NUKLEINSYRER: EGENSKAPER, FUNKSJONER, STRUKTUR - BIOLOGI - 2026

De nukleinsyrer er store biomolekyler dannet av enheter eller monomerer som kalles nukleotider. De har ansvaret for lagring og overføring av genetisk informasjon. De deltar også i hvert av trinnene i proteinsyntese.

Strukturelt består hvert nukleotid av en fosfatgruppe, en fem-karbon sukker og en heterocyklisk nitrogenbase (A, T, C, G og U). Ved fysiologisk pH er nukleinsyrer negativt ladet, løselige i vann, danner viskøse oppløsninger og er ganske stabile.

Kilde: pixabay.com

Det er to hovedtyper av nukleinsyrer: DNA og RNA. Sammensetningen av begge nukleinsyrene er lik: hos begge finner vi en serie nukleotider koblet med fosfodiesterbindinger. Imidlertid i DNA finner vi timin (T) og i RNA uracil (U).

DNA er lengre og er i en dobbel helixkonformasjon og RNA består av en enkelt streng. Disse molekylene er til stede i alle levende organismer, fra virus til store pattedyr.

Historisk perspektiv

Oppdagelse av nukleinsyrer

Oppdagelsen av nukleinsyrer stammer fra 1869 da Friedrich Miescher identifiserte kromatin. I sine eksperimenter hentet Miescher ut et gelatinøst materiale fra kjernen og oppdaget at dette stoffet var rikt på fosfor.

Opprinnelig ble materialet av en mystisk natur betegnet som "nuclein". Senere eksperimenter på nuklein konkluderte med at den ikke bare er rik på fosfor, men også på karbohydrater og organiske baser.

Phoebus Levene fant ut at nuclein var en lineær polymer. Selv om de grunnleggende kjemiske egenskapene til nukleinsyrer var kjent, ble det ikke vurdert at det var en sammenheng mellom denne polymeren og det arvelige materialet fra levende ting.

Oppdagelse av funksjonen til DNA

På midten av 1940-tallet var det ikke overbevisende for biologer på det tidspunktet at molekylet som var ansvarlig for overføring og lagring av en organisms informasjon, bodde i et molekyl med en så konformasjon som DNA - sammensatt av fire veldig like monomerer (nukleotider) Hver.

Proteiner, polymerer som består av 20 typer aminosyrer, syntes på det tidspunktet de mest sannsynlige kandidatene å være arvelighetsmolekylet.

Dette synet endret seg i 1928, da forsker Fred Griffith mistenkte at nuklein var involvert i arvelighet. Til slutt, i 1944, klarte Oswald Avery å konkludere med robuste bevis for at DNA inneholdt genetisk informasjon.

Dermed gikk DNA fra å være et kjedelig og monotont molekyl, bestående av bare fire byggesteiner, til et molekyl som tillater lagring av et enormt antall informasjon, og som kan bevare og overføre det på en presis, nøyaktig og effektiv måte.

Oppdagelse av strukturen til DNA

Året 1953 var revolusjonerende for biologiske vitenskaper, da forskerne James Watson og Francis Crick belyste riktig struktur av DNA.

Basert på analysene av røntgenrefleksjonsmønstrene antydet Watson og Cricks resultater at molekylet er en dobbel helix, der fosfatgruppene danner en ytre ryggrad og basene projiserer inn i det indre.

Analogien til en stige brukes vanligvis, der rekkverk tilsvarer fosfatgruppene og trinnene til basene.

Oppdagelse av DNA-sekvensering

De siste to tiårene har ekstraordinære fremskritt innen biologi skjedd, ledet av DNA-sekvensering. Takket være teknologiske fremskritt har vi i dag den nødvendige teknologien for å kjenne DNA-sekvensen med ganske høy presisjon - med "sekvens" mener vi rekkefølgen på basene.

