NUKLEINSYROR: EGENSKAPER, FUNKTIONER, STRUKTUR - BIOLOGI - 2025

De nukleinsyror är stora biomolekyler som bildas av enheter eller monomerer som kallas nukleotider. De ansvarar för lagring och överföring av genetisk information. De deltar också i vart och ett av proteinsyntesstegen.

Strukturellt består varje nukleotid av en fosfatgrupp, en femkolsocker och en heterocyklisk kvävebas (A, T, C, G och U). Vid fysiologiskt pH är nukleinsyror negativt laddade, lösliga i vatten, bildar viskösa lösningar och är ganska stabila.

Källa: pixabay.com

Det finns två huvudtyper av nukleinsyror: DNA och RNA. Kompositionen för båda nukleinsyrorna är likartad: i båda hittar vi en serie nukleotider kopplade till fosfodiesterbindningar. Men i DNA hittar vi tymin (T) och i RNA uracil (U).

DNA är längre och är i en dubbel spiralformning och RNA består av en enda sträng. Dessa molekyler finns i alla levande organismer, från virus till stora däggdjur.

Historiskt perspektiv

Upptäckt av nukleinsyror

Upptäckten av nukleinsyror går tillbaka till 1869 när Friedrich Miescher identifierade kromatin. I sina experiment extraherade Miescher ett gelatinöst material från kärnan och upptäckte att denna substans var rik på fosfor.

Ursprungligen betecknades materialet av en mystisk natur som "nuklein". Senare experiment på nuklein drog slutsatsen att den inte bara är rik på fosfor utan också på kolhydrater och organiska baser.

Phoebus Levene fann att nuklein var en linjär polymer. Även om de grundläggande kemiska egenskaperna hos nukleinsyror var kända, ansågs det inte att det fanns ett samband mellan denna polymer och det ärftliga materialet från levande saker.

Upptäckt av funktionen av DNA

I mitten av 1940-talet var det övertygande för tidens biologer att molekylen som ansvarade för överföring och lagring av en organisms information bodde i en molekyl med en så enkel konformation som DNA - sammansatt av fyra mycket liknande monomerer (nukleotider) varje.

Proteiner, polymerer som består av 20 typer av aminosyror, tycktes vid tiden vara de mest troliga kandidaterna till ärftmolekylen.

Denna uppfattning förändrades 1928, då forskaren Fred Griffith misstänkte att kärnan var involverad i ärftlighet. Slutligen lyckades Oswald Avery 1944 sluta med robust bevis för att DNA innehöll genetisk information.

Således gick DNA från att vara en tråkig och monoton molekyl, som består av endast fyra byggstenar, till en molekyl som tillåter lagring av ett enormt antal information, och som kan bevara och överföra den på ett exakt, exakt och effektivt sätt.

Upptäckt av DNA-strukturen

Året 1953 var revolutionerande för biologiska vetenskaper, eftersom forskarna James Watson och Francis Crick klargjorde den korrekta strukturen av DNA.

Baserat på analyserna av röntgenreflektionsmönstret antydde Watson och Cricks resultat att molekylen är en dubbel spiral, där fosfatgrupperna bildar en yttre ryggraden och baserna skjuter ut i det inre.

Analogin av en stege används vanligtvis, där ledstängerna motsvarar fosfatgrupperna och rullarna till baserna.

Upptäckt av DNA-sekvensering

Under de senaste två decennierna har extraordinära framsteg inom biologi skett, leds av DNA-sekvensering. Tack vare tekniska framsteg har vi idag den nödvändiga tekniken för att känna till DNA-sekvensen med ganska hög precision - med "sekvens" menar vi basernas ordning.

Till att börja med var att belysa sekvensen en dyr händelse och det tog lång tid att slutföra. För närvarande är det inte ett problem att känna till hela genomens sekvens.

egenskaper

Laddning och löslighet

Som namnet antyder är arten av nukleinsyror sura och de är molekyler med hög löslighet i vatten; de är hydrofila. Vid fysiologiskt pH är molekylen negativt laddad på grund av närvaron av fosfatgrupper.

