекулы наследственности.

Эта точка зрения изменилась в 1928 году, когда исследователь Фред Гриффит подозревал, что нуклеин участвует в наследственности. Наконец, в 1944 году Освальду Эйвери удалось получить убедительные доказательства того, что ДНК содержит генетическую информацию.

Таким образом, ДНК превратилась из скучной и однообразной молекулы, состоящей всего из четырех строительных блоков, в молекулу, которая позволяет хранить огромное количество информации, и которая может сохранять и передавать ее точно, точно и эффективно.

Открытие структуры ДНК

1953 год стал революционным для биологических наук, поскольку исследователи Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик выяснили правильную структуру ДНК.

На основе анализа картины отражения рентгеновских лучей результаты Уотсона и Крика предположили, что молекула представляет собой двойную спираль, в которой фосфатные группы образуют внешнюю основу, а основания выступают внутрь.

Обычно используется аналогия с лестницей, где поручни соответствуют фосфатным группам, а ступеньки - основаниям.

Открытие секвенирования ДНК

За последние два десятилетия в биологии произошел выдающийся прогресс, во многом благодаря секвенированию ДНК. Благодаря технологическому прогрессу сегодня у нас есть необходимая технология, чтобы знать последовательность ДНК с довольно высокой точностью - под «последовательностью» мы подразумеваем порядок оснований.

Изначально выяснение последовательности было дорогостоящим мероприятием и занимало много времени. В настоящее время узнать последовательность геномов целиком не проблема.

характеристики

Заряд и растворимость

Как следует из названия, нуклеиновые кислоты по своей природе являются кислыми, и это молекулы с высокой растворимостью в воде; то есть они гидрофильны. При физиологическом pH молекула заряжена отрицательно из-за присутствия фосфатных групп.

Вследствие этого белки, с которыми связана ДНК, богаты аминокислотными остатками с положительными зарядами. Правильная ассоциация ДНК имеет решающее значение для ее упаковки в клетках.

вязкость

Вязкость нуклеиновой кислоты зависит от того, является ли она двойной или однополосной. Двухполосная ДНК образует растворы с высокой вязкостью, так как ее структура жесткая, сопротивляющаяся деформации. Кроме того, это очень длинные молекулы по сравнению с их диаметром.

Напротив, существуют также растворы однозонных нуклеиновых кислот, которые характеризуются низкой вязкостью.

стабильность

Еще одна характеристика нуклеиновых кислот - их стабильность. Естественно, молекула с такой незаменимой задачей, как хранение наследственности, должна быть очень стабильной.

Для сравнения, ДНК более стабильна, чем РНК, поскольку в ней отсутствует гидроксильная группа.

Возможно, эта химическая характеристика сыграла важную роль в эволюции нуклеиновых кислот и в выборе ДНК в качестве наследственного материала.

Согласно гипотетическим переходам, предложенным некоторыми авторами, РНК была заменена ДНК в процессе эволюции. Однако сегодня есть некоторые вирусы, использующие РНК в качестве генетического материала.

Поглощение ультрафиолетового света

Поглощение нуклеиновых кислот также зависит от того, является ли оно двухполосным или однополосным. Пик поглощения колец в их структуре составляет 260 нанометров (нм).

Когда двухполосная цепь ДНК начинает разделяться, поглощение на вышеупомянутой длине волны увеличивается, так как кольца, составляющие нуклеотиды, обнажены.

Этот параметр важен для молекулярных биологов в лаборатории, поскольку, измеряя поглощение, они могут оценить количество ДНК, которое существует в их образцах. В целом знание свойств ДНК способствует ее очистке и обработке в лабораториях.

Классификация (типы)

Две основные нуклеиновые кислоты - это ДНК и РНК. Оба являются компонентами всего живого. ДНК означает дезоксирибонуклеиновую кислоту, а РНК - рибонуклеиновую кислоту. Обе молекулы играют фундаментальную роль в наследственности и синтезе белка.

ДНК - это молекула, которая хранит всю информацию, необходимую для развития организма, и сгруппирована в функциональные единицы, называемые генами. РНК отвечает за получение этой информации и вместе с белковыми комплексами транслирует информацию из цепочки нуклеотидов в цепочку аминокислот.

Нити РНК могут иметь длину от нескольких сотен до нескольких тысяч нуклеотидов, тогда как цепи ДНК превышают миллионы нуклеотидов и могут быть визуализированы под светом оптического микроскопа, если они окрашены красителями.