Opprinnelig var det en dyr hendelse å belyse sekvensen og det tok lang tid å fullføre. Det er foreløpig ikke noe problem å kjenne sekvensen til hele genomer.

kjennetegn

Lading og løselighet

Som navnet tilsier er arten av nukleinsyrer sure og de er molekyler med høy løselighet i vann; det vil si at de er hydrofile. Ved fysiologisk pH er molekylet negativt ladet, på grunn av tilstedeværelsen av fosfatgrupper.

Som en konsekvens av dette er proteinene som DNA er assosiert med rike på aminosyrerester med positive ladninger. Riktig tilknytning av DNA er avgjørende for pakking i celler.

viskositet

Viskositeten til nukleinsyren avhenger av om den er dobbelt- eller enkeltbånd. Dobbeltbånd-DNA danner løsninger med høy viskositet, siden strukturen er stiv og motstår deformasjon. Videre er de ekstremt lange molekyler i forhold til deres diameter.

I kontrast er det også enkeltbånd-nukleinsyreløsninger, som er preget av lav viskositet.

Stabilitet

Et annet kjennetegn ved nukleinsyrer er deres stabilitet. Naturligvis må et molekyl med en så uunnværlig oppgave som lagring av arv være veldig stabilt.

Til sammenligning er DNA mer stabilt enn RNA, siden det mangler en hydroksylgruppe.

Det er mulig at denne kjemiske egenskapen spilte en viktig rolle i utviklingen av nukleinsyrer og i valget av DNA som arvelig materiale.

I henhold til de hypotetiske overgangene som er foreslått av noen forfattere, ble RNA erstattet av DNA i den evolusjonsprosessen. Imidlertid er det i dag noen virus som bruker RNA som genetisk materiale.

Absorpsjon av ultrafiolett lys

Opptaket av nukleinsyrer avhenger også av om det er dobbeltbånd eller enkeltbånd. Opptakstoppen for ringene i deres struktur er 260 nanometer (nm).

Når dobbeltbåndets DNA-streng begynner å skilles, øker absorpsjonen ved den nevnte bølgelengden, siden ringene som utgjør nukleotidene blir utsatt.

Denne parameteren er viktig for molekylærbiologer i laboratoriet, fordi de ved å måle absorpsjon kan estimere mengden DNA som finnes i prøvene deres. Generelt bidrar kunnskap om DNA-egenskapene til rensing og behandling i laboratorier.

Klassifisering (typer)

De to viktigste nukleinsyrene er DNA og RNA. Begge deler er deler av alle levende ting. DNA står for deoksyribonukleinsyre og RNA for ribonukleinsyre. Begge molekylene spiller en grunnleggende rolle i arvelighet og proteinsyntese.

DNA er molekylet som lagrer all nødvendig informasjon for utvikling av en organisme, og er gruppert i funksjonelle enheter som kalles gener. RNA er ansvarlig for å ta denne informasjonen, og oversetter informasjonen fra en kjede av nukleotider til en kjede av aminosyrer sammen med proteinkomplekser.

RNA-strengene kan være noen hundre eller noen få tusen nukleotider lange, mens DNA-strengene overstiger millioner av nukleotider og kan visualiseres under lyset av et optisk mikroskop hvis de er farget med fargestoffer.

De grunnleggende strukturelle forskjellene mellom begge molekyler vil bli detaljert i neste avsnitt.

RNA

I celler er det forskjellige typer RNA som sammen arbeider for å orkestreere proteinsyntese. De tre hovedtyper av RNA er messenger, ribosomal og transfer.

Messenger RNA

Messenger RNA er ansvarlig for å kopiere meldingen som finnes i DNA og transportere den til proteinsyntesen som foregår i strukturer kalt ribosomer.

Ribosomalt eller ribosomalt RNA

Ribosomalt RNA finnes som en del av dette viktige maskineriet: ribosomet. Av ribosomet består 60% av ribosom RNA og resten er okkupert av nesten 80 forskjellige proteiner.

Overfør RNA

Transfer RNA er en slags molekylær adapter som transporterer aminosyrer (byggesteinene til proteiner) til ribosomet, som skal innarbeides.

Liten RNA

I tillegg til disse tre grunnleggende typene er det en rekke ekstra RNA som nylig har blitt oppdaget som spiller en viktig rolle i proteinsyntese og genuttrykk.

