NUKLEĪNSKĀBES: RAKSTUROJUMS, FUNKCIJAS, STRUKTŪRA - BIOLOĢIJA - 2025

The nukleīnskābes ir lielas biomolekulas ar vienības vai monomēriem, ko sauc par nukleotīdi veidojas. Viņi ir atbildīgi par ģenētiskās informācijas glabāšanu un pārsūtīšanu. Viņi arī piedalās katrā no olbaltumvielu sintēzes posmiem.

Strukturāli katru nukleotīdu veido fosfātu grupa, piecu oglekļa cukurs un heterocikliskā slāpekļa bāze (A, T, C, G un U). Pie fizioloģiskā pH nukleīnskābes ir negatīvi lādētas, šķīst ūdenī, veido viskozus šķīdumus un ir diezgan stabilas.

Avots: pixabay.com

Pastāv divi galvenie nukleīnskābju veidi: DNS un RNS. Abu nukleīnskābju sastāvs ir līdzīgs: abās mēs atrodam virkni nukleotīdu, kas saistīti ar fosfodiestera saitēm. Tomēr DNS mēs atrodam timīnu (T) un RNS uracilu (U).

DNS ir garāka un atrodas dubultā spirāles konformācijā, un RNS veido viena virkne. Šīs molekulas atrodas visos dzīvos organismos, sākot no vīrusiem līdz lieliem zīdītājiem.

Vēsturiskā perspektīva

Nukleīnskābju atklāšana

Nukleīnskābju atklājumi meklējami 1869. gadā, kad Frīdrihs Mieshers identificēja hromatīnu. Savos eksperimentos Miesers no kodola ekstrahēja želejveida materiālu un atklāja, ka šī viela ir bagāta ar fosforu.

Sākotnēji noslēpumaina rakstura materiāls tika apzīmēts kā "nukleīns". Vēlākie eksperimenti ar nukleīnu secināja, ka tas ir bagāts ne tikai ar fosforu, bet arī ar ogļhidrātiem un organiskām bāzēm.

Fobuss Levēns atklāja, ka nukleīns ir lineārs polimērs. Kaut arī nukleīnskābju pamata ķīmiskās īpašības bija zināmas, neuzskatīja, ka pastāv saistība starp šo polimēru un dzīvo lietu iedzimto materiālu.

DNS funkcijas atklāšana

1940. gadu vidū tā laika biologiem nebija pārliecības par to, ka molekula, kas atbild par organisma informācijas pārraidi un glabāšanu, atrodas molekulā ar tik vienkāršu uzbūvi kā DNS - sastāv no četriem ļoti līdzīgiem monomēriem (nukleotīdiem). katrs.

Olbaltumvielas, polimēri, kas sastāv no 20 veidu aminoskābēm, tolaik visdrošākie kandidāti šķita iedzimtības molekula.

Šis uzskats mainījās 1928. gadā, kad pētniekam Fredam Grifitam bija aizdomas, ka nukleīns ir saistīts ar iedzimtību. Visbeidzot, 1944. gadā Oswald Avery ar pārliecinošiem pierādījumiem spēja secināt, ka DNS satur ģenētisko informāciju.

Tādējādi DNS kļuva no garlaicīgas un monotonas molekulas, kas sastāv tikai no četriem pamatakmeņiem, uz molekulu, kas ļauj uzglabāt milzīgu informācijas daudzumu un kas to var precīzi, precīzi un efektīvi saglabāt un pārsūtīt.

DNS struktūras atklāšana

1953. gads bioloģiskajām zinātnēm bija revolucionārs, jo pētnieki Džeimss Vatsons un Fransiss Kriks noskaidroja pareizo DNS struktūru.

Balstoties uz rentgenstaru refleksijas shēmu analīzi, Vatsona un Krika rezultāti liecināja, ka molekula ir dubultā spirāle, kur fosfātu grupas veido ārējo mugurkaulu un bāzes izdalās iekšpusē.