Основные структурные различия между обеими молекулами будут подробно описаны в следующем разделе.

РНК

В клетках существуют разные типы РНК, которые вместе управляют синтезом белка. Три основных типа РНК - это мессенджер, рибосома и переносчик.

Посланник РНК

РНК-мессенджер отвечает за копирование сообщения, которое существует в ДНК, и передачу его в синтез белка, который происходит в структурах, называемых рибосомами.

Рибосомная или рибосомная РНК

Рибосомная РНК является частью этого важного механизма: рибосомы. 60% рибосомы состоит из рибосомной РНК, а остальная часть занята почти 80 различными белками.

Передача РНК

Трансферная РНК - это своего рода молекулярный адаптер, который транспортирует аминокислоты (строительные блоки белков) к рибосоме для включения.

Малая РНК

В дополнение к этим трем основным типам, недавно был обнаружен ряд дополнительных РНК, которые играют важную роль в синтезе белка и экспрессии генов.

Малые ядерные РНК, сокращенно мяРНК, участвуют в качестве каталитических объектов в сплайсинге (процессе удаления интронов) информационной РНК.

Небольшие ядрышковые РНК или мяРНК участвуют в процессинге прерибосомных транскриптов РНК, которые будут составлять часть субъединицы рибосомы. Это происходит в ядрышке.

Короткие интерферирующие РНК и микроРНК представляют собой небольшие последовательности РНК, основная роль которых заключается в модуляции экспрессии генов. МикроРНК кодируются из ДНК, но их трансляция в белки не продолжается. Они одноцепочечные и могут дополнять РНК сообщений, ингибируя ее трансляцию в белки.

Строение и химический состав

Нуклеиновые кислоты - это длинные полимерные цепи, состоящие из мономерных единиц, называемых нуклеотидами. Каждый состоит из:

Фосфатная группа

Существует четыре типа нуклеотидов, и они имеют общую структуру: фосфатная группа, связанная с пентозой через фосфодиэфирную связь. Наличие фосфатов придает молекуле кислый характер. Фосфатная группа диссоциирует при pH клетки, поэтому она заряжена отрицательно.

Этот отрицательный заряд позволяет нуклеиновым кислотам связываться с молекулами с положительным зарядом.

Небольшие количества нуклеозидов можно найти внутри клеток, а также во внеклеточных жидкостях. Это молекулы, состоящие из всех компонентов нуклеотида, но лишенные фосфатных групп.

Согласно этой номенклатуре нуклеотид - это нуклеозид, который имеет одну, две или три фосфатные группы, этерифицированные у гидроксила, расположенного у 5'-атомного углерода. Нуклеозиды с тремя фосфатами участвуют в синтезе нуклеиновых кислот, хотя они также выполняют другие функции в клетке.

Пентоза

Пентоза - это мономерный углевод, состоящий из пяти атомов углерода. В ДНК пентоза представляет собой дезоксирибозу, для которой характерна потеря гидроксильной группы при углероде 2 '. В РНК пентоза - это рибоза.

Азотистая основа

Пентоза, в свою очередь, связана с органическим основанием. Идентичность нуклеотида обеспечивается идентичностью основания. Существует пять типов, обозначаемых их инициалами: аденин (A), гуанин (G), цитозин (C), тимин (T) и урацил (U).

В литературе часто встречается, что эти пять букв используются для обозначения всего нуклеотида. Однако, строго говоря, это только часть нуклеотида.

Первые три, A, G и C, являются общими как для ДНК, так и для РНК. В то время как T является уникальным для ДНК, а урацил ограничивается молекулой РНК.

Структурно основания представляют собой гетероциклические химические соединения, кольца которых состоят из молекул углерода и азота. A и G образованы парой конденсированных колец и принадлежат к группе пуринов. Остальные основания относятся к пиримидинам, и их структура состоит из одного кольца.

Обычно в обоих типах нуклеиновых кислот мы находим ряд модифицированных оснований, таких как дополнительная метильная группа.

Когда это происходит, мы говорим, что основание метилировано. У прокариот обычно обнаруживаются метилированные аденины, а у прокариот и эукариот цитозины могут иметь дополнительную метильную группу.

Как происходит полимеризация?

