В фосфодиэфирные связи являются ковалентными связями , которые возникают между двумя атомами кислорода фосфатной группы и гидроксильных групп из двух различных молекул. В этом типе связи фосфатная группа действует как стабильный связывающий «мост» между двумя молекулами через их атомы кислорода.
Фундаментальная роль фосфодиэфирных связей в природе заключается в образовании цепей нуклеиновых кислот, как ДНК, так и РНК. Вместе с пентозными сахарами (дезоксирибозой или рибозой, в зависимости от обстоятельств) фосфатные группы являются частью поддерживающей структуры этих важных биомолекул.
Фосфодиэфирная связь в скелете ДНК (Источник: Файл: Phosphodiester bond.png, Файл: PhosphodiesterBondDiagram.png: Пользователь: G3pro (обсуждение) Пользователь: G3pro на en.wikipedia.org Производное произведение: Пользователь: Меропс (обсуждение) Производное произведение: Пользователь : Deneapol (обсуждение) Производная работа: Пользователь: KES47 (разговор) Изменения текста: Incnis Mrsi (разговор) Изменения текста: DMacks (разговор)) Производная работа: Пользователь: Miguelferig (разговор) с ионизацией, через Wikimedia Commons)
Нуклеотидные цепи ДНК или РНК, как и белки, могут принимать различные трехмерные конформации, которые стабилизируются нековалентными связями, такими как водородные связи между комплементарными основаниями.
Однако первичная структура задается линейной последовательностью нуклеотидов, ковалентно связанных через фосфодиэфирные связи.
Как образуется фосфодиэфирная связь?
Подобно пептидным связям в белках и гликозидным связям между моносахаридами, фосфодиэфирные связи возникают в результате реакций дегидратации, при которых теряется молекула воды. Вот общая схема одной из этих реакций дегидратации:
HX 1 -OH + HX 2 -OH → HX 1 -X 2 -OH + H 2 O
Ионы фосфата соответствуют полностью депротонированному сопряженному основанию фосфорной кислоты и называются неорганическими фосфатами, сокращение которых обозначается Pi. Когда две фосфатные группы связаны вместе, образуется безводная фосфатная связь, и получается молекула, известная как неорганический пирофосфат или PPi.
Когда фосфатный ион присоединен к атому углерода в органической молекуле, химическая связь называется сложным эфиром фосфата, а образующийся в результате органический монофосфат. Если органическая молекула связывается более чем с одной фосфатной группой, образуются органические дифосфаты или трифосфаты.
Когда одна молекула неорганического фосфата присоединена к двум органическим группам, используется фосфодиэфирная или «фосфатно-диэфирная» связь. Важно не путать фосфодиэфирные связи с высокоэнергетическими фосфоангидросвязями между фосфатными группами таких молекул, как, например, АТФ.
Различия между фосфатами и фосфорилами (Источник: Strater, через Wikimedia Commons)
Фосфодиэфирные связи между соседними нуклеотидами состоят из двух фосфоэфирных связей, которые возникают между гидроксилом в 5'-положении одного нуклеотида и гидроксилом в 3'-положении следующего нуклеотида в цепи ДНК или РНК.
В зависимости от условий окружающей среды эти связи могут гидролизоваться как ферментативно, так и неферментативно.
Вовлеченные ферменты
Образование и разрыв химических связей имеет решающее значение для всех жизненно важных процессов, какими мы их знаем, и случай фосфодиэфирных связей не исключение.
К наиболее важным ферментам, которые могут образовывать эти связи, относятся ДНК- или РНК-полимеразы и рибозимы. Ферменты фосфодиэстеразы способны их ферментативно гидролизовать.
Во время репликации, важного процесса пролиферации клеток, в каждом реакционном цикле dNTP (дезоксинуклеотидтрифосфат), комплементарный основанию матрицы, включается в ДНК посредством реакции переноса нуклеотидов.
