NÜKLEIK ASITLER: ÖZELLIKLERI, IŞLEVLERI, YAPISI - BIYOLOJI - 2025

Nükleik asitler, nükleotitler olarak adlandırılan birimler veya monomerler ile oluşturulan geniş biyomoleküller bulunmaktadır. Genetik bilginin depolanması ve iletilmesinden sorumludurlar. Ayrıca protein sentezinin her adımına katılırlar.

Yapısal olarak, her nükleotid bir fosfat grubu, bir beş karbonlu şeker ve bir heterosiklik nitrojen bazından (A, T, C, G ve U) oluşur. Fizyolojik pH'ta, nükleik asitler negatif yüklüdür, suda çözünür, yapışkan çözeltiler oluşturur ve oldukça kararlıdır.

Kaynak: Pixabay.com

İki ana nükleik asit türü vardır: DNA ve RNA. Her iki nükleik asidin bileşimi benzerdir: Her ikisinde de fosfodiester bağlarıyla bağlanmış bir dizi nükleotid buluyoruz. Bununla birlikte, DNA'da timin (T) ve RNA urasil (U) bulunur.

DNA daha uzundur ve çift sarmal yapıdadır ve RNA tek sarmaldan oluşur. Bu moleküller, virüslerden büyük memelilere kadar tüm canlı organizmalarda bulunur.

Tarihi bakış açısı

Nükleik asitlerin keşfi

Nükleik asitlerin keşfi, Friedrich Miescher'in kromatini tanımladığı 1869 yılına dayanıyor. Miescher deneylerinde çekirdekten jelatinimsi bir malzeme çıkardı ve bu maddenin fosfor açısından zengin olduğunu keşfetti.

Başlangıçta, gizemli bir yapıya sahip olan malzeme "nüklein" olarak belirlendi. Daha sonra nüklein üzerinde yapılan deneyler, sadece fosfor açısından değil, aynı zamanda karbonhidratlar ve organik bazlar açısından da zengin olduğu sonucuna vardı.

Phoebus Levene, nükleinin doğrusal bir polimer olduğunu buldu. Nükleik asitlerin temel kimyasal özellikleri bilinmesine rağmen, bu polimer ile canlıların kalıtsal materyali arasında bir ilişki olduğu düşünülmemiştir.

DNA'nın işlevinin keşfi

1940'ların ortalarında, bir organizmanın bilgilerini iletmekten ve depolamaktan sorumlu molekülün, DNA kadar basit bir yapıya sahip bir molekülde bulunması - çok benzer dört monomerden (nükleotidler) oluşan zamanın biyologları için ikna edici değildi. her biri.

Proteinler, yani 20 çeşit amino asitten oluşan polimerler, o zamanlar kalıtım molekülü için en makul adaylar gibi görünüyordu.

Bu görüş, araştırmacı Fred Griffith'in nükleinin kalıtımda yer aldığından şüphelendiği 1928'de değişti. Son olarak, 1944'te Oswald Avery, DNA'nın genetik bilgi içerdiğine dair sağlam kanıtlarla sonuca varmayı başardı.

Böylece DNA, yalnızca dört yapı taşından oluşan, sıkıcı ve tekdüze bir molekül olmaktan çıkıp, muazzam sayıda bilginin depolanmasına izin veren ve onu kesin, kesin ve verimli bir şekilde koruyabilen ve iletebilen bir moleküle dönüştü.

DNA yapısının keşfi

1953 yılı, araştırmacılar James Watson ve Francis Crick'in DNA'nın doğru yapısını aydınlatmasıyla biyolojik bilimler için devrim niteliğindeydi.

X-ışını yansıma modellerinin analizlerine dayanarak, Watson ve Crick'in sonuçları, molekülün, fosfat gruplarının bir dış omurga oluşturduğu ve bazların iç kısma çıktığı bir çift sarmal olduğunu öne sürdü.

