De fosfodiesterbindinger er kovalente bindinger som forekommer mellom to av oksygenatomene i en fosfatgruppe og hydroksylgrupper i to forskjellige molekyler. I denne typen binding fungerer fosfatgruppen som en stabil bindende "bro" mellom de to molekylene gjennom oksygenatomene deres.
Den grunnleggende rollen til fosfodiesterbindinger i naturen er dannelsen av nukleinsyrekjeder, både DNA og RNA. Sammen med pentosesukkeret (deoksyribose eller ribose, som tilfellet er), er fosfatgruppene en del av bærestrukturen til disse viktige biomolekylene.
Fosfodiesterbinding i DNA-skjelettet (Kilde: Fil: Phosphodiester bond.png, Fil: PhosfodiesterBondDiagram.png: Bruker: G3pro (snakk) Bruker: G3pro på en.wikipedia.org Derivativt arbeid: Bruker: Merops (snakk) Derivatarbeid: Bruker : Deneapol (diskusjon) Derivativt arbeid: Bruker: KES47 (snakk) Teksttilpasninger: Incnis Mrsi (snakk) Teksttilpasninger: DMacks (snakk)) Derivatarbeid: Bruker: Miguelferig (snakk) med ionisering, via Wikimedia Commons)
Nukleotidkjedene til DNA eller RNA, som proteiner, kan anta forskjellige tredimensjonale konformasjoner som er stabilisert av ikke-kovalente bindinger, for eksempel hydrogenbindinger mellom komplementære baser.
Imidlertid er den primære strukturen gitt av den lineære sekvensen av nukleotider kovalent bundet via fosfodiesterbindinger.
Hvordan dannes en fosfodiesterbinding?
Som peptidbindinger i proteiner og glykosidbindinger mellom monosakkarider, er fosfodiesterbindinger resultatet av dehydratiseringsreaksjoner der et vannmolekyl går tapt. Her er det generelle skjemaet for en av disse dehydrasjonsreaksjonene:
HX 1 -OH + HX 2 -OH → HX 1 X 2 -OH + H 2 O
Fosfationer tilsvarer den fullstendig avprotonerte konjugatbasen av fosforsyre og kalles uorganiske fosfater, hvis forkortelse betegnes Pi. Når to fosfatgrupper er koblet sammen, dannes en vannfri fosfatbinding, og et molekyl kjent som uorganisk pyrofosfat eller PPi.
Når et fosfation er bundet til et karbonatom i et organisk molekyl, kalles den kjemiske bindingen en fosfatester, og den resulterende arten er et organisk monofosfat. Hvis det organiske molekylet binder seg til mer enn en fosfatgruppe, dannes organiske difosfater eller trifosfater.
Når et enkelt uorganisk fosfatmolekyl er festet til to organiske grupper, brukes en fosfodiester eller "fosfatdiester" -binding. Det er viktig å ikke forveksle fosfodiesterbindinger med fosfoanhydrobindinger med høy energi mellom fosfatgruppene av molekyler som ATP, for eksempel.
Forskjeller mellom fosfater og fosforyler (Kilde: Strater, via Wikimedia Commons)
Fosfodiesterkoblinger mellom tilstøtende nukleotider består av to fosfoesterbindinger som oppstår mellom hydroksylen i 5'-stillingen til ett nukleotid og hydroksylen i 3'-stillingen til det neste nukleotid i en DNA- eller RNA-streng.
Avhengig av miljøforholdene kan disse bindingene hydrolyseres både enzymatisk og ikke-enzymatisk.
Enzymer involvert
Dannelse og brudd på kjemiske bindinger er avgjørende for alle viktige prosesser slik vi kjenner dem, og tilfellet med fosfodiesterbindinger er intet unntak.
Blant de viktigste enzymene som kan danne disse bindingene er DNA- eller RNA-polymeraser og ribozymer. Fosfodiesteraseenzymer er i stand til å hydrolysere dem.
