De fosfodiesterbindningar är kovalenta bindningar som inträffar mellan två av syreatomerna i en fosfatgrupp och hydroxylgrupper i två olika molekyler. I denna typ av bindning fungerar fosfatgruppen som en stabil bindande "bro" mellan de två molekylerna genom deras syreatomer.
Den grundläggande rollen för fosfodiesterbindningar i naturen är att bildandet av nukleinsyrakedjor, både DNA och RNA. Tillsammans med pentossockerarter (deoxiribos eller ribos, i förekommande fall), är fosfatgrupperna en del av bärande strukturen i dessa viktiga biomolekyler.
Fosfodiesterbindning i DNA-skelettet (Källa: File: Phosphodiester bond.png, File: PhosphodiesterBondDiagram.png: Användare: G3pro (prat) Användare: G3pro på en.wikipedia.org Derivatarbete: Användare: Merops (prat) Derivatarbete: Användare : Deneapol (prat) Derivatarbete: Användare: KES47 (prat) Textjusteringar: Incnis Mrsi (prat) Textjusteringar: DMacks (prat)) Derivatarbete: Användare: Miguelferig (prat) med jonisering, via Wikimedia Commons)
Nukleotidkedjorna för DNA eller RNA, liksom proteiner, kan anta olika tredimensionella konformationer som stabiliseras av icke-kovalenta bindningar, såsom vätebindningar mellan komplementära baser.
Emellertid ges den primära strukturen av den linjära sekvensen av nukleotider kovalent bundna via fosfodiesterbindningar.
Hur bildas en fosfodiesterbindning?
Liksom peptidbindningar i proteiner och glykosidbindningar mellan monosackarider, är fosfodiesterbindningar resultatet av dehydratiseringsreaktioner där en vattenmolekyl förloras. Här är det allmänna schemat för en av dessa dehydratiseringsreaktioner:
HX en -OH + HX 2 -OH → HX 1 -X 2 -OH + H 2 O
Fosfatjoner motsvarar den fullständigt avprotonerade konjugatbasen av fosforsyra och kallas oorganiska fosfater, vars förkortning betecknas Pi. När två fosfatgrupper kopplas samman bildas en vattenfri fosfatbindning och en molekyl som kallas oorganiskt pyrofosfat eller PPi erhålls.
När en fosfatjon är bunden till en kolatom i en organisk molekyl, kallas den kemiska bindningen en fosfatester, och den resulterande arten är ett organiskt monofosfat. Om den organiska molekylen binder till mer än en fosfatgrupp, bildas organiska difosfater eller trifosfater.
När en enda oorganisk fosfatmolekyl är bunden till två organiska grupper används en fosfodiester- eller "fosfatdiester" -bindning. Det är viktigt att inte förväxla fosfodiesterbindningar med fosfoanhydrobindningar med hög energi mellan fosfatgrupperna till exempel ATP.
Skillnader mellan fosfater och fosforyler (Källa: Strater, via Wikimedia Commons)
Fosfodiesterbindningar mellan intilliggande nukleotider består av två fosfoesteresterbindningar som förekommer mellan hydroxylen i 5'-positionen för en nukleotid och hydroxylen i 3'-positionen för nästa nukleotid i en DNA- eller RNA-sträng.
Beroende på miljöförhållandena kan dessa bindningar hydrolyseras både enzymatiskt och icke-enzymatiskt.
Enzymer inblandade
Bildningen och brytningen av kemiska bindningar är avgörande för alla viktiga processer som vi känner till dem, och fallet med fosfodiesterbindningar är inget undantag.
Bland de viktigaste enzymerna som kan bilda dessa bindningar är DNA- eller RNA-polymeraser och ribozymer. Fosfodiesterasenzymer kan hydrolysera enzymatiskt.
Under replikering införlivas en avgörande process för cellproliferation, i varje reaktionscykel, en dNTP (deoxynukleotidtrifosfat) komplementär till mallbasen i DNA genom en nukleotidöverföringsreaktion.
Polymeraset ansvarar för att bilda en ny bindning mellan 3'-OH i mallsträngen och a-fosfat av dNTP, tack vare energin som frigörs från brytningen av bindningarna mellan a- och p-fosfaterna i dNTP, som är kopplade med fosfoanhydrobindningar.
Resultatet är förlängningen av kedjan med en nukleotid och frisättningen av en molekyl med pyrofosfat (PPi). Det har fastställts att dessa reaktioner förtjänar två divalenta magnesiumjoner (Mg 2+ ), vars närvaro möjliggör elektrostatisk stabilisering av nukleofil OH - för att uppnå strategin mot det aktiva stället för enzymet.
PK a av en fosfodiesterbindning ligger nära 0, så i en vattenhaltig lösning dessa bindningar är fullständigt joniserad, negativt laddad.
Detta ger nukleinsyramolekyler en negativ laddning, som neutraliseras tack vare joniska interaktioner med de positiva laddningarna av proteinaminosyrarester, elektrostatisk bindning med metalljoner eller associering med polyaminer.
I en vattenlösning är fosfodiesterbindningarna i DNA-molekyler mycket mer stabila än i RNA-molekyler. I en alkalisk lösning klyvs dessa bindningar i RNA-molekyler genom intramolekylär förskjutning av nukleosiden vid 5'-änden med en 2'-oxyanion.
Funktion och exempel
Som nämnts är den mest relevanta rollen för dessa bindningar deras deltagande i bildandet av ryggraden i nukleinsyramolekyler, som är en av de viktigaste molekylerna i cellvärlden.
Aktiviteten hos topoisomerasenzymer, som aktivt deltar i DNA-replikering och proteinsyntes, beror på interaktionen av fosfodiesterbindningarna vid 5'-änden av DNA med sidokedjan av tyrosinrester i det aktiva stället för dessa enzymer.
Molekyler som deltar som andra budbärare, såsom cyklisk adenosinmonofosfat (cAMP) eller cyklisk guanosintrifosfat (cGTP), har fosfodiesterbindningar som hydrolyseras av specifika enzymer kända som fosfodiesteraser, vars deltagande är av yttersta vikt för många signalprocesser cellulära.
Glycerofosfolipider, grundläggande komponenter i biologiska membran, består av en glycerolmolekyl som är fäst via fosfodiesterbindningar till de polära "huvud" -grupperna som utgör den hydrofila regionen i molekylen.
referenser
- Fothergill, M., Goodman, MF, Petruska, J., & Warshel, A. (1995). Struktur-energi-analys av rollen för metalljoner i fosfodiesterbindningshydrolys med DNA-polymeras 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: e upplagan). Freeman, WH & Company.
- Nakamura, T., Zhao, Y., Yamagata, Y., Hua, YJ, & Yang, W. (2012). Titta på DNA-polymeras η gör en fosfodiesterbindning. Nature, 487 (7406), 196-201.
- Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Lehninger principer för biokemi. Omega Editions (5: e upplagan)
- Oivanen, M., Kuusela, S., & Lönnberg, H. (1998). Kinetik och mekanismer för klyvning och isomerisering av fosfodiesterbindningarna av RNA med bronsttsyror och baser. Chemical Reviews, 98 (3), 961-990.
- Pradeepkumar, PI, Höbartner, C., Baum, D., & Silverman, S. (2008). DNA-katalyserad bildning av nukleopeptidbindningar. Angewandte Chemie International Edition, 47 (9), 1753–1757.
- Soderberg, T. (2010). Organisk kemi med biologisk betoning Volym II (vol. II). Minnesota: University of Minnesota Morris Digital Well. Hämtad från www.digitalcommons.morris.umn.edu