3.5: Nucleic Acids

Ujuzi wa Kuendeleza

• Eleza muundo wa asidi ya nucleic na kufafanua aina mbili za asidi za nucleic
• Eleza muundo na jukumu la DNA
• Eleza muundo na majukumu ya RNA

Asidi ya nucleic ni macromolecules muhimu zaidi kwa kuendelea kwa maisha. Wao hubeba mwongozo wa maumbile ya kiini na kubeba maagizo ya utendaji wa seli.

DNA na RNA

Aina mbili kuu za asidi nucleic ni asidi deoxyribonucleic (DNA) na asidi ribonucleic (RNA). DNA ni nyenzo za maumbile zinazopatikana katika viumbe hai vyote, kuanzia bakteria moja ya seli hadi mamalia ya seli mbalimbali. Inapatikana katika kiini cha eukaryotes na katika organelles, chloroplasts, na mitochondria. Katika prokaryotes, DNA haijafungwa katika bahasha ya membranous.

Maudhui yote ya maumbile ya kiini yanajulikana kama genome yake, na utafiti wa genomes ni genomics. Katika seli za eukaryotiki lakini si katika prokaryotes, DNA huunda tata na protini za histone kuunda chromatin, dutu la kromosomu za eukaryotiki. Chromosome inaweza kuwa na makumi ya maelfu ya jeni. Jeni nyingi zina habari za kutengeneza bidhaa za protini; jeni nyingine hufuatilia bidhaa za RNA. DNA hudhibiti shughuli zote za seli kwa kugeuza jeni “juu” au “kuzima.”

Aina nyingine ya asidi ya nucleic, RNA, inahusika zaidi katika awali ya protini. Molekuli za DNA haziziacha kamwe kiini lakini badala yake hutumia mpatanishi kuwasiliana na seli zingine. Mpatanishi huyu ni RNA mjumbe (mRNA). Aina nyingine za RNA-kama rRNA, tRNA, na microRNA-zinahusika katika usanisi wa protini na kanuni zake.

DNA na RNA zinajumuishwa na monoma inayojulikana kama nucleotidi. Nucleotides huchanganya na kuunda polynucleotide, DNA au RNA. Kila nucleotide inajumuisha vipengele vitatu: msingi wa nitrojeni, sukari ya pentose (tano kaboni), na kikundi cha phosphate (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Kila msingi wa nitrojeni katika nucleotide unaunganishwa na molekuli ya sukari, ambayo inaunganishwa na makundi moja au zaidi ya phosphate.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Nucleotide inajumuisha vipengele vitatu: msingi wa nitrojeni, sukari ya pentose, na makundi moja au zaidi ya phosphate. Mabaki ya kaboni katika pentose yanahesabiwa 1′ hadi 5′ (mkuu hufafanua mabaki haya kutoka kwa yale yaliyo kwenye msingi, ambayo yanahesabiwa bila kutumia nukuu kuu). Msingi unaunganishwa na nafasi ya 1 ya ribose, na phosphate inaunganishwa na nafasi ya 5. Wakati polynucleotide inapoundwa, phosphate ya 5 ya nucleotide inayoingia inahusisha kikundi cha 3 cha hidroxyl mwishoni mwa mlolongo unaoongezeka. Aina mbili za pentose zinapatikana katika nucleotidi, deoxyribose (zinazopatikana katika DNA) na ribose (zinazopatikana katika RNA). Deoxyribose ni sawa katika muundo kwa ribose, lakini ina H badala ya OH katika nafasi 2′. Msingi unaweza kugawanywa katika makundi mawili: purines na pyrimidines. Purines zina muundo wa pete mbili, na pyrimidines zina pete moja.

Misingi ya nitrojeni, vipengele muhimu vya nucleotides, ni molekuli za kikaboni na huitwa hivyo kwa sababu zina kaboni na nitrojeni. Ni besi kwa sababu zina kundi la amino ambalo lina uwezo wa kumfunga hidrojeni ya ziada, na hivyo, hupungua mkusanyiko wa ioni ya hidrojeni katika mazingira yake, na kuifanya kuwa msingi zaidi. Kila nucleotide katika DNA ina moja ya besi nne zinazowezekana za nitrojeni: adenine (A), guanine (G) cytosine (C), na thymine (T).

