NUCLEÏNEZUREN: KENMERKEN, FUNCTIES, STRUCTUUR - BIOLOGIE - 2024

De nucleïnezuren zijn grote biomoleculen die worden gevormd door eenheden of monomeren die nucleotiden worden genoemd. Ze zijn verantwoordelijk voor de opslag en overdracht van genetische informatie. Ze nemen ook deel aan elk van de stappen van de eiwitsynthese.

Structureel bestaat elk nucleotide uit een fosfaatgroep, een suiker met vijf koolstofatomen en een heterocyclische stikstofbase (A, T, C, G en U). Bij fysiologische pH zijn nucleïnezuren negatief geladen, oplosbaar in water, vormen ze stroperige oplossingen en zijn ze redelijk stabiel.

Bron: pixabay.com

Er zijn twee hoofdtypen nucleïnezuren: DNA en RNA. De samenstelling van beide nucleïnezuren is vergelijkbaar: in beide vinden we een reeks nucleotiden die zijn verbonden door fosfodiësterbindingen. In DNA vinden we echter thymine (T) en in RNA uracil (U).

DNA is langer en bevindt zich in een dubbele helixconformatie en RNA bestaat uit een enkele streng. Deze moleculen zijn aanwezig in alle levende organismen, van virussen tot grote zoogdieren.

Historisch perspectief

Ontdekking van nucleïnezuren

De ontdekking van nucleïnezuren dateert uit 1869 toen Friedrich Miescher chromatine identificeerde. In zijn experimenten haalde Miescher een gelatineus materiaal uit de kern en ontdekte dat deze stof rijk was aan fosfor.

Aanvankelijk werd het materiaal van mysterieuze aard aangeduid als "nucleïne". Latere experimenten met nucleïne concludeerden dat het niet alleen rijk is aan fosfor, maar ook aan koolhydraten en organische basen.

Phoebus Levene ontdekte dat nucleïne een lineair polymeer was. Hoewel de chemische basiseigenschappen van nucleïnezuren bekend waren, werd niet aangenomen dat er een verband bestond tussen dit polymeer en het erfelijke materiaal van levende wezens.

Ontdekking van de functie van DNA

Halverwege de jaren veertig was het voor biologen uit die tijd niet overtuigend dat het molecuul dat verantwoordelijk was voor het verzenden en opslaan van de informatie van een organisme zich in een molecuul bevond met een conformatie die zo eenvoudig was als DNA - samengesteld uit vier zeer vergelijkbare monomeren (nucleotiden) elk.

Eiwitten, polymeren die uit 20 soorten aminozuren bestaan, leken op dat moment de meest plausibele kandidaten om het erfelijkheidsmolecuul te zijn.

Deze visie veranderde in 1928, toen onderzoeker Fred Griffith vermoedde dat nucleïne betrokken was bij erfelijkheid. Uiteindelijk slaagde Oswald Avery er in 1944 in om met robuust bewijs te concluderen dat DNA genetische informatie bevatte.

Zo ging DNA van een saai en monotoon molecuul, bestaande uit slechts vier bouwstenen, naar een molecuul dat de opslag van een enorm aantal informatie mogelijk maakt, en dat het op een precieze, exacte en efficiënte manier kan bewaren en verzenden.

Ontdekking van de structuur van DNA

Het jaar 1953 was revolutionair voor de biologische wetenschappen, aangezien onderzoekers James Watson en Francis Crick de juiste structuur van DNA ophelderden.

Op basis van de analyses van de röntgenreflectiepatronen suggereerden de resultaten van Watson en Crick dat het molecuul een dubbele helix is, waarbij de fosfaatgroepen een buitenste ruggengraat vormen en de basen naar binnen uitsteken.

De analogie van een ladder wordt meestal gebruikt, waarbij de leuningen overeenkomen met de fosfaatgroepen en de sporten met de bases.

Ontdekking van DNA-sequentiebepaling

In de afgelopen twee decennia is er buitengewone vooruitgang geboekt in de biologie, geleid door DNA-sequentiebepaling. Dankzij technologische vooruitgang hebben we tegenwoordig de nodige technologie om de DNA-sequentie met een vrij hoge precisie te kennen - met "sequentie" bedoelen we de volgorde van de basen.

Aanvankelijk was het verduidelijken van de reeks een dure gebeurtenis en duurde het lang om het te voltooien. Momenteel is het geen probleem om de volgorde van volledige genomen te kennen.

kenmerken

Opladen en oplosbaarheid

Zoals de naam al aangeeft, is de aard van nucleïnezuren zuur en zijn het moleculen met een hoge oplosbaarheid in water; dat wil zeggen, ze zijn hydrofiel. Bij fysiologische pH is het molecuul negatief geladen door de aanwezigheid van fosfaatgroepen.

Als gevolg hiervan zijn de eiwitten waarmee DNA is geassocieerd, rijk aan aminozuurresten met positieve ladingen. De juiste associatie van DNA is cruciaal voor de verpakking in cellen.

Viscositeit

De viscositeit van het nucleïnezuur hangt af van of het een dubbele of enkele band is. Dubbelbandig DNA vormt oplossingen met een hoge viscositeit, omdat de structuur ervan stijf is en bestand is tegen vervorming. Bovendien zijn het in verhouding tot hun diameter extreem lange moleculen.

Daarentegen zijn er ook enkelbandige nucleïnezuuroplossingen, die worden gekenmerkt door een lage viscositeit.

Stabiliteit

Een ander kenmerk van nucleïnezuren is hun stabiliteit. Natuurlijk moet een molecuul met zo'n onmisbare taak als het bewaren van overerving zeer stabiel zijn.

DNA is relatief stabieler dan RNA, omdat het geen hydroxylgroep heeft.

Mogelijk speelde deze chemische eigenschap een belangrijke rol bij de evolutie van nucleïnezuren en bij de keuze van DNA als erfelijk materiaal.

Volgens de hypothetische overgangen die door sommige auteurs zijn voorgesteld, werd RNA tijdens het evolutieproces vervangen door DNA. Tegenwoordig zijn er echter enkele virussen die RNA als genetisch materiaal gebruiken.

Ultraviolet lichtabsorptie

De opname van nucleïnezuren hangt ook af van het feit of het een dubbelband of enkelband is. De absorptiepiek van de ringen in hun structuur is 260 nanometer (nm).

Naarmate de dubbelbandige DNA-streng begint te scheiden, neemt de absorptie bij de bovengenoemde golflengte toe, omdat de ringen waaruit de nucleotiden bestaan, worden blootgesteld.

Deze parameter is belangrijk voor moleculair biologen in het laboratorium, omdat ze door de opname te meten, kunnen schatten hoeveel DNA er in hun monsters zit. In het algemeen draagt ​​kennis van de eigenschappen van DNA bij aan de zuivering en behandeling ervan in laboratoria.

Classificatie (typen)

De twee belangrijkste nucleïnezuren zijn DNA en RNA. Beide zijn componenten van alle levende wezens. DNA staat voor deoxyribonucleïnezuur en RNA voor ribonucleïnezuur. Beide moleculen spelen een fundamentele rol bij erfelijkheid en eiwitsynthese.

DNA is het molecuul dat alle informatie opslaat die nodig is voor de ontwikkeling van een organisme, en is gegroepeerd in functionele eenheden die genen worden genoemd. RNA is verantwoordelijk voor het opnemen van deze informatie en vertaalt samen met eiwitcomplexen de informatie van een keten van nucleotiden naar een keten van aminozuren.

RNA-strengen kunnen een paar honderd of een paar duizend nucleotiden lang zijn, terwijl DNA-strengen meer dan miljoenen nucleotiden bevatten en zichtbaar kunnen worden gemaakt onder het licht van een optische microscoop als ze gekleurd zijn met kleurstoffen.

De fundamentele structurele verschillen tussen beide moleculen zullen in de volgende sectie worden beschreven.

RNA

In cellen zijn er verschillende soorten RNA die samenwerken om de eiwitsynthese te orkestreren. De drie belangrijkste soorten RNA zijn boodschapper, ribosomaal en overdracht.

Boodschapper RNA

Messenger RNA is verantwoordelijk voor het kopiëren van de boodschap die in het DNA aanwezig is en het transporteert naar de eiwitsynthese die plaatsvindt in structuren die ribosomen worden genoemd.

Ribosomaal of ribosomaal RNA

Ribosomaal RNA wordt aangetroffen als onderdeel van deze essentiële machine: het ribosoom. Van het ribosoom bestaat 60% uit ribosoom-RNA en de rest wordt ingenomen door bijna 80 verschillende eiwitten.

Breng RNA over

Transfer RNA is een soort moleculaire adapter die aminozuren (de bouwstenen van eiwitten) naar het ribosoom transporteert om daar opgenomen te worden.

Klein RNA

Naast deze drie basistypen zijn er recentelijk een aantal aanvullende RNA's ontdekt die een essentiële rol spelen bij de eiwitsynthese en genexpressie.

Kleine nucleaire RNA's, afgekort als snRNA, nemen als katalytische entiteiten deel aan de splitsing (proces van het verwijderen van introns) van boodschapper-RNA.

Kleine nucleolaire RNA's of snoRNA's zijn betrokken bij de verwerking van pre-ribosomale RNA-transcripten die deel gaan uitmaken van de ribosoomsubeenheid. Dit gebeurt in de nucleolus.

Korte interfererende RNA's en microRNA's zijn kleine RNA-sequenties waarvan de belangrijkste rol de modulatie van genexpressie is. MicroRNA's worden gecodeerd vanuit DNA, maar hun vertaling in eiwitten gaat niet door. Ze zijn enkelstrengs en kunnen een boodschap-RNA aanvullen en de vertaling ervan in eiwitten remmen.

Structuur en chemische samenstelling

Nucleïnezuren zijn lange polymeerketens die zijn opgebouwd uit monomere eenheden die nucleotiden worden genoemd. Elk bestaat uit:

Een fosfaatgroep

Er zijn vier soorten nucleotiden en ze hebben een gemeenschappelijke structuur: een fosfaatgroep die via een fosfodiësterbinding aan een pentose is gekoppeld. De aanwezigheid van fosfaten geeft het molecuul een zuur karakter. De fosfaatgroep is gedissocieerd bij de pH van de cel, dus negatief geladen.

Deze negatieve lading maakt de associatie mogelijk van nucleïnezuren met moleculen waarvan de lading positief is.

Kleine hoeveelheden nucleosiden zijn te vinden in cellen en ook in extracellulaire vloeistoffen. Dit zijn moleculen die bestaan ​​uit alle componenten van een nucleotide, maar die geen fosfaatgroepen hebben.

Volgens deze nomenclatuur is een nucleotide een nucleoside met één, twee of drie fosfaatgroepen die zijn veresterd op de hydroxylgroep die zich op de 5'-koolstof bevindt. Nucleosiden met drie fosfaten zijn betrokken bij de synthese van nucleïnezuren, maar vervullen ook andere functies in de cel.

Een pentose

Een pentose is een monomeer koolhydraat dat bestaat uit vijf koolstofatomen. In DNA is pentose een deoxyribose, die wordt gekenmerkt door het verlies van een hydroxylgroep op koolstof 2 '. In RNA is pentose een ribose.

Een stikstofhoudende basis

De pentose is op zijn beurt gebonden aan een organische basis. De identiteit van het nucleotide wordt bepaald door de identiteit van de base. Er zijn vijf typen, afgekort door hun initialen: adenine (A), guanine (G), cytosine (C), thymine (T) en uracil (U).

Het is gebruikelijk in de literatuur dat we vinden dat deze vijf letters worden gebruikt om naar het hele nucleotide te verwijzen. Strikt genomen zijn deze echter slechts een deel van de nucleotide.

De eerste drie, A, G en C, zijn gemeenschappelijk voor zowel DNA als RNA. Terwijl T uniek is voor DNA en uracil beperkt is tot het RNA-molecuul.

Structureel gezien zijn basen heterocyclische chemische verbindingen, waarvan de ringen zijn opgebouwd uit koolstof- en stikstofmoleculen. A en G worden gevormd door een paar gefuseerde ringen en behoren tot de groep purines. De overige basen behoren tot de pyrimidinen en hun structuur bestaat uit een enkele ring.

Het is gebruikelijk dat we in beide typen nucleïnezuren een reeks gemodificeerde basen vinden, zoals een extra methylgroep.

Wanneer deze gebeurtenis plaatsvindt, zeggen we dat de base gemethyleerd is. In prokaryoten worden meestal gemethyleerde adenines aangetroffen, en in zowel prokaryoten als eukaryoten kunnen cytosines een extra methylgroep hebben.

Hoe vindt polymerisatie plaats?

Zoals we al zeiden, zijn nucleïnezuren lange ketens die zijn opgebouwd uit monomeren - nucleotiden. Om de ketens te vormen, zijn deze op een bepaalde manier met elkaar verbonden.

Wanneer nucleotiden polymeriseren, vormt de hydroxylgroep (-OH) die wordt aangetroffen op de 3'-koolstof van de suiker van een van de nucleotiden een estervormige binding met de fosfaatgroep van een ander nucleotidemolecuul. Tijdens de vorming van deze binding vindt het verwijderen van een watermolecuul plaats.

Dit type reactie wordt een "condensatiereactie" genoemd en lijkt sterk op de reactie die optreedt wanneer peptidebindingen in eiwitten worden gevormd tussen twee aminozuurresiduen. De bindingen tussen elk paar nucleotiden worden fosfodiësterbindingen genoemd.