Как мы уже упоминали, нуклеиновые кислоты - это длинные цепи, состоящие из мономеров - нуклеотидов. Чтобы сформировать цепи, они связаны определенным образом.

Когда нуклеотиды полимеризуются, гидроксильная группа (-ОН), обнаруженная на 3'-углеродном атоме сахара одного из нуклеотидов, образует сложноэфирную связь с фосфатной группой другой нуклеотидной молекулы. Во время образования этой связи происходит удаление молекулы воды.

Этот тип реакции называется «реакцией конденсации», и он очень похож на реакцию, которая происходит, когда пептидные связи в белках образуются между двумя аминокислотными остатками. Связи между каждой парой нуклеотидов называются фосфодиэфирными связями.

Как и в полипептидах, цепи нуклеиновых кислот имеют две химические ориентации на своих концах: один - это 5'-конец, который содержит свободную гидроксильную группу или фосфатную группу на 5'-углеродном атоме концевого сахара, а на 3-конце «Мы находим свободную гидроксильную группу углерода 3».

Давайте представим, что каждый блок ДНК представляет собой набор Lego с одним вставленным концом и свободным отверстием, в которое может быть вставлен другой блок. Конец 5 'с фосфатом будет концом, который нужно вставить, а 3' аналогично свободному отверстию.

Другие нуклеотиды

В клетке мы находим другой тип нуклеотидов с другой структурой, чем упомянутый выше. Хотя они не будут частью нуклеиновых кислот, они играют очень важную биологическую роль.

Среди наиболее актуальных у нас есть рибофлавинмононуклеотид, известный как FMN, кофермент A, адениндинуклеотид и никотинамин, среди других.

Структура РНК

Линейная структура полимера нуклеиновой кислоты соответствует первичной структуре этих молекул. Полинуклеотиды также обладают способностью образовывать трехмерные массивы, стабилизированные нековалентными силами - подобно складыванию, обнаруженному в белках.

Хотя первичный состав ДНК и РНК довольно похож (за исключением упомянутых выше различий), состав их структуры заметно различается. РНК обычно встречаются в виде единой нуклеотидной цепи, хотя она может иметь различное расположение.

РНК переноса, например, представляют собой небольшие молекулы, состоящие менее чем из 100 нуклеотидов. Его типичная вторичная структура представляет собой трехлепестковый клевер. То есть молекула РНК находит внутри комплементарные основания и может складываться сама по себе.

Рибосомные РНК - это более крупные молекулы, которые принимают сложные трехмерные конформации и демонстрируют вторичную и третичную структуру.

Структура ДНК

Двойная спираль

В отличие от линейной РНК, структура ДНК состоит из двух переплетенных цепей. Это структурное различие имеет решающее значение для выполнения своих конкретных функций. РНК не способна образовывать спирали этого типа из-за стерических препятствий, создаваемых дополнительной группой ОН, которую представляет ее сахар.

Базовая дополнительность

Основания дополняют друг друга. То есть из-за своего размера, формы и химического состава пурины должны соединяться с пиримидином посредством водородных связей. По этой причине в природной ДНК мы обнаруживаем, что A почти всегда спаривается с T, а G - с C, образуя водородные связи со своими партнерами.

Пары оснований между G и C связаны тремя водородными связями, в то время как пара A и T более слабые, и только две водородные связи удерживают их вместе.

Нити ДНК могут быть разделены (это происходит как в клетке, так и в лабораторных условиях), а необходимое количество тепла зависит от количества GC в молекуле: чем она больше, тем больше энергии потребуется для ее разделения.

Ориентация прядей

Другой характеристикой ДНК является ее противоположная ориентация: в то время как цепь проходит в направлении 5'-3 ', ее партнер движется в направлении 3'-5'.

Естественные конформации и в лаборатории

Структура или конформация, которую мы обычно находим в природе, называется ДНК B. Она характеризуется наличием 10,4 нуклеотида на каждый виток, разделенных расстоянием 3,4. ДНК B поворачивает вправо.

Такой рисунок намотки приводит к появлению двух борозд, одна большая и одна меньшая.

В нуклеиновых кислотах, образованных в лабораторных (синтетических), можно найти другие конформации, которые также появляются в очень специфических условиях. Это ДНК А и ДНК Z.

Вариант А также делает поворот направо, хотя он короче и несколько шире естественного. Такую форму молекула принимает при понижении влажности. Он вращается каждые 11 пар оснований.