Adenine na guanine huwekwa kama purines. Mfumo wa msingi wa purine ni pete mbili za kaboni-nitrojeni. Cytosine, thymine, na uracil huwekwa kama pyrimidines ambazo zina pete moja ya kaboni-nitrojeni kama muundo wao wa msingi (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Kila moja ya pete hizi za msingi za kaboni-nitrojeni zina makundi tofauti ya kazi yaliyounganishwa nayo. Katika shorthand ya biolojia ya Masi, besi za nitrojeni zinajulikana tu kwa alama zao A, T, G, C, na U. DNA ina A, T, G, na C ambapo RNA ina A, U, G, na C.

Sukari ya pentose katika DNA ni deoxyribose, na katika RNA, sukari ni ribose (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Tofauti kati ya sukari ni uwepo wa kundi la hidroxyl kwenye kaboni ya pili ya ribose na hidrojeni kwenye kaboni ya pili ya deoxyribose. Atomi za kaboni za molekuli ya sukari zinahesabiwa kama 1′, 2′, 3′, 4′, na 5′ (1′ inasomewa kama “mkuu mmoja”). Mabaki ya phosphate yanaunganishwa na kundi la hidroxyl la kaboni ya 5 ya sukari moja na kikundi cha hidroxyl cha kaboni ya 3 ya sukari ya nucleotide inayofuata, ambayo huunda uhusiano wa phosphodiester wa 5'3. Uhusiano wa phosphodiester hauundwa na mmenyuko rahisi wa maji mwilini kama uhusiano mwingine unaounganisha monoma katika macromolecules: malezi yake inahusisha kuondolewa kwa makundi mawili ya phosphate. Polynucleotide inaweza kuwa na maelfu ya uhusiano huo wa phosphodiester.

DNA Double-Helix Muundo

DNA ina muundo wa mara mbili-helix (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)). Sukari na phosphate hulala nje ya helix, na kutengeneza uti wa mgongo wa DNA. Besi za nitrojeni zimewekwa ndani ya mambo ya ndani, kama hatua za staircase, kwa jozi; jozi zimefungwa kwa vifungo vya hidrojeni. Kila jozi ya msingi katika helivx mbili hutenganishwa na jozi ya pili ya msingi na 0.34 nm. Vipande viwili vya helix vinaendesha kwa njia tofauti, maana yake ni kwamba mwisho wa kaboni wa 5 wa kamba moja utakabiliwa na mwisho wa kaboni ya 3 ya kamba yake inayofanana. (Hii inajulikana kama mwelekeo antiparallel na ni muhimu kwa replication DNA na katika mwingiliano wengi nucleic asidi.)

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): DNA Native ni antiparallel mara mbili helix. Uti wa mgongo wa phosphate (unaonyeshwa na mistari ya mviringo) iko nje, na besi ziko ndani. Kila msingi kutoka kwa kamba moja huingiliana kupitia bonding ya hidrojeni na msingi kutoka kwa kamba iliyopinga. (mikopo: Jerome Walker/Dennis Myts)

Aina fulani tu za pairing ya msingi zinaruhusiwa. Kwa mfano, purine fulani inaweza tu kuunganisha na pyrimidine fulani. Hii ina maana A unaweza jozi na T, na G unaweza jozi na C, kama inavyoonekana katika Kielelezo\(\PageIndex{3}\). Hii inajulikana kama utawala wa msingi wa ziada. Kwa maneno mengine, vipande vya DNA vinaongezea. Ikiwa mlolongo wa strand moja ni AATTGGCC, strand ya ziada ingekuwa na mlolongo wa TTAACCGG. Wakati wa replication DNA, kila strand ni kunakiliwa, kusababisha binti DNA mara mbili helix zenye moja ya wazazi DNA strand na strand wapya synthesized.