Små kjernefysiske RNA-er, forkortet som snRNA, deltar som katalytiske enheter i spleisingen (prosessen med å fjerne introner) av messenger-RNA.

Små nukleolare RNA eller snoRNA er involvert i behandlingen av pre-ribosomale RNA-transkripter som vil utgjøre en del av ribosomsubenheten. Dette forekommer i kjernen.

Korte forstyrrende RNA og mikroRNA er små RNA-sekvenser som har hovedrollen å modulere genuttrykk. MicroRNAs er kodet fra DNA, men deres oversettelse til proteiner fortsetter ikke. De er enkeltstrengede og kan utfylle en melding RNA, og hemmer oversettelsen til proteiner.

Struktur og kjemisk sammensetning

Nukleinsyrer er lange polymerkjeder som består av monomere enheter kalt nukleotider. Hver og en består av:

En fosfatgruppe

Det er fire typer nukleotider, og de har en felles struktur: en fosfatgruppe knyttet til en pentose gjennom en fosfodiesterbinding. Tilstedeværelsen av fosfater gir molekylet en sur karakter. Fosfatgruppen er dissosiert ved pH i cellen, så den er negativt ladet.

Denne negative ladningen gjør det mulig å assosiere nukleinsyrer med molekyler hvis ladning er positiv.

Små mengder nukleosider finnes i celler og også i ekstracellulære væsker. Dette er molekyler som består av alle komponentene i et nukleotid, men som mangler fosfatgrupper.

I henhold til denne nomenklaturen er et nukleotid et nukleosid som har en, to eller tre fosfatgrupper forestret ved hydroksylen som ligger ved 5 'karbon. Nukleosider med tre fosfater er involvert i syntesen av nukleinsyrer, selv om de også har andre funksjoner i cellen.

En pentose

En pentose er et monomer karbohydrat som består av fem karbonatomer. I DNA er pentose en deoksyribose, som er preget av tap av en hydroksylgruppe ved karbon 2 '. I RNA er pentose en ribose.

En nitrogenholdig base

Pentosen er igjen bundet til en organisk base. Nukleotidets identitet tilveiebringes av identiteten til basen. Det er fem typer, forkortet av initialene: adenin (A), guanin (G), cytosin (C), timin (T) og uracil (U).

Det er vanlig i litteraturen at vi opplever at disse fem bokstavene brukes til å referere til hele nukleotidet. Strengt tatt er disse imidlertid bare en del av nukleotidet.

De tre første, A, G og C, er vanlige for både DNA og RNA. Mens T er unikt for DNA og uracil er begrenset til RNA-molekylet.

Strukturelt sett er baser heterocykliske kjemiske forbindelser, hvis ringer består av karbon- og nitrogenmolekyler. A og G dannes av et par smeltede ringer og tilhører gruppen puriner. De resterende basene hører til pyrimidinene og strukturen deres består av en enkelt ring.

Det er vanlig at vi i begge typer nukleinsyrer finner en serie modifiserte baser, for eksempel en ekstra metylgruppe.

Når denne hendelsen oppstår, sier vi at basen er metylert. I prokaryoter finnes metylerte adeniner vanligvis, og i både prokaryoter og eukaryoter kan cytosiner ha en ekstra metylgruppe.

Hvordan oppstår polymerisasjon?

Som vi nevnte, er nukleinsyrer lange kjeder som består av monomerer - nukleotider. For å danne kjedene er disse koblet på en spesiell måte.

Når nukleotider polymeriserer, danner hydroksylgruppen (-OH) funnet på 3 'karbon i sukkeret til et av nukleotidene en esterbinding med fosfatgruppen fra et annet nukleotidmolekyl. Under dannelsen av denne bindingen skjer fjerning av et vannmolekyl.

Denne typen reaksjoner kalles en "kondensasjonsreaksjon", og den er veldig lik den som oppstår når peptidbindinger i proteiner dannes mellom to aminosyrerester. Bindingene mellom hvert par nukleotider kalles fosfodiesterbindinger.