Parasti izmanto kāpņu analoģiju, kur margas atbilst fosfātu grupām un kāpšļi pamatnēm.

DNS secības atklāšana

Pēdējās divās desmitgadēs bioloģijā ir notikuši ārkārtīgi sasniegumi, ko sekmē DNS sekvencēšana. Pateicoties tehnoloģiskajam progresam, šodien mums ir nepieciešamā tehnoloģija, lai zinām DNS secību ar diezgan augstu precizitāti - ar "secību" mēs domājam bāzu secību.

Sākumā secības noskaidrošana bija dārgs notikums, un tās pabeigšana prasīja daudz laika. Pašlaik nav problēmu zināt visu genomu secību.

raksturojums

Uzlādēšana un šķīdība

Kā norāda nosaukums, nukleīnskābes ir skābas, un tās ir molekulas ar augstu šķīdību ūdenī; tas ir, tie ir hidrofīli. Pie fizioloģiskā pH molekula ir negatīvi lādēta fosfātu grupu klātbūtnes dēļ.

Tā rezultātā olbaltumvielās, ar kurām ir saistīta DNS, ir daudz aminoskābju atlikumu ar pozitīvu lādiņu. Pareiza DNS saistība ir būtiska, lai to iesaiņotu šūnās.

Viskozitāte

Nukleīnskābes viskozitāte ir atkarīga no tā, vai tā ir divkārša vai viena josla. Divjoslu DNS veido augstas viskozitātes šķīdumus, jo tā struktūra ir stingra un pretojas deformācijai. Turklāt tās ir ārkārtīgi garas molekulas attiecībā pret diametru.

Turpretī ir arī vienas joslas nukleīnskābju šķīdumi, kuriem raksturīga zema viskozitāte.

Stabilitāte

Vēl viena nukleīnskābju īpašība ir to stabilitāte. Protams, molekulai, kurai ir tik neaizstājams uzdevums kā mantojuma glabāšana, jābūt ļoti stabilai.

Salīdzinoši, DNS ir stabilāka nekā RNS, jo tajā trūkst hidroksilgrupas.

Iespējams, ka šai ķīmiskajai īpašībai bija liela nozīme nukleīnskābju evolūcijā un DNS izvēlē kā iedzimtu materiālu.

Saskaņā ar dažu autoru ierosinātajām hipotētiskajām pārejām RNS evolūcijas procesā tika aizstāts ar DNS. Tomēr šodien ir daži vīrusi, kas izmanto RNS kā ģenētisko materiālu.

Ultravioletās gaismas absorbcija

Nukleīnskābju absorbcija ir atkarīga arī no tā, vai tā ir divjoslu vai vienjoslu. Gredzenu absorbcijas maksimums to struktūrā ir 260 nanometri (nm).

Tā kā divjoslu DNS virkne sāk atdalīties, absorbcija iepriekšminētajā viļņa garumā palielinās, jo tiek pakļauti gredzeni, kas veido nukleotīdus.

Šis parametrs ir svarīgs molekulārajiem biologiem laboratorijā, jo, izmērot absorbciju, viņi var noteikt DNS daudzumu, kas pastāv viņu paraugos. Kopumā zināšanas par DNS īpašībām veicina tā attīrīšanu un apstrādi laboratorijās.

Klasifikācija (veidi)

Divas galvenās nukleīnskābes ir DNS un RNS. Abas ir visu dzīvo lietu sastāvdaļas. DNS apzīmē dezoksiribonukleīnskābi un RNS - ribonukleīnskābi. Abām molekulām ir būtiska loma iedzimtībā un olbaltumvielu sintēzē.

DNS ir molekula, kurā glabājas visa informācija, kas nepieciešama organisma attīstībai, un tā ir sagrupēta funkcionālās vienībās, kuras sauc par gēniem. RNS ir atbildīgs par šīs informācijas iegūšanu un kopā ar olbaltumvielu kompleksiem pārveido informāciju no nukleotīdu ķēdes uz aminoskābju ķēdi.

