Kenmerken van nucleïnezuren

Inhoud

• Algemene kenmerken van DNA
• Algemene kenmerken van RNA
• De stikstofbasen
• Transcriptie en vertaling
• Van DNA-strengen tot chromosomen
• Nucleïnezuren en de opkomst van het leven
• Medische therapieën

Belangrijke nucleïnezuren in de natuur omvatten desoxyribonucleïnezuur of DNA en ribonucleïnezuur of RNA. Ze worden zuren genoemd omdat ze proton (d.w.z. waterstofatoom) donoren zijn en daarom dragen ze een negatieve lading.

Chemisch gezien zijn DNA en RNA polymeren, wat betekent dat ze bestaan ​​uit zich herhalende eenheden, vaak een zeer groot aantal. Deze eenheden worden genoemd nucleotiden. Alle nucleotiden bevatten op hun beurt drie verschillende chemische porties: een pentosesuiker, een fosfaatgroep en een stikstofbase.

DNA verschilt op drie manieren van RNA. De ene is dat het de suiker is die de structurele "ruggengraat" van het nucleïnezuurmolecuul vormt, terwijl het in RNA ribose is. Als u helemaal bekend bent met de chemische nomenclatuur, zult u herkennen dat dit een klein verschil is in het algehele structurele schema; ribose heeft vier hydroxyl (-OH) groepen, terwijl deoxyribose er drie heeft.

Het tweede verschil is dat hoewel een van de vier stikstofbasen in DNA thymine is, de overeenkomstige base in RNA uracil is. De stikstofbasen van nucleïnezuren bepalen de uiteindelijke eigenschappen van deze moleculen, omdat de porties fosfaat en suiker niet variëren binnen of tussen moleculen van hetzelfde type.

Ten slotte is DNA dubbelstrengig, wat betekent dat het bestaat uit twee lange ketens van nucleotiden die chemisch zijn gebonden door twee stikstofbasen. Het DNA is gewikkeld in een "dubbele helix" -vorm, zoals een flexibele ladder die aan beide uiteinden in tegengestelde richtingen is gedraaid.

Algemene kenmerken van DNA

Deoxyribose bestaat uit een ring met vijf atomen, vier koolstofatomen en een zuurstof, in de vorm van een vijfhoek of misschien thuisplaat in honkbal. Omdat koolstof vier bindingen vormt en zuurstof twee, laat dit acht bindingsplaatsen vrij op de vier koolstofatomen, twee per koolstof, één boven en één onder de ring. Drie van deze vlekken worden ingenomen door hydroxyl (-OH) groepen en vijf worden geclaimd door waterstofatomen.

Dit suikermolecuul kan zich binden aan een van de vier stikstofbasen: adenine, cytosine, guanine en thymine. Adenine (A) en guanine (G) zijn purines, terwijl cytosine (C) en thymine (T) pyrimidines zijn. Purines zijn grotere moleculen dan pyrimidines; omdat de twee strengen van elk compleet DNA-molecuul in het midden worden gebonden door hun stikstofbasen, moeten deze bindingen zich vormen tussen één purine en één pyrimidine om de totale grootte van de twee basen over het molecuul ongeveer constant te houden. (Het helpt om te verwijzen naar elk diagram van nucleïnezuren tijdens het lezen, zoals die in de referenties.) Het is namelijk dat A exclusief aan T in DNA bindt, terwijl C exclusief aan G bindt.

Deoxyribose gebonden aan een stikstofbase wordt a genoemd nucleoside. Wanneer een fosfaatgroep wordt toegevoegd aan deoxyribose op de koolstof twee plaatsen verwijderd van waar de base is bevestigd, wordt een volledig nucleotide gevormd. De eigenaardigheden van de respectieve elektrochemische ladingen op de verschillende atomen in nucleotiden zijn verantwoordelijk voor dubbelstrengs DNA dat van nature een spiraalvorm vormt, en de twee DNA-strengen in het molecuul worden genoemd complementaire strengen.

Algemene kenmerken van RNA

De pentosesuiker in RNA is ribose in plaats van deoxyribose. Ribose is identiek aan deoxyribose behalve dat de ringstructuur gebonden is aan vier hydroxyl (-OH) groepen en vier waterstofatomen in plaats van respectievelijk drie en vijf. Het ribose-gedeelte van een nucleotide is gebonden aan een fosfaatgroep en een stikstofbase, zoals bij DNA, waarbij alternerende fosfaten en suikers het RNA "skelet" vormen. De basen, zoals hierboven opgemerkt, omvatten A, C en G, maar het tweede pyrimidine in RNA is uracil (U) in plaats van T.