Som en konsekvens av detta är proteinerna med vilka DNA är associerade rika på aminosyrarester med positiva laddningar. Rätt koppling av DNA är avgörande för dess förpackning i celler.

Viskositet

Viskositeten för nukleinsyran beror på om det är dubbel- eller enkelband. Dubbelband-DNA bildar lösningar med hög viskositet, eftersom dess struktur är styv och motstår deformation. Dessutom är de extremt långa molekyler i förhållande till deras diameter.

Däremot finns det också en-band nukleinsyralösningar, som kännetecknas av låg viskositet.

Stabilitet

Ett annat kännetecken för nukleinsyror är deras stabilitet. Naturligtvis måste en molekyl med en så oumbärlig uppgift som lagring av arv vara mycket stabil.

Jämförelsevis är DNA mer stabilt än RNA, eftersom det saknar en hydroxylgrupp.

Det är möjligt att denna kemiska egenskap spelade en viktig roll i utvecklingen av nukleinsyror och i valet av DNA som ärftligt material.

Enligt de hypotetiska övergångar som föreslagits av vissa författare ersattes RNA av DNA i den evolutionära processen. Men idag finns det några virus som använder RNA som genetiskt material.

Absorption av ultraviolett ljus

Absorptionen av nukleinsyror beror också på om det är dubbelband eller enkelband. Absorptionstoppen för ringarna i deras struktur är 260 nanometer (nm).

När dubbelbands-DNA-strängen börjar separeras, ökar absorptionen vid ovannämnda våglängd, eftersom ringarna som utgör nukleotiderna exponeras.

Denna parameter är viktig för molekylärbiologer i laboratoriet, eftersom de genom att mäta upptag kan uppskatta mängden DNA som finns i deras prover. I allmänhet bidrar kunskap om DNA: s egenskaper till dess rening och behandling i laboratorier.

Klassificering (typer)

De två huvudnukleinsyrorna är DNA och RNA. Båda är komponenter i alla levande saker. DNA står för deoxyribonukleinsyra och RNA för ribonukleinsyra. Båda molekylerna spelar en grundläggande roll i ärftlighet och proteinsyntes.

DNA är molekylen som lagrar all information som är nödvändig för utvecklingen av en organisme och grupperas i funktionella enheter som kallas gener. RNA ansvarar för att ta denna information och översätter informationen från proteinkomplex från en kedja av nukleotider till en kedja av aminosyror.

RNA-strängar kan vara några hundra eller några tusen nukleotider långa, medan DNA-strängar överskrider miljoner nukleotider och kan visualiseras under ljuset från ett optiskt mikroskop om de är färgade med färgämnen.

De grundläggande strukturella skillnaderna mellan båda molekylerna kommer att beskrivas i nästa avsnitt.

RNA

I celler finns det olika typer av RNA som tillsammans arbetar för att orkestrera proteinsyntes. De tre huvudtyperna av RNA är messenger, ribosomal och transfer.

Messenger RNA

Messenger RNA ansvarar för att kopiera meddelandet som finns i DNA och transportera det till proteinsyntesen som sker i strukturer som kallas ribosomer.

Ribosomalt eller ribosomalt RNA

Ribosomalt RNA finns som en del av detta viktiga maskineri: ribosomen. Av ribosomen består 60% av ribosom RNA och resten upptas av nästan 80 olika proteiner.

Överför RNA

Transfer RNA är en typ av molekylär adapter som transporterar aminosyror (byggstenarna för proteiner) till ribosomen, som ska införlivas.

Liten RNA

Förutom dessa tre grundläggande typer finns det ett antal ytterligare RNA som nyligen har upptäckts som spelar en viktig roll i proteinsyntes och genuttryck.