RNS šķipsnas var būt dažus simtus vai dažus tūkstošus nukleotīdu garu, savukārt DNS šķipsnas pārsniedz miljonus nukleotīdu un tās var vizualizēt optiskā mikroskopa gaismā, ja tās krāso ar krāsvielām.

Pamatstruktūras atšķirības starp abām molekulām tiks detalizēti aprakstītas nākamajā sadaļā.

RNS

Šūnās ir dažādi RNS veidi, kas kopā darbojas, lai organizētu olbaltumvielu sintēzi. Trīs galvenie RNS veidi ir kurjers, ribosomāli un pārsūtīšana.

Messenger RNS

Messenger RNS ir atbildīgs par DNS esošā ziņojuma kopēšanu un transportēšanu uz olbaltumvielu sintēzi, kas notiek struktūrās, ko sauc par ribosomām.

Ribosomāla vai ribosomāla RNS

Ribosomu RNS tiek atrasta kā daļa no šīs būtiskās tehnikas: ribosomas. No ribosomas 60% veido ribosomu RNS, bet pārējo aizņem gandrīz 80 dažādi proteīni.

Pārnest RNS

Pārnešanas RNS ir sava veida molekulārais adapteris, kas transportē aminoskābes (olbaltumvielu celtniecības blokus) uz ribosomu, kas jāiekļauj.

Maza RNS

Papildus šiem trim pamatveidiem nesen ir atklāti arī vairāki papildu RNS, kuriem ir būtiska loma olbaltumvielu sintēzē un gēnu ekspresijā.

Mazas kodola RNS, saīsināti kā snRNS, piedalās kā katalītiskas vienības MNS splicēšanā (intronu noņemšanas procesā).

Pre-ribosomālu RNS transkriptu, kas veido ribosomu subvienības daļu, apstrādē tiek iesaistīti mazi nukleolāri RNS vai snoRNS. Tas notiek kodolā.

Īsi traucējoši RNS un mikroRNS ir mazas RNS secības, kuru galvenā loma ir gēnu ekspresijas modulācija. MikroRNS tiek kodētas no DNS, bet to pārvēršana olbaltumvielās neturpinās. Tie ir vienpavedieni un var papildināt ziņojuma RNS, kavējot tā pārvēršanos olbaltumvielās.

Uzbūve un ķīmiskais sastāvs

Nukleīnskābes ir garas polimēru ķēdes, kas sastāv no monomērām vienībām, kuras sauc par nukleotīdiem. Katru no tiem veido:

Fosfātu grupa

Pastāv četri nukleotīdu veidi, un tiem ir kopēja struktūra: fosfātu grupa, kas ar fosfodiestera saites palīdzību ir savienota ar pentozi. Fosfātu klātbūtne piešķir molekulai skābes raksturu. Fosfāta grupa ir disociēta šūnas pH līmenī, tāpēc tā ir negatīvi lādēta.

Šis negatīvais lādiņš ļauj saistīt nukleīnskābes ar molekulām, kuru lādiņš ir pozitīvs.

Nelielā daudzumā nukleozīdu var atrast šūnās un arī ārpusšūnu šķidrumos. Tās ir molekulas, kuras veido visi nukleotīda komponenti, bet kurām trūkst fosfātu grupu.

Saskaņā ar šo nomenklatūru nukleotīds ir nukleozīds, kurā ir viena, divas vai trīs fosfātu grupas, kas ir esterificētas pie hidroksilgrupas, kas atrodas pie 5 'oglekļa. Nukleozīdi ar trim fosfātiem ir iesaistīti nukleīnskābju sintēzē, lai arī tie šūnā pilda arī citas funkcijas.