Sanaa Connection

Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Katika mara mbili stranded DNA molekuli, kuachwa mbili kukimbia antiparallel kwa mtu mwingine ili strand moja anaendesha 5'kwa 3′ na nyingine 3 'kwa 5′. Uti wa mgongo wa phosphate iko nje, na besi ziko katikati. Adenine huunda vifungo vya hidrojeni (au jozi za msingi) na thymine, na jozi za msingi za guanine na cytosine.

Mabadiliko hutokea, na cytosine inabadilishwa na adenine. Unadhani athari gani hii itakuwa na juu ya muundo wa DNA?

RNA

Asidi ya Ribonucleic, au RNA, inashiriki hasa katika mchakato wa awali ya protini chini ya uongozi wa DNA. RNA mara nyingi hupigwa moja na hutengenezwa kwa ribonucleotidi ambazo zinaunganishwa na vifungo vya phosphodiester. Ribonucleotide katika mlolongo wa RNA ina ribose (sukari ya pentose), moja ya besi nne za nitrojeni (A, U, G, na C), na kikundi cha phosphate.

Kuna aina nne kuu za RNA: RNA ya mjumbe (mRNA), RNA ya ribosomal (rRNA), RNA ya uhamisho (tRNA), na microRNA (MirNA). Ya kwanza, mRNA, hubeba ujumbe kutoka kwa DNA, ambayo hudhibiti shughuli zote za mkononi kwenye seli. Ikiwa kiini kinahitaji protini fulani kuunganishwa, jeni ya bidhaa hii imegeuka “juu” na RNA ya mjumbe hutengenezwa katika kiini. Mlolongo wa msingi wa RNA ni nyongeza kwa mlolongo wa coding wa DNA ambayo imechapishwa. Hata hivyo, katika RNA, T msingi haipo na U iko badala yake. Ikiwa strand ya DNA ina mlolongo AATTGCGC, mlolongo wa RNA ya ziada ni UUAACGCG. Katika cytoplasm, mRNA inakabiliana na ribosomes na mashine nyingine za mkononi (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{4}\): Ribosome ina sehemu mbili: subunit kubwa na subunit ndogo. MRNA inakaa kati ya subunits mbili. Molekuli ya tRNA inatambua codon kwenye mRNA, hufunga kwa kuunganisha msingi wa ziada, na huongeza asidi amino sahihi kwa mlolongo unaoongezeka wa peptide.

MRNA inasomewa katika seti ya misingi mitatu inayojulikana kama codons. Kila codon codes kwa asidi moja amino. Kwa njia hii, mRNA inasoma na bidhaa za protini zinafanywa. RNA ya Ribosomal (rRNA) ni sehemu kubwa ya ribosomes ambayo mRNA inafunga. RRNA inahakikisha usawa sahihi wa mRNA na ribosomu; rRNA ya ribosomu pia ina shughuli ya enzymatic (peptidyl transferase) na huchochea malezi ya vifungo vya peptidi kati ya asidi amino mbili zilizokaa. RNA ya uhamisho (tRNA) ni mojawapo kati ya aina ndogo zaidi ya aina nne za RNA, kwa kawaida nyukleotidi 70—90 kwa muda mrefu. Inabeba asidi amino sahihi kwenye tovuti ya awali ya protini. Ni pairing ya msingi kati ya tRNA na mRNA ambayo inaruhusu asidi amino sahihi kuingizwa katika mnyororo wa polipeptidi. MicroRNAs ni molekuli ndogo za RNA na jukumu lao linahusisha udhibiti wa kujieleza jeni kwa kuingilia usemi wa ujumbe fulani wa mRNA. Jedwali\(\PageIndex{1}\) hapa chini linafupisha sifa za DNA na RNA.

Jedwali\(\PageIndex{1}\): Makala ya DNA na RNA.

	DNA	RNA
Kazi	Hubeba habari za maumbile	Kushiriki katika protini awali
Eneo	Inakaa katika kiini	Majani ya kiini
Muundo	mara mbili helix	Kawaida moja-stranded
Sugar	Deoxyribose	Ribose
Pyrimidines	Cytosine, thymine	Cytosine, uracil
Purines	Adenine, guanine	Adenine, guanine

Ingawa RNA ni moja iliyopigwa, aina nyingi za RNA zinaonyesha pairing kubwa ya msingi ya intramolecular kati ya utaratibu wa ziada, na kujenga muundo wa tatu-dimensional unaohitajika kwa kazi zao.