Tırabzanların fosfat gruplarına ve basamaklar tabanlara karşılık geldiği durumlarda genellikle bir merdiven analojisi kullanılır.

DNA dizilemesinin keşfi

Son yirmi yılda, DNA dizilemesi öncülüğünde biyolojide olağanüstü ilerlemeler meydana geldi. Teknolojik gelişmeler sayesinde, bugün DNA dizisini oldukça yüksek bir hassasiyetle bilmek için gerekli teknolojiye sahibiz - "sıra" ile bazların sırasını kastediyoruz.

Başlangıçta diziyi açıklığa kavuşturmak pahalı bir olaydı ve tamamlanması uzun zaman aldı. Şu anda tüm genomların dizilimini bilmek sorun değil.

karakteristikleri

Şarj ve çözünürlük

Adından da anlaşılacağı gibi nükleik asitlerin doğası asidiktir ve suda çözünürlüğü yüksek moleküllerdir; yani hidrofiliktirler. Fizyolojik pH'ta molekül, fosfat gruplarının varlığından dolayı negatif yüklüdür.

Bunun bir sonucu olarak, DNA'nın ilişkili olduğu proteinler, pozitif yüklü amino asit kalıntıları bakımından zengindir. DNA'nın doğru ilişkilendirilmesi, hücrelerde paketlenmesi için çok önemlidir.

viskozite

Nükleik asidin viskozitesi, çift bantlı veya tek bantlı olmasına bağlıdır. Çift bantlı DNA, yapısı sert olduğu ve deformasyona dirençli olduğu için yüksek viskoziteli çözümler oluşturur. Dahası, çaplarına göre oldukça uzun moleküllerdir.

Bunun aksine, düşük viskozite ile karakterize edilen tek bantlı nükleik asit çözeltileri de vardır.

istikrar

Nükleik asitlerin bir diğer özelliği de stabiliteleri. Doğal olarak, kalıtımın depolanması gibi vazgeçilmez bir görevi olan bir molekülün çok kararlı olması gerekir.

Nispeten, DNA, bir hidroksil grubuna sahip olmadığı için RNA'dan daha kararlıdır.

Bu kimyasal özelliğin, nükleik asitlerin evriminde ve kalıtsal materyal olarak DNA seçiminde önemli bir rol oynaması mümkündür.

Bazı yazarların öne sürdüğü varsayımsal geçişlere göre, evrim sürecinde RNA'nın yerini DNA almıştır. Ancak bugün RNA'yı genetik materyal olarak kullanan bazı virüsler var.

Ultraviyole ışık emilimi

Nükleik asitlerin emilimi ayrıca çift bantlı mı yoksa tek bantlı mı olduğuna bağlıdır. Yapısındaki halkaların absorpsiyon piki 260 nanometredir (nm).

Çift bantlı DNA zinciri ayrılmaya başladıkça, nükleotitleri oluşturan halkalar açığa çıktığı için yukarıda bahsedilen dalga boyundaki absorpsiyon artar.

Bu parametre laboratuvardaki moleküler biyologlar için önemlidir çünkü alımı ölçerek numunelerinde bulunan DNA miktarını tahmin edebilirler. Genel olarak, DNA'nın özellikleri hakkında bilgi, laboratuvarlarda saflaştırılmasına ve işlenmesine katkıda bulunur.

Sınıflandırma (türler)

İki ana nükleik asit DNA ve RNA'dır. Her ikisi de tüm canlıların bileşenleridir. DNA, deoksiribonükleik asit ve RNA, ribonükleik asit anlamına gelir. Her iki molekül de kalıtım ve protein sentezinde temel bir rol oynar.

DNA, bir organizmanın gelişimi için gerekli tüm bilgileri depolayan ve gen adı verilen işlevsel birimler halinde gruplandırılan moleküldür. RNA, bu bilgiyi almaktan sorumludur ve protein kompleksleri ile birlikte bilgiyi bir nükleotid zincirinden bir amino asit zincirine çevirir.