Pentose

Pentoze ir monomērs ogļhidrāts, kas sastāv no pieciem oglekļa atomiem. DNS pentoze ir dezoksiriboze, kurai raksturīga hidroksilgrupas zaudēšana pie oglekļa 2 '. RNS pentose ir riboze.

Slāpekļa bāze

Pentoze savukārt ir saistīta ar organisko bāzi. Nukleotīda identitāti nodrošina bāzes identitāte. Ir pieci veidi, saīsināti ar to iniciāļiem: adenīns (A), guanīns (G), citozīns (C), timīns (T) un uracils (U).

Literatūrā ir ierasts, ka mēs atrodamies, ka šie pieci burti tiek izmantoti, lai apzīmētu visu nukleotīdu. Tomēr, stingri runājot, šī ir tikai nukleotīda daļa.

Pirmie trīs, A, G un C, ir kopīgi gan DNS, gan RNS. Tā kā T ir raksturīgs tikai DNS un uracils ir ierobežots ar RNS molekulu.

Strukturāli bāzes ir heterocikliski ķīmiski savienojumi, kuru gredzenus veido oglekļa un slāpekļa molekulas. A un G veido saplūdušu gredzenu pāris un pieder purīnu grupai. Atlikušās bāzes pieder pie pirimidīniem, un to struktūru veido viens gredzens.

Parasti ir tas, ka abos nukleīnskābju veidos mēs atrodam modificētu bāzu virkni, piemēram, papildu metilgrupu.

Kad notiek šis notikums, mēs sakām, ka bāze ir metilēta. Prokariotos parasti tiek atrasti metilēti adenīni, un gan prokariotos, gan eikariotos citozīniem var būt papildu metilgrupa.

Kā notiek polimerizācija?

Kā mēs minējām, nukleīnskābes ir garas ķēdes, kuras veido monomēri - nukleotīdi. Lai izveidotu ķēdes, tās ir savienotas noteiktā veidā.

Kad nukleotīdi polimerizējas, hidroksilgrupa (-OH), kas atrodas uz viena nukleotīda cukura 3 'oglekļa, veido esterim līdzīgu saiti ar fosfāta grupu no citas nukleotīda molekulas. Šīs saites veidošanās laikā notiek ūdens molekulas noņemšana.

Šāda veida reakciju sauc par "kondensācijas reakciju", un tā ir ļoti līdzīga tai, kas notiek, kad olbaltumvielu peptīdu saites veidojas starp diviem aminoskābju atlikumiem. Saiknes starp katru nukleotīdu pāri tiek sauktas par fosfodiestera saitēm.

Tāpat kā polipeptīdos, nukleīnskābju ķēdēm galos ir divas ķīmiskas orientācijas: viens ir 5 'gals, kas satur brīvā hidroksilgrupu vai fosfātu grupu uz gala cukura 5' oglekļa, bet 3 galā ´ mēs atrodam 3 oglekļa brīvu hidroksilgrupu ’.

Iedomāsimies, ka katrs DNS bloks ir Lego komplekts, ar vienu galu, kas ir ievietots, un ar brīvu caurumu, kur var notikt cita bloka ievietošana. 5 'gals ar fosfātu tiks ievietots gals, un 3' ir analogs brīvajam caurumam.

Citi nukleotīdi

Šūnā mēs atrodam cita veida nukleotīdus ar atšķirīgu struktūru, nekā minēts iepriekš. Lai arī tās neietilpst nukleīnskābēs, tām ir ļoti svarīga bioloģiskā loma.

Starp visatbilstošākajiem mums cita starpā ir riboflavīna mononukleotīds, kas pazīstams kā FMN, koenzīms A, adenīna dinukleotīds un nikotīnamīns.

RNS struktūra

Nukleīnskābju polimēra lineārā struktūra atbilst šo molekulu primārajai struktūrai. Polinukleotīdiem ir arī spēja veidot trīsdimensiju masīvus, kurus stabilizē nekovalenti spēki - līdzīgi kā locījumos, kas atrodami olbaltumvielās.

