Nukleinska kislina

Splošnost

Nukleinske kisline so velike biološke molekule DNA in RNA, katerih prisotnost in pravilno delovanje sta v živih celicah bistvena za preživetje slednjih.
Generična nukleinska kislina izhaja iz zveze v linearnih verigah velikega števila nukleotidov.

Slika: Molekula DNA.

Nukleotidi so majhne molekule, v sestavi katerih sodelujejo trije elementi: fosfatna skupina, dušikova baza in 5-ogljikov sladkor.

Nukleinske kisline so bistvene za preživetje organizma, saj sodelujejo pri sintezi beljakovin, molekul, ki so bistvene za pravilno izvajanje celičnih mehanizmov.
DNA in RNA se v nekaterih pogledih razlikujejo.
Na primer, DNA ima dve antiparalelni nukleotidni verigi in ima deoksiribozo kot 5-ogljikov sladkor. RNA pa ima običajno eno samo verigo nukleotidov in ima ribozo kot sladkor s 5 atomi ogljika.

Kaj so nukleinske kisline?

Nukleinske kisline so biološke makromolekule DNA in RNA, katerih prisotnost je v celicah živih bitij bistvena za preživetje in pravilen razvoj slednjih.
Po drugi definiciji so nukleinske kisline biopolimeri, ki so posledica združevanja velikega števila nukleotidov v dolgih linearnih verigah.
Biopolimer ali naravni polimer je velika biološka spojina, sestavljena iz enakih molekularnih enot, ki se imenujejo monomeri.

NUKLEINSKE KISLINE: KDO JE V POSEDU?

Nukleinske kisline se nahajajo ne samo v celicah evkariontskih in prokariotskih organizmov, ampak tudi v zunajceličnih oblikah življenja, kot so virusi, in v celičnih organelah, kot so mitohondriji in kloroplasti.

Splošna struktura

Na podlagi zgornjih definicij so nukleotidi molekularne enote, ki sestavljajo DNA in RNA nukleinskih kislin.
Zato bodo predstavljali glavno temo tega poglavja, posvečeno zgradbi nukleinskih kislin.

ZGRADBA GENERIČNEGA NUKLEOTIDA

Generični nukleotid je spojina organske narave, rezultat združevanja treh elementov:

• Fosfatna skupina, ki je derivat fosforne kisline;
• Pentoza, to je sladkor s 5 ogljikovimi atomi;
• Dušikova baza, ki je aromatska heterociklična molekula.

Pentoza predstavlja osrednji element nukleotidov, saj se nanjo vežeta fosfatna skupina in dušikova baza.

Slika: Elementi, ki sestavljajo generični nukleotid nukleinske kisline. Kot je razvidno, se fosfatna skupina in dušikova baza vežeta na sladkor.

Kemična vez, ki drži pentozo in fosfatno skupino skupaj, je fosfodiesterska vez, kemična vez, ki veže pentozo in dušikovo bazo, pa je N-glikozidna vez.

KAKO PENTOZA SODELUJE V RAZLIČNIH POVEZAVAH Z DRUGIMI ELEMENTI?

Prostor: kemiki so pomislili, da bi ogljike, ki sestavljajo organske molekule, oštevilčili tako, da bi poenostavili njihovo študijo in opis. Tu torej 5 ogljikov pentoze postane: ogljik 1, ogljik 2, ogljik 3, ogljik 4 in ogljik 5.

Merilo za dodelitev številk je precej zapleteno, zato se nam zdi primerno, da razlage izpustimo.
Od 5 ogljikov, ki tvorijo pentozo nukleotidov, so tisti, ki so povezani z dušikovo bazo in fosfatno skupino, ogljik 1 oziroma ogljik 5.

• Pentozni ogljik 1 → N-glikozidna vez → dušikova baza
• Pentozni ogljik 5 → fosfodiesterska vez → fosfatna skupina

KAKŠNE KEMIJSKE VEZE VEZUJO NUKLEOTIDE NUKLEJSKIH KISLIN?

Slika: Struktura pentoze, oštevilčevanje sestavljenih ogljikov in vezi z dušikovo bazo in fosfatno skupino.

Pri sestavljanju nukleinskih kislin se nukleotidi organizirajo v dolge linearne verige, bolj znane kot filamenti.
Vsak nukleotid, ki tvori te dolge niti, se s pomočjo fosfodiesterske vezi med ogljikom 3 njegove pentoze in fosfatno skupino nukleotida, ki sledi, veže na naslednji nukleotid.