RNA zincirleri birkaç yüz veya birkaç bin nükleotid uzunluğunda olabilirken, DNA zincirleri milyonlarca nükleotidi aşıyor ve boyalarla boyandıklarında optik bir mikroskop ışığı altında görselleştirilebiliyor.

Her iki molekül arasındaki temel yapısal farklılıklar bir sonraki bölümde detaylandırılacaktır.

RNA

Hücrelerde, protein sentezini düzenlemek için birlikte çalışan farklı RNA türleri vardır. Üç ana RNA türü haberci, ribozomal ve transferdir.

Messenger RNA

Haberci RNA, DNA'da bulunan mesajı kopyalayıp ribozom adı verilen yapılarda gerçekleşen protein sentezine taşımaktan sorumludur.

Ribozomal veya ribozomal RNA

Ribozomal RNA, bu temel mekanizmanın bir parçası olarak bulunur: ribozom. Ribozomun% 60'ı ribozom RNA'dan oluşur ve geri kalanı neredeyse 80 farklı protein tarafından işgal edilir.

Transfer RNA

Transfer RNA, amino asitleri (proteinlerin yapı taşları) dahil edilecek olan ribozoma taşıyan bir tür moleküler adaptördür.

Küçük RNA

Bu üç temel türe ek olarak, son zamanlarda keşfedilen ve protein sentezi ve gen ifadesinde önemli bir rol oynayan birkaç ek RNA vardır.

SnRNA olarak kısaltılan küçük nükleer RNA'lar, haberci RNA'nın eklenmesine (intronların çıkarılmasından oluşan işlem) katalitik varlıklar olarak katılır.

Küçük nükleolar RNA'lar veya snoRNA'lar, ribozom alt biriminin bir parçasını oluşturan pre-ribozomal RNA transkriptlerinin işlenmesinde rol oynar. Bu nükleolusta meydana gelir.

Kısa karışan RNA'lar ve mikroRNA'lar, ana rolü gen ekspresyonunun modülasyonu olan küçük RNA dizileridir. MikroRNA'lar DNA'dan kodlanır, ancak proteinlere çevrilmeleri devam etmez. Tek sarmallıdırlar ve bir mesaj RNA'sını tamamlayarak proteinlere dönüşmesini engelleyebilirler.

Yapı ve kimyasal bileşim

Nükleik asitler, nükleotid adı verilen monomerik birimlerden oluşan uzun polimer zincirleridir. Her biri şunlardan oluşur:

Bir fosfat grubu

Dört tür nükleotid vardır ve ortak bir yapıları vardır: bir fosfodiester bağı yoluyla bir pentoza bağlı bir fosfat grubu. Fosfatların varlığı, moleküle bir asit karakteri verir. Fosfat grubu, hücrenin pH'ında ayrışır, bu nedenle negatif yüklüdür.

Bu negatif yük, nükleik asitlerin yükü pozitif olan moleküllerle ilişkilendirilmesine izin verir.

Hücrelerin içinde ve ayrıca hücre dışı sıvılarda küçük miktarlarda nükleosit bulunabilir. Bunlar, bir nükleotidin tüm bileşenlerinden oluşan, ancak fosfat gruplarından yoksun moleküllerdir.

Bu terminolojiye göre bir nükleotid, 5 'karbonda bulunan hidroksilde esterlenmiş bir, iki veya üç fosfat grubuna sahip bir nükleosittir. Üç fosfatlı nükleositler, hücredeki diğer işlevleri de yerine getirmelerine rağmen nükleik asitlerin sentezinde rol oynarlar.

Bir pentoz

Bir pentoz, beş karbon atomundan oluşan monomerik bir karbonhidrattır. DNA'da pentoz, karbon 2 'de bir hidroksil grubunun kaybı ile karakterize edilen bir deoksiribozdur. RNA'da pentoz bir ribozdur.

