Articles

Biologia I

Przedstawiono budowę molekularną nukleotydu. Rdzeń nukleotydu jest pentozą, której reszty węglowe są ponumerowane od jednej pierwszej do pięciu pierwszych. Zasada jest dołączona do jednego pierwszorzędowego węgla, a fosforan jest dołączony do piątego pierwszorzędowego węgla. W nukleotydach występują dwa rodzaje pentoz: ryboza i deoksyryboza. Dezoksyryboza ma H zamiast OH w pozycji dwupierwiastkowej. W nukleotydach występuje pięć rodzajów zasad. Dwie z nich, adenina i guanina, to zasady purynowe z dwoma pierścieniami połączonymi razem. Pozostałe trzy, cytozyna, tymina i uracyl, mają jeden pierścień sześcioczłonowy.

Rysunek 1. Nukleotyd składa się z trzech elementów: zasady azotowej, cukru pentozowego oraz jednej lub więcej grup fosforanowych. Reszty węglowe w pentozie są ponumerowane od 1′ do 5′ (liczba pierwsza odróżnia te reszty od reszt w bazie, które są ponumerowane bez użycia notacji liczby pierwszej). Zasada jest przyłączona do pozycji 1′ rybozy, a fosforan jest przyłączony do pozycji 5′. Kiedy powstaje polinukleotyd, fosforan 5′ wchodzącego nukleotydu przyłącza się do grupy hydroksylowej 3′ na końcu rosnącego łańcucha. W nukleotydach występują dwa rodzaje pentoz: deoksyryboza (występująca w DNA) i ryboza (występująca w RNA). Deoksyryboza jest podobna w budowie do rybozy, ale ma H zamiast OH w pozycji 2′. Zasady można podzielić na dwie kategorie: puryny i pirymidyny. Puryny mają strukturę dwupierścieniową, a pirymidyny jednopierścieniową.

Zasady azotowe, ważne składniki nukleotydów, są cząsteczkami organicznymi i są tak nazwane, ponieważ zawierają węgiel i azot. Są one zasadami, ponieważ zawierają grupę aminową, która ma możliwość wiązania dodatkowego wodoru, a tym samym zmniejsza stężenie jonów wodorowych w swoim otoczeniu, czyniąc je bardziej zasadowymi. Każdy nukleotyd w DNA zawiera jedną z czterech możliwych zasad azotowych: adeninę (A), guaninę (G), cytozynę (C) i tyminę (T). Nukleotydy RNA również zawierają jedną z czterech możliwych zasad: adeninę, guaninę, cytozynę i uracyl (U) zamiast tyminy.

Adenina i guanina są klasyfikowane jako puryny. Podstawowa struktura puryny to dwa pierścienie węglowo-azotowe. Cytozyna, tymina i uracyl są klasyfikowane jako pirymidyny, które mają pojedynczy pierścień węglowo-azotowy jako ich podstawową strukturę (rysunek 1). Do każdego z tych podstawowych pierścieni węglowo-azotowych przyłączone są różne grupy funkcyjne. W skrócie biologii molekularnej zasady azotowe znane są po prostu pod symbolami A, T, G, C i U. DNA zawiera A, T, G i C, podczas gdy RNA zawiera A, U, G i C.

Cukrem pentozowym w DNA jest deoksyryboza, a w RNA – ryboza (Rysunek 1). Różnica między tymi cukrami polega na obecności grupy hydroksylowej na drugim węglu rybozy i wodoru na drugim węglu deoksyrybozy. Atomy węgla w cząsteczce cukru są ponumerowane jako 1′, 2′, 3′, 4′ i 5′ (1′ oznacza „jeden pierwiastek”). Reszta fosforanowa jest przyłączona do grupy hydroksylowej 5′ węgla jednego cukru i do grupy hydroksylowej 3′ węgla cukru następnego nukleotydu, co tworzy wiązanie fosfodiestrowe 5′-3′. Wiązanie fosfodiestrowe nie powstaje w wyniku prostej reakcji dehydratacji, jak inne wiązania łączące monomery w makrocząsteczkach: jego utworzenie wymaga usunięcia dwóch grup fosforanowych. Polinukleotyd może mieć tysiące takich wiązań fosfodiestrowych.

Struktura podwójnej helisy DNA

Przedstawiono strukturę molekularną DNA. DNA składa się z dwóch antyrównoległych nici skręconych w podwójną helisę. Szkielet fosforanowy znajduje się na zewnątrz, a zasady azotowe zwrócone są do siebie po wewnętrznej stronie.

Rysunek 2. DNA jest antyrównoległą podwójną helisą. Szkielet fosforanowy (linie krzywe) znajduje się na zewnątrz, a zasady wewnątrz. Każda zasada oddziałuje z zasadą z przeciwległej nici. (kredyt: Jerome Walker/Dennis Myts)

DNA ma strukturę podwójnej helisy (Rysunek 2). Cukier i fosforan leżą na zewnątrz helisy, tworząc szkielet DNA. Zasady azotowe są ułożone we wnętrzu, jak stopnie schodów, w parach; pary te są połączone ze sobą wiązaniami wodorowymi. Każda para zasad w podwójnej helisie jest oddzielona od następnej pary zasad o 0,34 nm.