Последний вариант - Z, отличающийся узкостью и поворотом влево. Он образован группой гексануклеотидов, которые сгруппированы в дуплекс антипараллельных цепей.

Характеристики

ДНК: молекула наследственности

ДНК - это молекула, которая может хранить информацию. Жизнь на нашей планете в том виде, в каком мы ее знаем, зависит от способности хранить и передавать такую ​​информацию.

Для клетки ДНК - это своего рода библиотека, в которой находятся все необходимые инструкции по производству, развитию и содержанию живого организма.

В молекуле ДНК мы находим организацию дискретных функциональных единиц, называемых генами. Некоторые из них будут перенесены в белки, а другие будут выполнять регуляторные функции.

Структура ДНК, которую мы описали в предыдущем разделе, является ключом к выполнению ее функций. Спираль должна иметь возможность легко разделяться и соединяться - ключевое свойство для событий репликации и транскрипции.

ДНК у прокариот находится в определенном месте в их цитоплазме, а у эукариот - в ядре.

РНК: многофункциональная молекула

Роль в синтезе белка

РНК - это нуклеиновая кислота, которую мы находим на разных стадиях синтеза белка и в регуляции экспрессии генов.

Синтез белка начинается с транскрипции зашифрованного сообщения в ДНК в молекулу информационной РНК. Затем мессенджер должен удалить части, которые не будут переводиться, известные под названием интронов.

Для трансляции сообщения РНК в аминокислотные остатки необходимы два дополнительных компонента: рибосомная РНК, которая является частью рибосом, и передающая РНК, которая будет нести аминокислоты и будет отвечать за вставку правильной аминокислоты в пептидную цепь. На тренировке.

Другими словами, каждый основной тип РНК играет решающую роль в этом процессе. Этот переход от ДНК к информационной РНК и, наконец, к белкам - это то, что биологи называют «центральной догмой биологии».

Однако, поскольку наука не может основываться на догмах, есть разные случаи, когда эта предпосылка не выполняется, например, ретровирусы.

Роль в регулировании

Упомянутые выше малые РНК косвенно участвуют в синтезе, управляя синтезом информационной РНК и участвуя в регуляции экспрессии.

Например, в клетке есть различные информационные РНК, которые регулируются небольшими РНК, последовательность которых комплементарна этой. Если к сообщению прикрепляется малая РНК, она может расщепить мессенджер, таким образом предотвращая его перевод. Таким образом регулируются несколько процессов.

Ссылки

1. Альбертс, Б., Брей, Д., Хопкин, К., Джонсон, А.Д., Льюис, Дж., Рафф, М.,… и Уолтер, П. (2015). Существенная клеточная биология. Наука о гирляндах.
2. Берг, Дж. М., Тимочко, Дж. Л., Страйер, Л. (2002). Биохимия. 5-е издание. WH Freeman.
3. Купер, Г. М., и Хаусман, Р. Е. (2000). Клетка: молекулярный подход. Sinauer Associates.
4. Кертис, Х., и Барнс, Н.С. (1994). Приглашение в биологию. Macmillan.
5. Фиерро, А. (2001). Краткая история открытия структуры ДНК. Преподобный Méd Clínica Las Condes, 20, 71-75.
6. Фортер, П., Филе, Дж. И Мюлликаллио, Х. (2000-2013) Происхождение и эволюция ДНК и механизмов репликации ДНК. В: База данных мадам Кюри Bioscience. Остин (Техас): Landes Bioscience.
7. Карп, Г. (2009). Клеточная и молекулярная биология: концепции и эксперименты. Джон Вили и сыновья.
8. Ласкано А., Герреро Р., Маргулис Л. и Оро Дж. (1988). Эволюционный переход от РНК к ДНК в ранних клетках. Журнал молекулярной эволюции, 27 (4), 283-290.
9. Лодиш, Х., Берк, А., Дарнелл, Дж. Э., Кайзер, Калифорния, Кригер, М., Скотт, М. П.,… и Мацудаира, П. (2008). Молекулярная клеточная биология. Macmillan.
10. Воет, Д. и Воет, Дж. Г. (2006). Биохимия. Panamerican Medical Ed.
11. Воет, Д., Воет, Дж. Г., и Пратт, CW (1999). Основы биохимии. Нью-Йорк: Джон Уилли и сыновья.