Azotlu bir baz

Pentoz ise organik bir baza bağlanır. Nükleotidin kimliği, bazın kimliği tarafından sağlanır. Baş harfleriyle kısaltılan beş tür vardır: adenin (A), guanin (G), sitozin (C), timin (T) ve urasil (U).

Literatürde, bu beş harfin tüm nükleotidi ifade etmek için kullanıldığını bulmamız yaygındır. Bununla birlikte, kesinlikle konuşursak, bunlar nükleotidin yalnızca bir parçasıdır.

İlk üçü, A, G ve C, hem DNA hem de RNA için ortaktır. Oysa T, DNA'ya özgüdür ve urasil, RNA molekülü ile sınırlıdır.

Yapısal olarak bazlar, halkaları karbon ve nitrojen moleküllerinden oluşan heterosiklik kimyasal bileşiklerdir. A ve G, bir çift kaynaşmış halkadan oluşur ve pürin grubuna aittir. Kalan bazlar pirimidinlere aittir ve yapıları tek bir halkadan oluşur.

Her iki tip nükleik asitte, ek bir metil grubu gibi bir dizi modifiye edilmiş baz bulmamız yaygındır.

Bu olay meydana geldiğinde bazın metillendiğini söylüyoruz. Prokaryotlarda genellikle metillenmiş adeninler bulunur ve hem prokaryotlarda hem de ökaryotlarda sitozinler ek bir metil grubuna sahip olabilir.

Polimerizasyon nasıl gerçekleşir?

Bahsettiğimiz gibi nükleik asitler, monomerlerden - nükleotidlerden oluşan uzun zincirlerdir. Zincirleri oluşturmak için bunlar belirli bir şekilde bağlanır.

Nükleotidler polimerize olduğunda, nükleotidlerden birinin şekerinin 3 'karbonunda bulunan hidroksil grubu (-OH), başka bir nükleotid molekülünden gelen fosfat grubu ile bir ester bağı oluşturur. Bu bağın oluşumu sırasında bir su molekülünün uzaklaştırılması gerçekleşir.

Bu tip reaksiyona "yoğunlaşma reaksiyonu" denir ve iki amino asit kalıntısı arasında proteinlerde peptid bağları oluştuğunda meydana gelen reaksiyona çok benzer. Her nükleotid çifti arasındaki bağlara fosfodiester bağları denir.

Polipeptidlerde olduğu gibi, nükleik asit zincirlerinin uçlarında iki kimyasal yönelim vardır: Biri, uç şekerin 5 'karbonunda serbest bir hidroksil grubu veya bir fosfat grubu içeren 5' ucudur, 3 ucunda ise "Karbon 3'ün serbest bir hidroksil grubu" bulduk.

Her DNA bloğunun, bir ucu yerleştirilmiş ve başka bir bloğun eklenmesinin gerçekleşebileceği boş bir delik olan bir Lego seti olduğunu hayal edelim. Fosfatlı 5 'uç, yerleştirilecek uç olacaktır ve 3', serbest deliğe benzer.

Diğer nükleotidler

Hücrede, yukarıda belirtilenden farklı bir yapıya sahip başka bir nükleotid türü buluyoruz. Bunlar nükleik asitlerin bir parçası olmayacak olsa da çok önemli biyolojik roller oynarlar.

En alakalı olanlar arasında, diğerleri arasında FMN, koenzim A, adenin dinükleotid ve nikotinamin olarak bilinen riboflavin mononükleotidimiz var.

RNA yapısı

Nükleik asit polimerinin doğrusal yapısı, bu moleküllerin birincil yapısına karşılık gelir. Polinükleotidler ayrıca kovalent olmayan kuvvetler tarafından stabilize edilmiş üç boyutlu diziler oluşturma yeteneğine de sahiptir - proteinlerde bulunan katlanmaya benzer.