Kaut arī DNS un RNS primārais sastāvs ir diezgan līdzīgs (izņemot iepriekšminētās atšķirības), to struktūra ir ievērojami atšķirīga. RNS parasti sastopamas kā viena nukleotīdu ķēde, lai arī tā var rīkoties atšķirīgi.

Pārnešanas RNS, piemēram, ir mazas molekulas, kas sastāv no mazāk nekā 100 nukleotīdiem. Tā tipiskā sekundārā struktūra ir āboliņa formā ar trim ieročiem. Tas ir, RNS molekula atrod komplementāras bāzes iekšpusē un var salocīties pati.

Ribosomālas RNS ir lielākas molekulas, kas uzņem sarežģītas trīsdimensiju konfigurācijas un tām ir sekundārā un terciārā struktūra.

DNS struktūra

Divkāršā spirāle

Atšķirībā no lineārās RNS, DNS izkārtojums sastāv no diviem savstarpēji savienotiem virzieniem. Šī strukturālā atšķirība ir būtiska, lai veiktu tās īpašās funkcijas. RNS nespēj veidot šāda veida helikāzes, pateicoties sterīnam traucējumam, ko rada papildu OH grupa, kuru rada tās cukurs.

Papildu papildināmība

Starp bāzēm ir papildināmība. Tas ir, purīniem to lieluma, formas un ķīmiskā sastāva dēļ caur ūdeņraža saitēm jābūt pārī ar pirimidīnu. Šī iemesla dēļ dabiskajā DNS mēs atklājam, ka A gandrīz vienmēr ir pārī ar T un G ar C, veidojot ūdeņraža saites ar saviem partneriem.

Bāzes pārus starp G un C saista trīs ūdeņraža saites, savukārt pāri A un T ir vājāki, un tikai divas ūdeņraža saites tos satur kopā.

DNS šķipsnas var atdalīt (tas notiek gan šūnā, gan laboratorijas procedūrās), un nepieciešamais siltums ir atkarīgs no GC daudzuma molekulā: jo lielāks tas ir, jo vairāk enerģijas būs nepieciešams, lai to atdalītu.

Virziena orientācija

Vēl viena DNS īpašība ir tās pretējā orientācija: kamēr virkne virzās 5'-3 'virzienā, tās partneris darbojas 3'-5' virzienā.

Dabiskas izmaiņas un laboratorijā

Tādu struktūru vai konformāciju, kādu mēs parasti atrodam dabā, sauc par DNS B. To raksturo tas, ka katram pagriezienam ir 10,4 nukleotīdi, atdalīti ar attālumu 3,4. DNS B pagriežas pa labi.

Šis tinuma raksts rada divu vagu parādīšanos - vienu lielāku un otru mazāku.

Nukleīnskābēs, kas izveidotas laboratorijā (sintētiskās), var atrast citas konformācijas, kas parādās arī ļoti specifiskos apstākļos. Tās ir DNS A un DNS Z.

Variants A arī pagriežas pa labi, kaut arī tas ir īsāks un nedaudz plašāks nekā dabiskais. Molekulai ir šāda forma, kad samazinās mitrums. Tas griežas ik pēc 11 bāzes pāriem.

Pēdējais variants ir Z, ko raksturo šaurs un pagrieziens pa kreisi. To veido heksanukleotīdu grupa, kas ir sagrupēti antiparalēlu ķēžu dupleksā.

Iespējas

DNS: iedzimtības molekula

DNS ir molekula, kas var uzglabāt informāciju. Dzīve, kādu mēs to zinām uz mūsu planētas, ir atkarīga no spējas glabāt un tulkot šādu informāciju.

Šūnai DNS ir sava veida bibliotēka, kurā atrodami visi nepieciešamie norādījumi dzīvo organismu ražošanai, attīstībai un uzturēšanai.