Terwijl DNA zich alleen bezighoudt met informatieopslag (een gen is gewoon een DNA-streng die codeert voor een enkel eiwit), nemen verschillende soorten RNA verschillende functies aan. Messenger RNA, of mRNA, wordt gemaakt van DNA wanneer het normaal dubbelstrengige DNA splitst in twee enkele strengen voor transcriptie. Het resulterende mRNA baant zich uiteindelijk een weg naar de delen van cellen waar eiwitproductie plaatsvindt, met de instructies voor dit proces afgeleverd door DNA. Een tweede type RNA, transfer RNA (tRNA), neemt deel aan de productie van eiwitten. Dit gebeurt op celorganellen die ribosomen worden genoemd, en ribosomen zelf bestaan ​​hoofdzakelijk uit een derde type RNA dat toepasselijk ribosomaal RNA (rRNA) wordt genoemd.

De stikstofbasen

De vijf stikstofbasen - adenine (A), cytosine (C), guanine (G) en thymine (T) in DNA en de eerste drie plus uracil (U) in RNA - zijn de delen van nucleïnezuren die uiteindelijk verantwoordelijk zijn voor de diversiteit van genproducten in levende wezens. De suiker- en fosfaatporties zijn essentieel omdat ze structuur en steigers bieden, maar de basis is waar de codes worden gegenereerd. Als u uw laptop beschouwt als een nucleïnezuur of op zijn minst een reeks nucelotiden, is de hardware (bijvoorbeeld schijfstations, monitorscherm, microprocessor) analoog aan de suikers en fosfaten, terwijl de software en apps die u gebruikt eruit zien stikstofhoudende basen, omdat het unieke assortiment programma's dat u op uw systeem hebt geladen, uw computer effectief tot een uniek "organisme" maakt.

Zoals eerder beschreven, worden stikstofbasen geclassificeerd als purines (A en G) of pyrimidines (C, T en U). A paren altijd in een DNA-streng met T, en C paren altijd met G. Belangrijk is dat wanneer een DNA-streng wordt gebruikt als een sjabloon voor RNA-synthese (transcriptie), op elk punt langs het groeiende RNA-molecuul, de RNA-nucleotide die wordt gecreëerd van de "ouder" DNA-nucleotide omvat de base die degene is waaraan de "ouder" -basis altijd bindt. Dit wordt in een verdere sectie onderzocht.

Purines bestaan ​​uit een zes-ledige stikstof-en-koolstofring en een vijf-ledige stikstof-en-koolstofring, zoals een zeshoek en een pentagon die een zijde delen. Purinesynthese omvat chemische tweaken van een ribosesuiker, gevolgd door de toevoeging van amino (-NH)₂) groepen. Pyrimidines hebben ook een zes-ledige stikstof-en-koolstofring, zoals purines, maar missen de vijf-ledige stikstof-en-koolstofring van purines. Purines hebben daarom een ​​hogere moleculaire massa dan pyrimidines.

De synthese van nucleotiden die pyrimidines bevatten en de synthese van nucleotiden die purines bevatten, vinden plaats in de omgekeerde volgorde in een cruciale stap. In pyrimidines wordt het basisgedeelte eerst geassembleerd en de rest van het molecuul wordt later in een nucleotide gemodificeerd. In purines wordt het deel dat uiteindelijk adenine of guanine wordt gemodificeerd tegen het einde van de nucleotidevorming.

Transcriptie en vertaling

Transcriptie is de creatie van een streng mRNA uit een DNA-sjabloon, met dezelfde instructies (d.w.z. genetische code) voor het maken van een bepaald eiwit als het sjabloon. Het proces vindt plaats in de celkern, waar DNA zich bevindt.Wanneer een dubbelstrengs DNA-molecuul in afzonderlijke strengen scheidt en de transcriptie doorgaat, is het mRNA dat wordt gegenereerd uit één streng van het "niet-geritste" DNA-paar identiek aan het DNA van de andere streng van niet-geritst DNA, behalve dat mRNA U bevat in plaats van T. (Nogmaals, het is nuttig om naar een diagram te verwijzen; zie de referenties.) Het mRNA verlaat, eenmaal voltooid, de kern door poriën in het kernmembraan. Nadat het mRNA de kern verlaat, hecht het zich aan een ribosoom.