Dwie nici helisy biegną w przeciwnych kierunkach, co oznacza, że 5′ węglowy koniec jednej nici będzie zwrócony w stronę 3′ węglowego końca odpowiadającej jej nici. (Jest to określane jako orientacja antyrównoległa i jest ważne dla replikacji DNA oraz w wielu interakcjach kwasów nukleinowych.)

Dozwolone są tylko niektóre rodzaje parowania zasad. Na przykład, pewna puryna może łączyć się w pary tylko z pewną pirymidyną. Oznacza to, że A może łączyć się w pary z T, a G z C, jak pokazano na Rysunku 3. Jest to znane jako reguła komplementarności zasad. Innymi słowy, nici DNA są względem siebie komplementarne. Jeśli sekwencja jednej z nici wynosi AATTGGCC, to komplementarna nić będzie miała sekwencję TTAACCGG. Podczas replikacji DNA, każda nić jest kopiowana, w wyniku czego powstaje córka podwójnej helisy DNA zawierająca jedną rodzicielską nić DNA i nowo zsyntetyzowaną nić.

Praktyka

Wykazano wiązania wodorowe pomiędzy tyminą i adeniną oraz pomiędzy guaniną i cytozyną. Tymina tworzy dwa wiązania wodorowe z adeniną, a guanina tworzy trzy wiązania wodorowe z cytozyną. Szkielety fosforanowe każdej z nici znajdują się na zewnątrz i biegną w przeciwnych kierunkach.

Rysunek 3. W dwuniciowej cząsteczce DNA obie nici biegną do siebie antyrównolegle, tak że jedna z nich biegnie od 5′ do 3′, a druga od 3′ do 5′. Szkielet fosforanowy znajduje się na zewnątrz, a zasady w środku. Adenina tworzy wiązania wodorowe (lub pary zasadowe) z tyminą, a guanina pary zasadowe z cytozyną.

Występuje mutacja i cytozyna zostaje zastąpiona adeniną. Jak myślisz, jaki wpływ będzie to miało na strukturę DNA?

Pokaż odpowiedź

Adenina jest większa niż cytozyna i nie będzie w stanie prawidłowo łączyć się w pary zasad z guaniną na przeciwnej nici. Spowoduje to wybrzuszenie DNA. Enzymy naprawcze DNA mogą rozpoznać wybrzuszenie i zastąpić nieprawidłowy nukleotyd.

RNA

Kwas rybonukleinowy, lub RNA, jest głównie zaangażowany w proces syntezy białek pod kierunkiem DNA. RNA jest zwykle jednoniciowy i zbudowany jest z rybonukleotydów, które są połączone wiązaniami fosfodiestrowymi. Rybonukleotyd w łańcuchu RNA zawiera rybozę (cukier pentozowy), jedną z czterech zasad azotowych (A, U, G i C) oraz grupę fosforanową.

Istnieją cztery główne typy RNA: RNA posłańca (mRNA), RNA rybosomalny (rRNA), transferowy RNA (tRNA) i mikroRNA (miRNA). Pierwszy z nich, mRNA, przenosi wiadomości z DNA, które kontroluje wszystkie czynności komórkowe w komórce. Jeśli komórka wymaga syntezy określonego białka, gen dla tego produktu zostaje włączony i w jądrze komórkowym syntetyzowany jest posłaniec RNA. Sekwencja zasad RNA jest komplementarna do sekwencji kodującej DNA, z którego została skopiowana. W RNA nie występuje jednak zasada T, a zamiast niej obecne jest U. Jeśli nić DNA ma sekwencję AATTGCGC, sekwencja komplementarnego RNA to UUAACGCG. W cytoplazmie mRNA oddziałuje z rybosomami i innymi mechanizmami komórkowymi (rysunek 4).

Przedstawiono ilustrację rybosomu. mRNA znajduje się pomiędzy dużą i małą podjednostką. cząsteczki tRNA wiążą się z rybosomem i dodają aminokwasy do rosnącego łańcucha peptydowego.

Rysunek 4. Rybosom składa się z dwóch części: dużej podjednostki i małej podjednostki. MRNA znajduje się pomiędzy tymi dwiema podjednostkami. Cząsteczka tRNA rozpoznaje kodon na mRNA, wiąże się z nim poprzez komplementarne parowanie zasad i dodaje właściwy aminokwas do rosnącego łańcucha peptydowego.

MRNA jest odczytywane w zestawach trzech zasad zwanych kodonami. Każdy kodon odpowiada jednemu aminokwasowi. W ten sposób mRNA jest odczytywany i powstaje produkt białkowy. Rybosomalny RNA (rRNA) jest głównym składnikiem rybosomów, na których wiąże się mRNA. RRNA zapewnia prawidłowe ułożenie mRNA i rybosomów; rRNA rybosomów posiada również aktywność enzymatyczną (peptydylotransferaza) i katalizuje tworzenie wiązań peptydowych pomiędzy dwoma ułożonymi w jednej linii aminokwasami. Transferowy RNA (tRNA) jest jednym z najmniejszych spośród czterech rodzajów RNA, zwykle o długości 70-90 nukleotydów. Przenosi on właściwy aminokwas do miejsca syntezy białka. To właśnie parowanie zasad między tRNA a mRNA pozwala na umieszczenie właściwego aminokwasu w łańcuchu polipeptydowym. mikroRNA to najmniejsze cząsteczki RNA, a ich rola polega na regulacji ekspresji genów poprzez zakłócanie ekspresji pewnych komunikatów mRNA.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *