De fosfodiësterbindingen zijn covalente bindingen die voorkomen tussen twee van de zuurstofatomen van een fosfaatgroep en hydroxylgroepen van twee verschillende moleculen. Bij dit type binding fungeert de fosfaatgroep als een stabiele "brug" tussen de twee moleculen via hun zuurstofatomen.
De fundamentele rol van fosfodiësterbindingen in de natuur is die van de vorming van nucleïnezuurketens, zowel DNA als RNA. Samen met de pentosesuikers (desoxyribose of ribose) maken de fosfaatgroepen deel uit van de ondersteunende structuur van deze belangrijke biomoleculen.
Fosfodiesterbinding in het DNA-skelet (Bron: Bestand: Phosphodiester bond.png, Bestand: PhosphodiesterBondDiagram.png: Gebruiker: G3pro (overleg) Gebruiker: G3pro op en.wikipedia.org Afgeleid werk: Gebruiker: Merops (overleg) Afgeleid werk: Gebruiker : Deneapol (talk) Afgeleid werk: Gebruiker: KES47 (talk) Text tweaks: Incnis Mrsi (talk) Text tweaks: DMacks (talk)) Afgeleid werk: Gebruiker: Miguelferig (talk) met ionisatie, via Wikimedia Commons)
De nucleotideketens van DNA of RNA, zoals eiwitten, kunnen verschillende driedimensionale conformaties aannemen die worden gestabiliseerd door niet-covalente bindingen, zoals waterstofbruggen tussen complementaire basen.
De primaire structuur wordt echter gegeven door de lineaire sequentie van nucleotiden die covalent verbonden zijn via fosfodiësterbindingen.
Hoe wordt een fosfodiësterbinding gevormd?
Net als peptidebindingen in eiwitten en glycosidebindingen tussen monosacchariden, zijn fosfodiësterbindingen het resultaat van uitdrogingsreacties waarbij een watermolecuul verloren gaat. Hier is het algemene schema van een van deze uitdrogingsreacties:
HX 1 -OH + HX 2 -OH → HX 1 -X 2 -OH + H 2 O
Fosfaationen komen overeen met de volledig gedeprotoneerde geconjugeerde base van fosforzuur en worden anorganische fosfaten genoemd, waarvan de afkorting Pi wordt genoemd. Wanneer twee fosfaatgroepen met elkaar zijn verbonden, vormt zich een watervrije fosfaatbinding en wordt een molecuul verkregen dat bekend staat als anorganisch pyrofosfaat of PPi.
Wanneer een fosfaationen is bevestigd aan een koolstofatoom in een organisch molecuul, wordt de chemische binding een fosfaatester genoemd en is de resulterende soort een organisch monofosfaat. Als het organische molecuul aan meer dan één fosfaatgroep bindt, worden organische difosfaten of trifosfaten gevormd.
Wanneer een enkel anorganisch fosfaatmolecuul aan twee organische groepen wordt gehecht, wordt een fosfodiester- of "fosfaatdiester" -binding gebruikt. Het is belangrijk om fosfodiësterbindingen niet te verwarren met hoogenergetische fosfoanhydrobindingen tussen de fosfaatgroepen van moleculen zoals bijvoorbeeld ATP.
Verschillen tussen fosfaten en fosforylen (bron: Strater, via Wikimedia Commons)
Fosfodiester-koppelingen tussen aangrenzende nucleotiden bestaan uit twee fosfo-esterkoppelingen die voorkomen tussen de hydroxylgroep op de 5'-positie van een nucleotide en de hydroxylgroep op de 3'-positie van het volgende nucleotide in een DNA- of RNA-streng.
Afhankelijk van de omstandigheden in de omgeving kunnen deze bindingen zowel enzymatisch als niet-enzymatisch worden gehydrolyseerd.
Enzymen betrokken
De vorming en verbreking van chemische bindingen is cruciaal voor alle vitale processen zoals we die kennen, en het geval van fosfodiësterbindingen vormt daarop geen uitzondering.
Tot de belangrijkste enzymen die deze bindingen kunnen vormen, behoren DNA- of RNA-polymerasen en ribozymen. Fosfodiësterase-enzymen zijn in staat ze enzymatisch te hydrolyseren.
Tijdens replicatie, een cruciaal proces voor celproliferatie, wordt in elke reactiecyclus een dNTP (deoxynucleotide trifosfaat) complementair aan de matrijsbasis in het DNA opgenomen door middel van een nucleotide-overdrachtsreactie.
Het polymerase is verantwoordelijk voor het vormen van een nieuwe binding tussen de 3'-OH van de templatestreng en het α-fosfaat van het dNTP, dankzij de energie die vrijkomt bij het verbreken van de bindingen tussen de α- en β-fosfaten van het dNTP, die aan elkaar zijn gekoppeld. door fosfoanhydrobindingen.
Het resultaat is de verlenging van de keten met één nucleotide en de afgifte van een molecuul pyrofosfaat (PPi) s. Er is vastgesteld dat deze reacties twee tweewaardige magnesiumionen (Mg 2+ ) vereisen , waarvan de aanwezigheid de elektrostatische stabilisatie van het nucleofiele OH mogelijk maakt - om de benadering naar de actieve plaats van het enzym te bereiken.
De pKa een van een fosfodiesterbinding dicht bij 0, dus in een waterige oplossing die obligaties volledig geïoniseerd, negatief geladen.
Dit geeft nucleïnezuurmoleculen een negatieve lading, die wordt geneutraliseerd dankzij ionische interacties met de positieve ladingen van eiwitaminozuurresiduen, elektrostatische binding met metaalionen of associatie met polyaminen.
In een waterige oplossing zijn de fosfodiësterbindingen in DNA-moleculen veel stabieler dan in RNA-moleculen. In een alkalische oplossing worden deze bindingen in RNA-moleculen gesplitst door intramoleculaire verplaatsing van het nucleoside aan het 5'-uiteinde door een 2'-oxyanion.
Functie en voorbeelden
Zoals vermeld, is de meest relevante rol van deze bindingen hun deelname aan de vorming van de ruggengraat van nucleïnezuurmoleculen, die een van de belangrijkste moleculen in de cellulaire wereld zijn.
De activiteit van topoisomerase-enzymen, die actief deelnemen aan DNA-replicatie en eiwitsynthese, hangt af van de interactie van de fosfodiësterbindingen aan het 5'-uiteinde van het DNA met de zijketen van tyrosineresiduen op de actieve plaats daarvan. enzymen.
Moleculen die deelnemen als tweede boodschappers, zoals cyclisch adenosinemonofosfaat (cAMP) of cyclisch guanosinetrifosfaat (cGTP), bezitten fosfodiësterbindingen die worden gehydrolyseerd door specifieke enzymen die bekend staan als fosfodiësterases, waarvan de deelname van het grootste belang is voor veel signaalprocessen. mobiel.
Glycerofosfolipiden, fundamentele componenten in biologische membranen, zijn samengesteld uit een glycerolmolecuul dat via fosfodiësterbindingen is verbonden met de polaire "kop" -groepen die het hydrofiele gebied van het molecuul vormen.
Referenties
- Fothergill, M., Goodman, MF, Petruska, J., & Warshel, A. (1995). Structuur-energieanalyse van de rol van metaalionen in fosfodiësterbindinghydrolyse door DNA-polymerase 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). Moleculaire celbiologie (5e ed.). Freeman, WH & Company.
- Nakamura, T., Zhao, Y., Yamagata, Y., Hua, YJ en Yang, W. (2012). Kijken hoe DNA-polymerase η een fosfodiësterbinding maakt. Nature, 487 (7406), 196-201.
- Nelson, DL en Cox, MM (2009). Lehninger Principles of Biochemistry. Omega Editions (5e ed.)
- Oivanen, M., Kuusela, S., & Lönnberg, H. (1998). Kinetiek en mechanismen voor de splitsing en isomerisatie van de fosfodiësterbindingen van RNA door gebronste zuren en basen. Chemische beoordelingen, 98 (3), 961-990.
- Pradeepkumar, PI, Höbartner, C., Baum, D., & Silverman, S. (2008). DNA-gekatalyseerde vorming van nucleopeptidekoppelingen. Angewandte Chemie International Edition, 47 (9), 1753-1757.
- Soderberg, T. (2010). Organische chemie met een biologische nadruk Volume II (Vol. II). Minnesota: Morris Digital Well van de Universiteit van Minnesota. Opgehaald van www.digitalcommons.morris.umn.edu