Kama umejifunza, mtiririko wa habari katika kiumbe unafanyika kutoka DNA hadi RNA hadi protini. DNA inaamuru muundo wa mRNA katika mchakato unaojulikana kama transcription, na RNA inaamuru muundo wa protini katika mchakato unaojulikana kama tafsiri. Hii inajulikana kama Dogma ya Kati ya Maisha, ambayo inashikilia kweli kwa viumbe vyote; hata hivyo, isipokuwa kwa utawala hutokea kuhusiana na maambukizi ya virusi.

Unganisha na Kujifunza

Ili kujifunza zaidi kuhusu DNA, kuchunguza Howard Hughes Medical Institute michoro BioInteractive juu ya mada ya DNA.

Muhtasari

Asidi ya nucleic ni molekuli iliyoundwa na nucleotidi zinazoelekeza shughuli za seli kama vile mgawanyiko wa seli na usanisi wa protini. Kila nucleotide inajumuisha sukari ya pentose, msingi wa nitrojeni, na kundi la phosphate. Kuna aina mbili za asidi nucleic: DNA na RNA. DNA hubeba mwongozo wa maumbile ya seli na hupitishwa kutoka kwa wazazi hadi watoto (kwa namna ya chromosomes). Ina muundo wa mara mbili-helical na vipande viwili vinavyoendesha kwa njia tofauti, kushikamana na vifungo vya hidrojeni, na kuongezea kwa kila mmoja. RNA ni moja iliyopigwa na imefanywa kwa sukari ya pentose (ribose), msingi wa nitrojeni, na kikundi cha phosphate. RNA inashiriki katika awali ya protini na kanuni zake. Mtume RNA (mRNA) inakiliwa kutoka DNA, ni nje kutoka kiini kwa cytoplasm, na ina taarifa kwa ajili ya ujenzi wa protini. RNA ya ribosomal (rRNA) ni sehemu ya ribosomu kwenye tovuti ya awali ya protini, ambapo uhamisho RNA (tRNA) hubeba asidi amino kwenye tovuti ya awali ya protini. MicroRNA inasimamia matumizi ya mRNA kwa usanisi wa protini.

Sanaa Connections

Kielelezo\(\PageIndex{3}\): A mutation occurs, and cytosine is replaced with adenine. What impact do you think this will have on the DNA structure?

Answer

Adenine is larger than cytosine and will not be able to base pair properly with the guanine on the opposing strand. This will cause the DNA to bulge. DNA repair enzymes may recognize the bulge and replace the incorrect nucleotide.

Glossary

deoxyribonucleic acid (DNA)

double-helical molecule that carries the hereditary information of the cell

messenger RNA (mRNA)

RNA that carries information from DNA to ribosomes during protein synthesis

nucleic acid

biological macromolecule that carries the genetic blueprint of a cell and carries instructions for the functioning of the cell

nucleotide

monomer of nucleic acids; contains a pentose sugar, one or more phosphate groups, and a nitrogenous base

phosphodiester

linkage covalent chemical bond that holds together the polynucleotide chains with a phosphate group linking two pentose sugars of neighboring nucleotides

polynucleotide

long chain of nucleotides

purine

type of nitrogenous base in DNA and RNA; adenine and guanine are purines

pyrimidine

type of nitrogenous base in DNA and RNA; cytosine, thymine, and uracil are pyrimidines

ribonucleic acid (RNA)

single-stranded, often internally base paired, molecule that is involved in protein synthesis

ribosomal RNA (rRNA)

RNA that ensures the proper alignment of the mRNA and the ribosomes during protein synthesis and catalyzes the formation of the peptide linkage

transcription

process through which messenger RNA forms on a template of DNA

transfer RNA (tRNA)

RNA that carries activated amino acids to the site of protein synthesis on the ribosome

translation

process through which RNA directs the formation of protein