Som i polypeptider, har nukleinsyrekjeder to kjemiske orienteringer i endene: den ene er 5'-enden som inneholder en fri hydroksylgruppe eller en fosfatgruppe på 5'-karbonet i det endelige sukkeret, mens i den 3 enden ´ vi finner en fri hydroksylgruppe av karbon 3´.

La oss forestille oss at hver DNA-blokk er et Lego-sett, med en ende som er satt inn og med et fritt hull der innsetting av en annen blokk kan oppstå. 5'-enden med fosfat vil være enden som skal settes inn, og 3 'er analog med det frie hullet.

Andre nukleotider

I cellen finner vi en annen type nukleotider med en annen struktur enn den som er nevnt over. Selv om disse ikke vil være en del av nukleinsyrene, spiller de veldig viktige biologiske roller.

Blant de mest aktuelle har vi riboflavinmononukleotid, kjent som FMN, koenzym A, adenindinukleotid og nikotinamin.

RNA-struktur

Den lineære strukturen til nukleinsyrepolymeren tilsvarer den primære strukturen til disse molekylene. Polynukleotider har også muligheten til å danne tredimensjonale matriser stabilisert av ikke-kovalente krefter - ligner på foldingen som finnes i proteiner.

Selv om den primære sammensetningen av DNA og RNA er ganske lik (bortsett fra forskjellene nevnt ovenfor), er sammensetningen av strukturen deres betydelig forskjellig. RNA er ofte funnet som en enkelt nukleotidkjede, selv om det kan ta forskjellige arrangementer.

Overførings-RNA er for eksempel små molekyler som består av mindre enn 100 nukleotider. Den typiske sekundære strukturen er i form av en kløver med tre armer. Det vil si at RNA-molekylet finner komplementære baser inni og kan brette seg på seg selv.

Ribosomale RNA er større molekyler som tar på seg komplekse tredimensjonale konformasjoner og viser sekundær og tertiær struktur.

DNA-struktur

Dobbeltspiralen

I motsetning til lineært RNA, består DNA-arrangementet av to sammenflettede tråder. Denne strukturelle forskjellen er avgjørende for å utføre sine spesifikke funksjoner. RNA er ikke i stand til å danne denne typen helikser på grunn av en sterisk hindring påført av den ekstra OH-gruppen som sukkeret gir.

Grunnkomplementaritet

Det er komplementaritet mellom basene. Det er, som en konsekvens av deres størrelse, form og kjemiske sammensetning, må puriner koble seg sammen med et pyrimidin gjennom hydrogenbindinger. Av denne grunn finner vi i naturlig DNA at A nesten alltid er paret med T og G med C, og danner hydrogenbindinger med partnerne.

Baseparene mellom G og C er forbundet med tre hydrogenbindinger, mens parene A og T er svakere, og bare to hydrogenbindinger holder dem sammen.

DNA-tråder kan skilles (dette skjer både i cellen og i laboratorieprosedyrer), og varmen som kreves avhenger av mengden GC i molekylet: jo større den er, jo mer energi vil det ta å skille den.

Strandorientering

Et annet kjennetegn ved DNA er dens motsatte orientering: mens en streng løper i 5'-3'-retningen, løper partneren sin i 3'-5'-retningen.

Naturlige konformasjoner og i laboratoriet

Strukturen eller konformasjonen som vi normalt finner i naturen kalles DNA B. Dette kjennetegnes ved å ha 10,4 nukleotider for hver sving, atskilt med en avstand på 3,4. DNA B svinger til høyre.

Dette svingete mønsteret resulterer i utseendet til to furer, en større og en mindre.

I nukleinsyrer dannet i laboratoriet (syntetisk) kan andre konformasjoner finnes, som også vises under veldig spesifikke forhold. Dette er DNA A og DNA Z.

Variant A gjør også svingen til høyre, selv om den er kortere og noe bredere enn den naturlige. Molekylet tar denne formen når fuktigheten synker. Den roterer hvert 11. basepar.

Den siste varianten er Z, preget av å være smal og ved å vri til venstre. Det er dannet av en gruppe heksanukleotider som er gruppert i en dupleks med antiparallelle kjeder.