Net als bij polypeptiden hebben nucleïnezuurketens twee chemische oriëntaties aan hun uiteinden: een is het 5'-uiteinde dat een vrije hydroxylgroep of een fosfaatgroep op het 5'-koolstofatoom van de terminale suiker bevat, terwijl aan het 3-uiteinde ´ we vinden een vrije hydroxylgroep van koolstof 3´.

Laten we ons voorstellen dat elk DNA-blok een Lego-set is, met een uiteinde dat wordt ingebracht en met een vrij gat waar het inbrengen van een ander blok kan plaatsvinden. Het 5'-uiteinde met het fosfaat wordt het uiteinde dat moet worden ingebracht en het 3'-uiteinde is analoog aan het vrije gat.

Andere nucleotiden

In de cel vinden we een ander type nucleotiden met een andere structuur dan hierboven vermeld. Hoewel deze geen deel uitmaken van de nucleïnezuren, spelen ze een zeer belangrijke biologische rol.

Onder de meest relevante hebben we onder meer riboflavine-mononucleotide, bekend als FMN, co-enzym A, adenine-dinucleotide en nicotinamine.

RNA-structuur

De lineaire structuur van het nucleïnezuurpolymeer komt overeen met de primaire structuur van deze moleculen. Polynucleotiden hebben ook het vermogen om driedimensionale arrays te vormen die worden gestabiliseerd door niet-covalente krachten - vergelijkbaar met de vouwing die wordt aangetroffen in eiwitten.

Hoewel de primaire samenstelling van DNA en RNA vrij gelijkaardig is (behalve de hierboven genoemde verschillen), is de samenstelling van hun structuur duidelijk verschillend. RNA's worden vaak aangetroffen als een enkele nucleotideketen, hoewel deze verschillende arrangementen kan aannemen.

Transfer-RNA's zijn bijvoorbeeld kleine moleculen die uit minder dan 100 nucleotiden bestaan. De typische secundaire structuur is in de vorm van een klaver met drie armen. Dat wil zeggen, het RNA-molecuul vindt binnenin complementaire basen en kan zichzelf opvouwen.

Ribosomale RNA's zijn grotere moleculen die complexe driedimensionale conformaties aannemen en een secundaire en tertiaire structuur vertonen.

DNA-structuur

Dubbele helix

In tegenstelling tot lineair RNA bestaat de DNA-rangschikking uit twee met elkaar verweven strengen. Dit structurele verschil is cruciaal om zijn specifieke functies te vervullen. RNA is niet in staat om dit type helices te vormen vanwege een sterische belemmering die wordt opgelegd door de extra OH-groep die zijn suiker presenteert.

Basis complementariteit

Er is complementariteit tussen de bases. Dat wil zeggen, als gevolg van hun grootte, vorm en chemische samenstelling moeten purines paren met een pyrimidine via waterstofbruggen. Om deze reden vinden we in natuurlijk DNA dat A bijna altijd gepaard gaat met T en G met C, waardoor ze waterstofbruggen vormen met hun partners.

De basenparen tussen G en C zijn verbonden door drie waterstofbruggen, terwijl het paar A en T zwakker zijn en slechts twee waterstofbruggen ze bij elkaar houden.

DNA-strengen kunnen worden gescheiden (dit gebeurt zowel in de cel als in laboratoriumprocedures) en de benodigde warmte hangt af van de hoeveelheid GC in het molecuul: hoe groter het is, hoe meer energie het kost om het te scheiden.

Strand oriëntatie

Een ander kenmerk van DNA is de tegenovergestelde oriëntatie: terwijl een streng in de 5'-3'-richting loopt, loopt zijn partner in de 3'-5'-richting.

Natuurlijke conformaties en in het laboratorium

De structuur of conformatie die we normaal in de natuur aantreffen, wordt DNA B genoemd. Deze wordt gekenmerkt door het hebben van 10,4 nucleotiden voor elke draai, gescheiden door een afstand van 3,4. DNA B draait naar rechts.

Dit kronkelpatroon resulteert in het verschijnen van twee voren, een grotere en een kleinere.

In de in het laboratorium gevormde (synthetische) nucleïnezuren zijn andere conformaties te vinden, die ook onder zeer specifieke omstandigheden voorkomen. Dit zijn DNA A en DNA Z.

Variant A maakt ook de bocht naar rechts, hoewel deze korter en iets breder is dan de natuurlijke. Het molecuul neemt deze vorm aan als de luchtvochtigheid afneemt. Het roteert elke 11 basenparen.