IZKLJUČITVE

Nukleotidne niti (ali polinukleotidne niti), ki sestavljajo nukleinske kisline, imajo dva konca, znana kot 5 "konec (beri" pet primerov ") in 3" konec (beri "tri prime"). Biologi in genetiki so po dogovoru ugotovili, da "konec 5" predstavlja glavo verige, ki tvori nukleinsko kislino, "konec 3" pa njen rep.
S kemijskega vidika "5 konec" nukleinskih kislin sovpada s fosfatno skupino prvega nukleotida verige, "3 konec" nukleinskih kislin pa sovpada s hidroksilno (OH) skupino na ogljiku 3 zadnjega nukleotida.
Na podlagi te organizacije so v knjigah o genetiki in molekularni biologiji nukleotidne verige nukleinske kisline opisane na naslednji način: P -5 "→ 3" -OH.

* Opomba: črka P označuje atom fosforja fosfatne skupine.

Če uporabimo koncepte 5 "konca in 3" konca za en sam nukleotid, je "5 konec" slednjega fosfatna skupina, vezana na ogljik 5, medtem ko je njen 3 "konec hidroksilna skupina, povezana z ogljikom 3.
V obeh primerih s "bralca vabi, naj bo pozoren na številčno ponovitev: konec 5" - fosfatna skupina na ogljiku 5 in konec 3 " - hidroksilna skupina na ogljiku 3.

Splošna funkcija

Nukleinske kisline vsebujejo, prenašajo, dešifrirajo in izražajo genske informacije v beljakovinah.
Beljakovine, sestavljene iz aminokislin, so biološke makromolekule, ki igrajo temeljno vlogo pri uravnavanju celičnih mehanizmov živega organizma.
Genetske informacije so odvisne od zaporedja nukleotidov, ki sestavljajo verige nukleinskih kislin.

Namigi iz zgodovine

Za odkritje nukleinskih kislin, ki je bilo leta 1869, je zaslužen švicarski zdravnik in biolog Friedrich Miescher.
Miescher je do svojih ugotovitev prišel med preučevanjem celičnega jedra levkocitov z namenom, da bolje razume njihovo notranjo sestavo.
Miescherjevi poskusi so predstavljali prelomnico na področju molekularne biologije in genetike, saj so sprožili vrsto študij, ki so pripeljale do identifikacije strukture DNK (Watson in Crick, leta 1953) in RNA, do poznavanja mehanizmov genetsko dedovanje in identifikacijo natančnih procesov sinteze beljakovin.

NASTANAK IMENA

Nukleinske kisline imajo to ime, ker jih je Miescher identificiral v jedru levkocitov (jedro - nukleinsko) in odkril, da vsebujejo fosfatno skupino, derivat fosforne kisline (derivat fosforne kisline - kisline).

DNK

Med znanimi nukleinskimi kislinami je najbolj znana DNK, saj predstavlja skladišče genetskih informacij (ali genov), ki služijo za usmerjanje razvoja in rasti celic živega organizma.
Kratica DNA pomeni deoksiribonukleinsko kislino ali deoksiribonukleinsko kislino.

DVOJNA HELIX

Leta 1953 sta biologa James Watson in Francis Crick za razlago strukture "DNK nukleinske kisline" predlagala model, ki se je kasneje izkazal za pravilnega, tako imenovane "dvojne vijačnice".
Po modelu "dvojne vijačnice" je DNK velika molekula, ki je posledica združevanja dveh dolgih verig antiparalelnih nukleotidov, ki sta zviti drug v drugega.
Izraz "antiparalelno" označuje, da imata dva filamenta nasprotno orientacijo, to je: glava in rep enega filamenta medsebojno sodelujeta z repom in glavo drugega filamenta.

Po drugi pomembni točki modela "dvojne vijačnice" imajo nukleotidi nukleinske kisline DNA takšno razporeditev, da so dušikove baze usmerjene proti osrednji osi vsake spirale, medtem ko pentoze in fosfatne skupine tvorijo ogrodje zunaj slednje.

KAJ JE PENTOZA DNK?

Pentoza, ki sestavlja nukleotide nukleinske kisline DNA, je deoksiriboza.
Svoje ime ta 5-ogljikov sladkor dolguje pomanjkanju kisika na ogljiku 2. Navsezadnje deoksiriboza pomeni "brez kisika".

Slika: deoksiriboza.

Zaradi prisotnosti deoksiriboze se nukleotidi nukleinske kisline DNA imenujejo deoksiribonukleotidi.

VRSTE NUKLEOTIDOV IN DUŠIKOVIH BAZ

Nukleinska kislina DNA ima 4 različne vrste deoksiribonukleotidov.
Za razlikovanje štirih različnih vrst deoksiribonukleotidov je samo dušikova baza, povezana s tvorbo pentozno-fosfatne skupine (ki se za razliko od dušikove baze nikoli ne spreminja).
Iz očitnih razlogov so torej dušikove baze DNA 4, in sicer: adenin (A), gvanin (G), citozin (C) in timin (T).
Adenin in gvanin spadata v razred purinov, dvojno obročnih aromatskih heterocikličnih spojin.
Citozin in timin pa spadata v kategorijo pirimidinov, enosmernih aromatskih heterocikličnih spojin.
Watson in Crick sta z modelom "dvojne vijačnice" pojasnila tudi, kakšna je organizacija dušikovih baz v DNK:

• Vsaka dušikova baza filamenta se z vodikovimi vezmi pridruži dušikovi bazi, ki je prisotna na antiparalelni nitki, in tako učinkovito tvori par, par, baz.
• Združevanje dušikovih baz obeh filamentov je zelo specifično, pravzaprav se adenin veže le na timin, citozin pa samo na gvanin.
  To pomembno odkritje je molekularne biologe in genetike spodbudilo k sklenitvi izrazov "komplementarnosti med dušikovimi bazami" in "komplementarnega združevanja med dušikovimi bazami", da bi nakazali edinstvenost vezave adenina s timinom in citozina z gvaninom. .

KJE SE NALAZI V ŽIVIH CELAH?

V evkariontskih organizmih (živali, rastline, glive in protisti) nukleinska kislina DNA prebiva v jedru vseh celic s to celično strukturo.

V prokariontskih organizmih (bakterijah in arhejah) pa nukleinska kislina DNA prebiva v citoplazmi, saj prokariontskim celicam manjka jedro.

RNA

Med dvema nukleinskim kislinama, ki obstajata v naravi, RNA predstavlja biološko makromolekulo, ki prevaja nukleotide DNA v aminokisline, ki sestavljajo beljakovine (proces sinteze beljakovin).
Dejansko je RNA nukleinske kisline primerljiva s slovarjem genetskih informacij, ki so poročali o DNK nukleinske kisline.
Kratica RNA pomeni ribonukleinsko kislino.

RAZLIKE, KI JIH SE RAZLIKUJO OD DNK

RNA nukleinske kisline ima več razlik v primerjavi z DNK:

• RNA je manjša biološka molekula kot DNA, običajno sestavljena iz ene verige nukleotidov.
• Pentoza, ki sestavlja nukleotide ribonukleinske kisline, je riboza. Za razliko od deoksiriboze ima riboza atom kisika na ogljiku 2.
  Zaradi prisotnosti sladkorja riboze so biologi in kemiki RNA dodelili ime ribonukleinske kisline.
• Nukleotidi RNA so znani tudi kot ribonukleotidi.
• RNA nukleinske kisline ima z DNK le 3 od 4 dušikovih baz, pravzaprav ima namesto timina dušikovo bazo uracil.
• RNA se lahko nahaja v različnih delih celice, od jedra do citoplazme.

VRSTE RNK

Slika: riboza.

Znotraj živih celic RNA nukleinske kisline obstaja v štirih glavnih oblikah: transportna RNA (oz Prenos RNA ali tRNA), messenger RNA (ali RNA sel ali mRNA), ribosomska RNA (ali ribosomska RNA ali rRNA) in majhno jedrsko RNA (o majhna jedrska RNA ali snRNA).
Čeprav igrajo različne posebne vloge, štiri zgoraj omenjene oblike RNA sodelujejo pri skupnem cilju: sintezi beljakovin, začenši z nukleotidnimi sekvencami, prisotnimi v DNK.

Umetni modeli

V zadnjih desetletjih so molekularni biologi v laboratoriju sintetizirali več nukleinskih kislin, identificiranih s pridevnikom "umetna".
Med umetnimi nukleinskimi kislinami je treba posebej omeniti: TNA, PNA, LNA in GNA.