Egenskaper

DNA: arvelighetsmolekyl

DNA er et molekyl som kan lagre informasjon. Livet slik vi kjenner det på planeten vår, avhenger av evnen til å lagre og oversette slik informasjon.

For cellen er DNA et slags bibliotek der alle nødvendige instruksjoner for fremstilling, utvikling og vedlikehold av en levende organisme blir funnet.

I DNA-molekylet finner vi en organisasjon av diskrete funksjonelle enheter kalt gener. Noen av dem vil bli ført opp til proteiner, mens andre vil oppfylle reguleringsfunksjoner.

Strukturen av DNA som vi beskriver i forrige seksjon er nøkkelen til å utføre dens funksjoner. Helixen må være i stand til å skille seg enkelt og bli sammen - en sentral egenskap for replikasjons- og transkripsjonshendelser.

DNA finnes i prokaryoter på et spesifikt sted i deres cytoplasma, mens det i eukaryoter er lokalisert i kjernen.

RNA: et multifunksjonelt molekyl

Roll i proteinsyntese

RNA er en nukleinsyre som vi finner i forskjellige stadier av proteinsyntese og i regulering av genuttrykk.

Proteinsyntese begynner med transkripsjonen av den krypterte meldingen i DNA til et messenger-RNA-molekyl. Neste, messenger må eliminere delene som ikke vil bli oversatt, kjent med navnet introns.

For oversettelse av RNA-meldingen til aminosyrerester, er ytterligere to komponenter nødvendige: ribosomalt RNA som er en del av ribosomene, og overførings-RNA, som vil bære aminosyrene og vil være ansvarlig for å sette inn riktig aminosyre i peptidkjeden. Under opplæring.

Med andre ord, hver hovedtype av RNA spiller en kritisk rolle i denne prosessen. Denne passasjen fra DNA til messenger-RNA og til slutt til proteiner er det biologer kaller "biologiens sentrale dogme."

Ettersom vitenskapen ikke kan være basert på dogmer, er det imidlertid forskjellige tilfeller der denne forutsetningen ikke blir oppfylt, for eksempel retrovirus.

Reguleringsrolle

De små RNA-ene som er nevnt ovenfor deltar indirekte i syntesen, orkestrerer syntesen av messenger-RNA og deltar i reguleringen av uttrykk.

For eksempel er det i cellen forskjellige messenger-RNA-er som er regulert av små RNA-er, som har en sekvens som er komplementær til dette. Hvis det lille RNA festes til meldingen, kan det spalte messenger og dermed forhindre oversettelse. Det er flere prosesser som er regulert på denne måten.

referanser

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M., … & Walter, P. (2015). Essensiell cellebiologi. Garland Science.
2. Berg, JM, Tymoczko, JL, Stryer, L. (2002). Biokjemi. 5. utgave. WH Freeman.
3. Cooper, GM, & Hausman, RE (2000). Cellen: Molekylær tilnærming. Sinauer Associates.
4. Curtis, H., & Barnes, NS (1994). Invitasjon til biologi. Macmillan.
5. Fierro, A. (2001). Kort historie om oppdagelsen av strukturen til DNA. Rev Méd Clínica Las Condes, 20, 71-75.
6. Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) Origin and Evolution of DNA and DNA Replication Machineries. I: Madame Curie Bioscience Database. Austin (TX): Landes Bioscience.
7. Karp, G. (2009). Celle- og molekylærbiologi: konsepter og eksperimenter. John Wiley & Sons.
8. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). Den evolusjonære overgangen fra RNA til DNA i tidlige celler. Journal of molecular evolution, 27 (4), 283-290.
9. Lodish, H., Berk, A., Darnell, JE, Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP,… & Matsudaira, P. (2008). Molekylær cellebiologi. Macmillan.
10. Voet, D., & Voet, JG (2006). Biokjemi. Panamerican Medical Ed.
11. Voet, D., Voet, JG, & Pratt, CW (1999). Grunnleggende om biokjemi. New York: John Willey and Sons.