Små kärnkrafts-RNA, förkortade som snRNA, deltar som katalytiska enheter i skarvningen (processen som består av avlägsnande av introner) från messenger-RNA.

Små nukleolära RNA: er eller snoRNA: er är involverade i behandlingen av pre-ribosomala RNA-transkript som utgör en del av ribosomsubenheten. Detta inträffar i kärnan.

Kort störande RNA och mikroRNA är små RNA-sekvenser vars huvudroll är moduleringen av genuttryck. MicroRNA kodas från DNA, men deras översättning till proteiner fortsätter inte. De är enkelsträngade och kan komplettera ett meddelande-RNA och hämmar dess translation till proteiner.

Struktur och kemisk sammansättning

Nukleinsyror är långa polymerkedjor som består av monomera enheter som kallas nukleotider. Var och en består av:

En fosfatgrupp

Det finns fyra typer av nukleotider och de har en gemensam struktur: en fosfatgrupp kopplad till en pentos genom en fosfodiesterbindning. Närvaron av fosfater ger molekylen en sur karaktär. Fosfatgruppen är dissocierad vid cellens pH, så den är negativt laddad.

Denna negativa laddning möjliggör förening av nukleinsyror med molekyler vars laddning är positiv.

Små mängder av nukleosider finns i celler och även i extracellulära vätskor. Dessa är molekyler som består av alla komponenter i en nukleotid, men som saknar fosfatgrupper.

Enligt denna nomenklatur är en nukleotid en nukleosid som har en, två eller tre fosfatgrupper förestrade vid hydroxylen belägen vid 5'-kolet. Nukleosider med tre fosfater är involverade i syntesen av nukleinsyror, även om de också uppfyller andra funktioner i cellen.

En pentos

En pentos är ett monomer kolhydrat som består av fem kolatomer. I DNA är pentos en deoxiribos, som kännetecknas av förlusten av en hydroxylgrupp vid kol 2 '. I RNA är pentos en ribos.

En kvävehaltig bas

Pentosen är i sin tur bunden till en organisk bas. Nukleotidens identitet tillhandahålls av basens identitet. Det finns fem typer, förkortade av deras initialer: adenin (A), guanin (G), cytosin (C), tymin (T) och uracil (U).

Det är vanligt i litteraturen att vi finner att dessa fem bokstäver används för att hänvisa till hela nukleotiden. Men strikt sett är dessa bara en del av nukleotiden.

De första tre, A, G och C, är gemensamma för både DNA och RNA. Medan T är unikt för DNA och uracil är begränsat till RNA-molekylen.

Strukturellt sett är baser heterocykliska kemiska föreningar, vars ringar består av kol- och kvävemolekyler. A och G bildas av ett par smälta ringar och tillhör gruppen puriner. De återstående baserna tillhör pyrimidinerna och deras struktur består av en enda ring.

Det är vanligt att i båda typerna av nukleinsyror hittar vi en serie modifierade baser, till exempel en ytterligare metylgrupp.

När denna händelse inträffar säger vi att basen är metylerad. I prokaryoter finns metylerade adeniner vanligtvis, och i både prokaryoter och eukaryoter kan cytosiner ha en ytterligare metylgrupp.

Hur sker polymerisation?

Som vi nämnde är nukleinsyror långa kedjor som består av monomerer - nukleotider. För att bilda kedjorna är dessa kopplade på ett visst sätt.

När nukleotider polymeriserar, bildar hydroxylgruppen (-OH) som finns på 3'-kolet i sockret i en av nukleotiderna en esterbindning med fosfatgruppen från en annan nukleotidmolekyl. Under bildandet av denna bindning sker avlägsnandet av en vattenmolekyl.

Denna typ av reaktion kallas en "kondensationsreaktion", och den är mycket lik den som uppstår när peptidbindningar i proteiner bildas mellan två aminosyrarester. Bindningarna mellan varje par nukleotider kallas fosfodiesterbindningar.