Under replikasjon blir en avgjørende prosess for celleproliferasjon, i hver reaksjonssyklus, inkorporert et dNTP (deoksynukleotid-trifosfat) komplementært til malbasen i DNA gjennom en nukleotidoverføringsreaksjon.
Polymerasen er ansvarlig for å danne en ny binding mellom 3'-OH i templatestrengen og a-fosfat av dNTP, takket være energien som frigjøres fra brudd på bindingene mellom a- og p-fosfatene til dNTP, som er koblet av fosfoanhydrobindinger.
Resultatet er utvidelsen av kjeden med ett nukleotid og frigjøring av et molekyl med pyrofosfat (PPi). Det er blitt bestemt at disse reaksjonene fortjener to divalente magnesiumioner (Mg 2+ ), hvis tilstedeværelse tillater elektrostatisk stabilisering av nukleofil OH - for å oppnå tilnærmingen mot det aktive setet for enzymet.
PKa en av en fosfodiesterbinding i nærheten av 0, slik at i en vandig oppløsning disse bindinger er fullstendig ionisert, negativt ladet.
Dette gir nukleinsyremolekyler en negativ ladning, som nøytraliseres takket være ioniske interaksjoner med de positive ladningene av proteinaminosyrerester, elektrostatisk binding til metallioner, eller assosiasjon med polyaminer.
I en vandig løsning er fosfodiesterbindingene i DNA-molekyler mye mer stabile enn i RNA-molekyler. I en alkalisk oppløsning spaltes disse bindingene i RNA-molekyler ved intramolekylær fortrengning av nukleosidet ved 5'-enden med en 2 'oksyanion.
Funksjon og eksempler
Som nevnt er den mest relevante rollen til disse bindingene deres deltakelse i dannelsen av ryggraden til nukleinsyremolekyler, som er en av de viktigste molekylene i den celleverdenen.
Aktiviteten til topoisomerase-enzymer, som aktivt deltar i DNA-replikasjon og proteinsyntese, avhenger av interaksjonen mellom fosfodiesterbindingene ved 5'-enden av DNA med sidekjeden av tyrosinrester i det aktive stedet for disse enzymer.
Molekyler som deltar som andre budbringere, som syklisk adenosinmonofosfat (cAMP) eller syklisk guanosintriphosfat (cGTP), har fosfodiesterbindinger som er hydrolysert av spesifikke enzymer kjent som fosfodiesteraser, hvis deltakelse er av største betydning for mange signalprosesser mobilnettet.
Glyserofosfolipider, grunnleggende komponenter i biologiske membraner, er sammensatt av et glyserolmolekyl som er bundet via fosfodiesterbindinger til de polare "hode" -gruppene som utgjør den hydrofile regionen i molekylet.
referanser
- Fothergill, M., Goodman, MF, Petruska, J., & Warshel, A. (1995). Struktur-energianalyse av rollen til metallioner i fosfodiesterbindinghydrolyse ved DNA Polymerase I. Journal of the American Chemical Society, 117 (47), 11619-11627.
- Lodish, H., Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Martin, K. (2003). Molecular Cell Biology (5. utg.). Freeman, WH & Company.
- Nakamura, T., Zhao, Y., Yamagata, Y., Hua, YJ, & Yang, W. (2012). Se på DNA-polymerase η lage en fosfodiesterbinding. Nature, 487 (7406), 196-201.
- Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Lehninger prinsipper for biokjemi. Omega Editions (5. utg.)
- Oivanen, M., Kuusela, S., & Lönnberg, H. (1998). Kinetikk og mekanismer for spaltning og isomerisering av fosfodiesterbindinger av RNA ved bronssted-syrer og baser. Chemical Reviews, 98 (3), 961-990.
- Pradeepkumar, PI, Höbartner, C., Baum, D., & Silverman, S. (2008). DNA-katalysert dannelse av nukleopeptidbindinger. Angewandte Chemie International Edition, 47 (9), 1753–1757.
- Soderberg, T. (2010). Organisk kjemi med en biologisk vekt Volum II (bind II). Minnesota: University of Minnesota Morris Digital Well. Hentet fra www.digitalcommons.morris.umn.edu