DNA ve RNA'nın birincil bileşimi oldukça benzer olsa da (yukarıda bahsedilen farklılıklar dışında), yapılarının yapısı belirgin şekilde farklıdır. RNA'lar, farklı düzenlemeler alabilmesine rağmen, genellikle tek bir nükleotid zinciri olarak bulunur.

Örneğin, transfer RNA'lar 100'den az nükleotidden oluşan küçük moleküllerdir. Tipik ikincil yapısı, üç kollu bir yonca şeklindedir. Yani RNA molekülü, içinde tamamlayıcı bazlar bulur ve kendi üzerine katlanabilir.

Ribozomal RNA'lar, karmaşık üç boyutlu konformasyonlar alan ve ikincil ve üçüncül yapı sergileyen daha büyük moleküllerdir.

DNA yapısı

Çift sarmal

Doğrusal RNA'nın aksine, DNA düzenlemesi iç içe geçmiş iki şeritten oluşur. Bu yapısal farklılık, belirli işlevlerini yerine getirmek için çok önemlidir. RNA, şekerinin sunduğu ek OH grubu tarafından empoze edilen sterik bir engelden dolayı bu tip sarmalları oluşturmaya muktedir değildir.

Temel tamamlayıcılık

Bazlar arasında tamamlayıcılık vardır. Yani boyutlarının, şekillerinin ve kimyasal bileşimlerinin bir sonucu olarak pürinler, hidrojen bağları yoluyla bir pirimidin ile eşleşmelidir. Bu nedenle, doğal DNA'da, A'nın neredeyse her zaman T ve G ile C ile eşleştiğini ve partnerleriyle hidrojen bağları oluşturduğunu görüyoruz.

G ve C arasındaki baz çiftleri üç hidrojen bağıyla bağlanırken, A ve T çifti daha zayıftır ve yalnızca iki hidrojen bağı onları bir arada tutar.

DNA zincirleri ayrılabilir (bu hem hücrede hem de laboratuar prosedürlerinde gerçekleşir) ve gereken ısı moleküldeki GC miktarına bağlıdır: ne kadar büyükse, onu ayırmak için o kadar fazla enerji gerekir.

İp yönü

DNA'nın bir başka özelliği de zıt yönelimidir: Bir iplik 5'-3 'yönünde çalışırken, ortağı 3'-5' yönünde hareket eder.

Doğal uyumlar ve laboratuvarda

Normalde doğada bulduğumuz yapı veya konformasyona DNA B denir. Bu, her dönüş için 3.4 mesafeyle ayrılmış 10.4 nükleotide sahip olmakla karakterize edilir. DNA B sağa döner.

Bu sargı modeli, biri daha büyük diğeri daha küçük olmak üzere iki oluğun ortaya çıkmasına neden olur.

Laboratuvarda (sentetik) oluşan nükleik asitlerde, çok özel koşullar altında da ortaya çıkan başka konformasyonlar bulunabilir. Bunlar DNA A ve DNA Z'dir.

A Varyantı, doğal olandan daha kısa ve biraz daha geniş olmasına rağmen sağa dönüşü de yapar. Molekül, nem azaldığında bu şekli alır. Her 11 baz çiftinde bir döner.

Son varyant, dar olması ve sola dönmesi ile karakterize edilen Z'dir. Bir çift antiparalel zincir halinde gruplanmış bir grup heksanükleotit tarafından oluşturulur.

Özellikleri

DNA: kalıtım molekülü

DNA, bilgiyi depolayabilen bir moleküldür. Gezegenimizde bildiğimiz haliyle hayat, bu tür bilgileri saklama ve tercüme etme yeteneğine bağlıdır.

Hücre için DNA, canlı bir organizmanın üretimi, geliştirilmesi ve bakımı için gerekli tüm talimatların bulunduğu bir tür kitaplıktır.