De laatste variant is de Z, gekenmerkt door smal en naar links draaien. Het wordt gevormd door een groep hexanucleotiden die zijn gegroepeerd in een duplex van antiparallelle ketens.

Kenmerken

DNA: erfelijkheidsmolecuul

DNA is een molecuul dat informatie kan opslaan. Het leven zoals we dat op onze planeet kennen, hangt af van het vermogen om dergelijke informatie op te slaan en te vertalen.

Voor de cel is DNA een soort bibliotheek waarin alle noodzakelijke instructies voor de aanmaak, ontwikkeling en instandhouding van een levend organisme te vinden zijn.

In het DNA-molecuul vinden we een organisatie van afzonderlijke functionele entiteiten die genen worden genoemd. Sommigen van hen zullen naar eiwitten worden gedragen, terwijl andere regulerende functies zullen vervullen.

De structuur van DNA die we in de vorige sectie beschrijven, is de sleutel tot het uitvoeren van zijn functies. De helix moet gemakkelijk kunnen worden gescheiden en samengevoegd - een sleuteleigenschap voor replicatie- en transcriptiegebeurtenissen.

DNA wordt gevonden in prokaryoten op een specifieke plaats in hun cytoplasma, terwijl het zich in eukaryoten in de kern bevindt.

RNA: een multifunctioneel molecuul

Rol bij eiwitsynthese

RNA is een nucleïnezuur dat we vinden in verschillende stadia van eiwitsynthese en in de regulatie van genexpressie.

Eiwitsynthese begint met de transcriptie van de gecodeerde boodschap in DNA in een boodschapper-RNA-molecuul. Vervolgens moet de boodschapper de delen verwijderen die niet zullen worden vertaald, bekend onder de naam introns.

Voor de vertaling van de RNA-boodschap naar aminozuurresiduen zijn twee extra componenten nodig: het ribosomale RNA dat deel uitmaakt van de ribosomen, en het transfer-RNA, dat de aminozuren zal dragen en verantwoordelijk zal zijn voor het inbrengen van het juiste aminozuur in de peptideketen. In opleiding.

Met andere woorden, elk hoofdtype RNA speelt een cruciale rol in dit proces. Deze overgang van DNA naar boodschapper-RNA en uiteindelijk naar eiwitten is wat biologen "het centrale dogma van de biologie" noemen.

Aangezien de wetenschap echter niet op dogma's kan worden gebaseerd, zijn er verschillende gevallen waarin deze premisse niet wordt vervuld, zoals retrovirussen.

Rol in regelgeving

De hierboven genoemde kleine RNA's nemen indirect deel aan de synthese, orkestreren de synthese van boodschapper-RNA en nemen deel aan de regulatie van expressie.

In de cel zijn er bijvoorbeeld verschillende boodschapper-RNA's die worden gereguleerd door kleine RNA's, die een sequentie hebben die hier complementair aan is. Als het kleine RNA zich aan het bericht hecht, kan het de boodschapper splitsen, waardoor de vertaling ervan wordt voorkomen. Er zijn meerdere processen die op deze manier worden geregeld.

Referenties

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2015). Essentiële celbiologie. Garland Science.
2. Berg, JM, Tymoczko, JL, Stryer, L. (2002). Biochemie. 5e editie. WH Freeman.
3. Cooper, GM en Hausman, RE (2000). De cel: moleculaire benadering. Sinauer Associates.
4. Curtis, H., & Barnes, NS (1994). Uitnodiging voor biologie. Macmillan.
5. Fierro, A. (2001). Korte geschiedenis van de ontdekking van de structuur van DNA. Rev Méd Clínica Las Condes, 20, 71-75.
6. Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) Oorsprong en evolutie van DNA- en DNA-replicatiemachines. In: Madame Curie Bioscience Database. Austin (TX): Landes Bioscience.
7. Karp, G. (2009). Cel- en moleculaire biologie: concepten en experimenten. John Wiley & Sons.
8. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). De evolutionaire overgang van RNA naar DNA in vroege cellen. Journal of moleculaire evolutie, 27 (4), 283-290.
9. Lodish, H., Berk, A., Darnell, JE, Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP,… & Matsudaira, P. (2008). Moleculaire celbiologie. Macmillan.
10. Voet, D., & Voet, JG (2006). Biochemie. Panamerican Medical Ed.
11. Voet, D., Voet, JG, & Pratt, CW (1999). Fundamenteel van biochemie. New York: John Willey and Sons.