DNS molekulā mēs atrodam diskrētu funkcionālu vienību organizāciju, ko sauc par gēniem. Dažus no tiem papildinās olbaltumvielas, bet citi pildīs regulatīvās funkcijas.

DNS funkcijām, kuras mēs aprakstījām iepriekšējā sadaļā, ir galvenā loma tās funkciju veikšanā. Spirālim jāspēj viegli atdalīties un pievienoties - tā ir replikācijas un transkripcijas notikumu galvenā īpašība.

DNS ir atrodams prokariotos noteiktā vietā to citoplazmā, savukārt eikariotos tas atrodas kodolā.

RNS: daudzfunkcionāla molekula

Loma olbaltumvielu sintēzē

RNS ir nukleīnskābe, ko mēs atrodam dažādos olbaltumvielu sintēzes posmos un gēnu ekspresijas regulēšanā.

Olbaltumvielu sintēze sākas ar šifrēta ziņojuma transkripciju DNS Messenger MNS molekulā. Tālāk kurjeram jālikvidē tās daļas, kuras netiks tulkotas, kuras pazīstamas ar vārdu introns.

RNS ziņojuma pārvēršanai aminoskābju atlikumos nepieciešami divi papildu komponenti: ribosomu RNS, kas ir daļa no ribosomām, un pārneses RNS, kas nesīs aminoskābes un būs atbildīga par pareizas aminoskābes ievietošanu peptīdu ķēdē. Apmācībā.

Citiem vārdiem sakot, katram galvenajam RNS veidam ir kritiska loma šajā procesā. Šis pāreja no DNS uz Messenger Messenger un visbeidzot uz olbaltumvielām ir tas, ko biologi sauc par "bioloģijas centrālo dogmu".

Tomēr, tā kā zinātni nevar balstīt uz dogmām, ir dažādi gadījumi, kad šis pieņēmums netiek izpildīts, piemēram, retrovīrusi.

Loma regulējumā

Iepriekš pieminētās mazās RNS piedalās netieši sintēzē, organizējot kurjeru RNS sintēzi un piedaloties ekspresijas regulēšanā.

Piemēram, šūnā ir dažādas kurjeru RNS, kuras regulē mazas RNS, kuru secība to papildina. Ja mazā RNS pievienojas ziņojumam, tā var nodzēst kurjeru, tādējādi novēršot tā tulkošanu. Šādi regulē vairākus procesus.

Atsauces

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2015). Būtiskā šūnu bioloģija. Garland zinātne.
2. Bergs, JM, Tymoczko, JL, Stryer, L. (2002). Bioķīmija. 5. izdevums. WH Freeman.
3. Kūpers, GM, un Hausmans, RE (2000). Šūna: molekulārā pieeja. Sinauer Associates.
4. Curtis, H., & Barnes, NS (1994). Ielūgums uz bioloģiju. Makmillans.
5. Fierro, A. (2001). DNS struktūras atklāšanas īsa vēsture. Rev Méd Clínica Las Condes, 20, 71-75.
6. Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) DNS un DNS replikācijas iekārtu rašanās un attīstība. In: Madame Curie Bioscience Database. Ostina (TX): Landes Bioscience.
7. Karp, G. (2009). Šūnu un molekulārā bioloģija: jēdzieni un eksperimenti. Džons Vilijs un dēli.
8. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). Evolūcijas pāreja no RNS uz DNS agrīnajās šūnās. Žurnāls par molekulāro evolūciju, 27. (4), 283–290.
9. Lodish, H., Berks, A., Darnell, JE, Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP,… & Matsudaira, P. (2008). Molekulāro šūnu bioloģija. Makmillans.
10. Voet, D., & Voet, JG (2006). Bioķīmija. Panamerican Medical Ed.
11. Voet, D., Voet, JG, & Pratt, CW (1999). Bioķīmijas pamati. Ņujorka: Džons Vilejs un dēli.