Полимераза отвечает за образование новой связи между 3'-ОН цепочки матрицы и α-фосфатом dNTP благодаря энергии, высвобождающейся при разрыве связей между α и β фосфатами dNTP, которые связаны между собой фосфоангидросвязями.
Результатом является удлинение цепи на один нуклеотид и высвобождение молекулы пирофосфата (PPi) s. Было определено, что в этих реакциях необходимы два двухвалентных иона магния (Mg 2+ ), присутствие которых позволяет электростатической стабилизации нуклеофила ОН - для достижения приближения к активному центру фермента.
PK a фосфодиэфирной связи близко к 0, поэтому в водном растворе эти связи полностью ионизированы и заряжены отрицательно.
Это дает молекулам нуклеиновой кислоты отрицательный заряд, который нейтрализуется благодаря ионным взаимодействиям с положительными зарядами аминокислотных остатков белка, электростатической связи с ионами металлов или ассоциации с полиаминами.
В водном растворе фосфодиэфирные связи в молекулах ДНК намного стабильнее, чем в молекулах РНК. В щелочном растворе эти связи в молекулах РНК разрываются за счет внутримолекулярного замещения нуклеозида на 5'-конце на 2'-оксианион.
Функции и примеры
Как уже упоминалось, наиболее важная роль этих связей - их участие в формировании основной цепи молекул нуклеиновых кислот, которые являются одними из самых важных молекул в клеточном мире.
Активность ферментов топоизомеразы, которые активно участвуют в репликации ДНК и синтезе белков, зависит от взаимодействия фосфодиэфирных связей на 5'-конце ДНК с боковой цепью остатков тирозина в активном центре этих ферменты.
Молекулы, которые участвуют в качестве вторичных мессенджеров, такие как циклический аденозинмонофосфат (цАМФ) или циклический гуанозинтрифосфат (цГТФ), обладают фосфодиэфирными связями, которые гидролизуются специфическими ферментами, известными как фосфодиэстеразы, участие которых имеет огромное значение для многих сигнальных процессов. Сотовая связь.
Глицерофосфолипиды, основные компоненты биологических мембран, состоят из молекулы глицерина, которая присоединена через фосфодиэфирные связи к полярным «головным» группам, которые составляют гидрофильную область молекулы.
Ссылки
- Фотергилл, М., Гудман, М.Ф., Петруска, Дж., И Варшел, А. (1995). Структурно-энергетический анализ роли ионов металлов в гидролизе фосфодиэфирных связей ДНК-полимеразой I. Журнал Американского химического общества, 117 (47), 11619-11627.
- Лодиш, Х., Берк, А., Кайзер, Калифорния, Кригер, М., Бретчер, А., Плоег, Х., Мартин, К. (2003). Молекулярная клеточная биология (5-е изд.). Фриман, WH & Company.
- Накамура, Т., Чжао, Ю., Ямагата, Ю., Хуа, Ю.Дж., и Ян, В. (2012). Наблюдая, как ДНК-полимераза η образует фосфодиэфирную связь. Природа, 487 (7406), 196-201.
- Нельсон, Д. Л., и Кокс, М. М. (2009). Принципы биохимии Ленингера. Omega Editions (5-е изд.)
- Ойванен, М., Куусела, С., и Лённберг, Х. (1998). Кинетика и механизмы расщепления и изомеризации фосфодиэфирных связей РНК бронстедовыми кислотами и основаниями. Химические обзоры, 98 (3), 961-990.
- Прадепкумар, П.И., Хёбартнер, К., Баум, Д., и Сильверман, С. (2008). ДНК-катализируемое образование нуклеопептидных связей. Angewandte Chemie International Edition, 47 (9), 1753–1757.
- Содерберг, Т. (2010). Органическая химия с биологическим акцентом Том II (Том II). Миннесота: Цифровой колодец Морриса Университета Миннесоты. Получено с www.digitalcommons.morris.umn.edu