Enzymen hechten zich dan aan het ribosomale complex en helpen bij het vertaalproces. Translatie is de conversie van de mRNA-instructie in eiwitten. Dit gebeurt wanneer aminozuren, de sub-eenheden van eiwitten, worden gegenereerd uit drie-nucleotide "codons" op de mRNA-streng. Het proces omvat ook rRNA (omdat translatie plaatsvindt op ribsomen) en tRNA (dat helpt bij het samenstellen van aminozuren).

Van DNA-strengen tot chromosomen

DNA-strengen worden samengevoegd tot een dubbele helix vanwege een samenvloeiing van gerelateerde factoren. Een daarvan is de waterstofbrug die van nature op zijn plaats valt over verschillende delen van het molecuul. Terwijl de helix wordt gevormd, staan ​​de bindingsparen van stikstofbasen loodrecht op de as van de dubbele helix als geheel. Elke volledige beurt omvat in totaal ongeveer 10 base-base gebonden paren. Wat misschien de "zijkanten" van het DNA was genoemd toen het als een "ladder" werd opgezet, worden nu de "ketens" van de dubbele helix genoemd. Deze bestaan ​​bijna volledig uit de ribose- en fosfaatgedeelten van nucleotiden, met de basen aan de binnenkant. De helix zou zowel grote als kleine groeven hebben die de uiteindelijk stabiele vorm bepalen.

Hoewel chromosomen kunnen worden beschreven als zeer lange strengen DNA, is dit een grove vereenvoudiging. Het is waar dat een bepaald chromosoom in theorie kan worden afgewikkeld om een ​​enkel ongebroken DNA-molecuul te onthullen, maar dit geeft niet aan hoe ingewikkeld het oprollen, spoelen en clusteren is dat DNA op weg is naar de vorming van een chromosoom. Eén chromosoom bevat miljoenen DNA-basenparen, en als al het DNA zou worden uitgerekt zonder de helix te breken, zou de lengte zich uitstrekken van enkele millimeters tot meer dan een centimeter. In werkelijkheid is DNA veel meer gecondenseerd. Eiwitten die histonen worden genoemd, vormen uit vier paar subeenheid-eiwitten (in totaal acht subeenheden). Deze octamer dient als een soort spoel voor de dubbele DNA-helix om zichzelf twee keer rond te wikkelen, zoals draad. Deze structuur, de octameer plus het DNA eromheen, wordt een nucleosoom genoemd. Wanneer een chromosoom gedeeltelijk wordt afgewikkeld in een streng die een chromatide wordt genoemd, blijken deze nucleosomen op microscopie kralen aan een string te zijn. Maar boven het niveau van nucleosomen vindt verdere compressie van het genetische materiaal plaats, hoewel het precieze mechanisme ongrijpbaar blijft.

Nucleïnezuren en de opkomst van het leven

DNA, RNA en eiwitten worden overwogen biopolymeren omdat het herhaalde reeksen informatie en aminozuren zijn die worden geassocieerd met levende wezens ("bio" betekent "leven"). Moleculaire biologen erkennen tegenwoordig dat DNA en RNA in een bepaalde vorm dateren van vóór het ontstaan ​​van het leven op aarde, maar vanaf 2018 had niemand het pad uitgevonden van vroege biopolymeren naar eenvoudige levende wezens. Sommigen hebben de theorie dat RNA in een of andere vorm de oorspronkelijke bron was van al deze dingen, inclusief DNA. Dit is de 'RNA-wereldhypothese'. Dit presenteert echter een soort kip-en-ei-scenario voor biologen, omdat voldoende grote RNA-moleculen blijkbaar op geen enkele andere manier dan transcriptie konden zijn ontstaan. In elk geval onderzoeken wetenschappers met toenemende gretigheid momenteel RNA als een doelwit voor het eerste zichzelf replicerende molecuul.

Medische therapieën

Chemicaliën die de bestanddelen van nucleïnezuren nabootsen, worden tegenwoordig als geneesmiddelen gebruikt, met verdere ontwikkelingen op dit gebied. Bijvoorbeeld, een licht gemodificeerde vorm van uracil, 5-fluorouracil (5-FU), wordt al tientallen jaren gebruikt om carcinoom van de dikke darm te behandelen. Het doet dit door een echte stikstofbase nauwkeurig genoeg te imiteren zodat het wordt ingebracht in nieuw vervaardigd DNA. Dit leidt uiteindelijk tot een afbraak van de eiwitsynthese.

Imitatoren van nucleosiden (wat u zich misschien herinnert, zijn een ribosesuiker plus een stikstofbase) zijn gebruikt in antibacteriële en antivirale therapieën. Soms is het het basisgedeelte van het nucleoside dat modificatie ondergaat en op andere momenten richt het medicijn zich op het suikerdeel.