Precis som i polypeptider har nukleinsyrakedjor två kemiska orienteringar i sina ändar: en är 5'-änden som innehåller en fri hydroxylgrupp eller en fosfatgrupp på 5'-kolet i det slutliga sockret, medan det i den 3 änden ´ vi hittar en fri hydroxylgrupp av kol 3´.

Låt oss föreställa oss att varje DNA-block är en Lego-uppsättning, med en ände som är insatt och med ett fritt hål där införandet av ett annat block kan inträffa. 5'-änden med fosfat kommer att vara den ände som ska sättas in och 3 'är analog med det fria hålet.

Andra nukleotider

I cellen hittar vi en annan typ av nukleotider med en annan struktur än den som nämns ovan. Även om dessa inte kommer att ingå i nukleinsyrorna, spelar de mycket viktiga biologiska roller.

Bland de mest relevanta har vi riboflavinmononukleotid, känd som FMN, koenzym A, adenindinukleotid och nikotinamin.

RNA-struktur

Den linjära strukturen för nukleinsyrapolymeren motsvarar den primära strukturen för dessa molekyler. Polynukleotider har också förmågan att bilda tredimensionella matriser stabiliserade av icke-kovalenta krafter - liknande vikningen som finns i proteiner.

Även om den primära sammansättningen av DNA och RNA är ganska lik (med undantag för de ovan nämnda skillnaderna), är utformningen av deras struktur markant annorlunda. RNA finns ofta som en enda nukleotidkedja, även om det kan ta olika arrangemang.

Överförings-RNA är till exempel små molekyler som består av mindre än 100 nukleotider. Dess typiska sekundära struktur är i form av en klöver med tre armar. Det vill säga RNA-molekylen hittar komplementära baser inuti och kan vikas på sig själv.

Ribosomala RNA är större molekyler som tar på sig komplexa tredimensionella konformationer och uppvisar sekundär och tertiär struktur.

DNA-struktur

Dubbel helix

Till skillnad från linjärt RNA består DNA-arrangemanget av två sammanflätade strängar. Denna strukturella skillnad är avgörande för att utföra sina specifika funktioner. RNA kan inte bilda denna typ av helices på grund av ett steriskt hinder som införts av den ytterligare OH-gruppen som dess socker presenterar.

Grundkomplementaritet

Det finns komplementaritet mellan baserna. Det är, som en konsekvens av deras storlek, form och kemiska sammansättning, måste puriner kopplas ihop med en pyrimidin genom vätebindningar. Av detta skäl finner vi i naturligt DNA att A nästan alltid är parat med T och G med C, och bildar vätebindningar med sina partners.

Basparna mellan G och C är länkade av tre vätebindningar, medan par A och T är svagare, och endast två vätebindningar håller dem samman.

DNA-strängar kan separeras (detta inträffar både i cellen och i laboratorieprocedurer) och den värme som krävs beror på mängden GC i molekylen: ju större den är, desto mer energi tar det för att separera den.

Strandorientering

Ett annat kännetecken för DNA är dess motsatta orientering: medan en tråd löper i 5'-3 '-riktningen, löper sin partner i 3'-5'-riktningen.

Naturliga konformationer och i laboratoriet

Strukturen eller konformationen som vi normalt hittar i naturen kallas DNA B. Detta kännetecknas av att ha 10,4 nukleotider för varje varv, åtskilda med ett avstånd på 3,4. DNA B svänger till höger.

Detta lindningsmönster resulterar i utseendet på två furer, en större och en mindre.

I nukleinsyror som bildas i laboratoriet (syntetisk) kan andra konformationer hittas, som också förekommer under mycket specifika förhållanden. Dessa är DNA A och DNA Z.

Variant A gör också svängen åt höger, även om den är kortare och något bredare än den naturliga. Molekylen tar denna form när fuktigheten minskar. Den roterar vart elva baspar.