DNA molekülünde, gen adı verilen ayrı işlevsel varlıklardan oluşan bir organizasyon buluyoruz. Bazıları proteinlere taşınacak, bazıları ise düzenleyici işlevleri yerine getirecek.

Önceki bölümde anlattığımız DNA'nın yapısı, işlevlerini yerine getirmenin anahtarıdır. Heliks, çoğaltma ve kopyalama olayları için önemli bir özellik olan kolayca ayrılabilmeli ve birleşebilmelidir.

DNA, prokaryotlarda sitoplazmalarında belirli bir bölgede bulunurken, ökaryotlarda çekirdek içinde bulunur.

RNA: çok işlevli bir molekül

Protein sentezinde rol

RNA, protein sentezinin farklı aşamalarında ve gen ifadesinin düzenlenmesinde bulduğumuz bir nükleik asittir.

Protein sentezi, DNA'daki şifrelenmiş mesajın haberci RNA molekülüne transkripsiyonu ile başlar. Daha sonra, haberci, intron adıyla bilinen, çevrilmeyecek kısımları ortadan kaldırmalıdır.

RNA mesajının amino asit kalıntılarına çevrilmesi için iki ek bileşen gereklidir: ribozomların bir parçası olan ribozomal RNA ve amino asitleri taşıyan ve peptit zincirine doğru amino asidi yerleştirmekten sorumlu olan transfer RNA. Eğitimde.

Diğer bir deyişle, her bir ana RNA türü bu süreçte kritik bir rol oynar. DNA'dan haberci RNA'ya ve son olarak proteinlere geçiş, biyologların "biyolojinin temel dogması" dedikleri şeydir.

Bununla birlikte, bilim dogmalara dayanamayacağından, retrovirüsler gibi bu önermenin yerine getirilmediği farklı durumlar vardır.

Düzenlemedeki rolü

Yukarıda belirtilen küçük RNA'lar, haberci RNA'nın sentezini düzenleyerek ve ifadenin düzenlenmesine katılarak senteze dolaylı olarak katılır.

Örneğin, hücrede, buna tamamlayıcı bir diziye sahip olan küçük RNA'lar tarafından düzenlenen farklı haberci RNA'lar vardır. Küçük RNA mesaja bağlanırsa, haberciyi parçalayabilir ve böylece çevirisini engelleyebilir. Bu şekilde düzenlenen birden fazla süreç vardır.

Referanslar

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2015). Temel hücre biyolojisi. Garland Bilimi.
2. Berg, JM, Tymoczko, JL, Stryer, L. (2002). Biyokimya. 5. baskı. WH Freeman.
3. Cooper, GM ve Hausman, RE (2000). Hücre: Moleküler yaklaşım. Sinauer Associates.
4. Curtis, H. ve Barnes, NS (1994). Biyolojiye davet. Macmillan.
5. Fierro, A. (2001). DNA yapısının keşfinin kısa tarihi. Rev Méd Clínica Las Condes, 20, 71-75.
6. Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) Kökeni ve DNA ve DNA Çoğaltma Makinelerinin Evrimi. In: Madame Curie Bioscience Veritabanı. Austin (TX): Landes Bioscience.
7. Karp, G. (2009). Hücre ve moleküler biyoloji: kavramlar ve deneyler. John Wiley & Sons.
8. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L. ve Oro, J. (1988). Erken hücrelerde RNA'dan DNA'ya evrimsel geçiş. Moleküler evrim dergisi, 27 (4), 283-290.
9. Lodish, H., Berk, A., Darnell, JE, Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP,… & Matsudaira, P. (2008). Moleküler hücre biyolojisi. Macmillan.
10. Voet, D. ve Voet, JG (2006). Biyokimya. Panamerican Medical Ed.
11. Voet, D., Voet, JG ve Pratt, CW (1999). Biyokimyanın temelidir. New York: John Willey and Sons.