Den sista varianten är Z, kännetecknad av att den är smal och genom att svänga åt vänster. Det bildas av en grupp hexanukleotider som grupperas i en duplex av antiparallella kedjor.

Funktioner

DNA: ärftlig molekyl

DNA är en molekyl som kan lagra information. Livet som vi känner till det på vår planet beror på förmågan att lagra och översätta sådan information.

För cellen är DNA ett slags bibliotek där alla nödvändiga instruktioner för tillverkning, utveckling och underhåll av en levande organisme finns.

I DNA-molekylen hittar vi en organisation av diskreta funktionella enheter som kallas gener. Vissa av dem kommer att transporteras upp till proteiner, medan andra kommer att uppfylla regleringsfunktioner.

Strukturen för DNA som vi beskriver i föregående avsnitt är nyckeln till att utföra dess funktioner. Helixen måste kunna separera och gå enkelt samman - en viktig egenskap för replikering och transkriptionshändelser.

DNA finns i prokaryoter på ett specifikt ställe i deras cytoplasma, medan det i eukaryoter är beläget i kärnan.

RNA: en multifunktionell molekyl

Roll i proteinsyntes

RNA är en nukleinsyra som vi hittar i olika stadier av proteinsyntes och i regleringen av genuttryck.

Proteinsyntes börjar med transkriptionen av det krypterade meddelandet i DNA till en messenger-RNA-molekyl. Därefter måste budbäraren eliminera de delar som inte kommer att översättas, kända med namnet på introner.

För översättning av RNA-meddelandet till aminosyrarester krävs ytterligare två komponenter: det ribosomala RNA som är en del av ribosomerna, och överförings-RNA, som kommer att bära aminosyrorna och kommer att ansvara för att införa rätt aminosyra i peptidkedjan. I träning.

Med andra ord spelar varje viktig typ av RNA en kritisk roll i denna process. Denna övergång från DNA till budbärar-RNA och slutligen till proteiner är vad biologer kallar "det centrala dogmen i biologin."

Eftersom vetenskapen inte kan baseras på dogmer, finns det dock olika fall där förutsättningen inte uppfylls, till exempel retrovirus.

Regleringsroll

De små ovan nämnda RNA deltar indirekt i syntesen, orkestrerar syntesen av messenger-RNA och deltar i regleringen av uttrycket.

Till exempel finns det i cellen olika messenger-RNA som regleras av små RNA, som har en sekvens som är komplementär till detta. Om det lilla RNA fästs vid meddelandet, kan det klyva budbäraren och därmed förhindra dess översättning. Det finns flera processer som regleras på detta sätt.

referenser

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M., … & Walter, P. (2015). Väsentlig cellbiologi. Garland Science.
2. Berg, JM, Tymoczko, JL, Stryer, L. (2002). Biokemi. 5: e upplagan. WH Freeman.
3. Cooper, GM, & Hausman, RE (2000). Cellen: Molekylär inställning. Sinauer Associates.
4. Curtis, H., & Barnes, NS (1994). Inbjudan till biologi. Macmillan.
5. Fierro, A. (2001). Kort historia om upptäckten av DNA-strukturen. Rev Méd Clínica Las Condes, 20, 71-75.
6. Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) Ursprung och utveckling av DNA och DNA-replikeringsmaskiner. I: Madame Curie Bioscience Database. Austin (TX): Landes Bioscience.
7. Karp, G. (2009). Cell- och molekylärbiologi: begrepp och experiment. John Wiley & Sons.
8. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). Den evolutionära övergången från RNA till DNA i tidiga 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). Molekylär cellbiologi. Macmillan.
10. Voet, D., & Voet, JG (2006). Biokemi. Panamerican Medical Ed.
11. Voet, D., Voet, JG, & Pratt, CW (1999). Grundläggande i biokemi. New York: John Willey and Sons.