ASID NUKLEIK: CIRI, FUNGSI, STRUKTUR - BIOLOGI - 2026

The asid nukleik adalah biomolekul besar dibentuk oleh unit atau monomer dipanggil nukleotida. Mereka bertanggungjawab untuk penyimpanan dan penghantaran maklumat genetik. Mereka juga mengambil bahagian dalam setiap langkah sintesis protein.

Secara struktural, setiap nukleotida terdiri daripada kumpulan fosfat, gula lima karbon dan asas nitrogen heterosiklik (A, T, C, G dan U). Pada pH fisiologi, asid nukleik bermuatan negatif, larut dalam air, membentuk larutan likat, dan cukup stabil.

Sumber: pixabay.com

Terdapat dua jenis asid nukleik utama: DNA dan RNA. Komposisi kedua-dua asid nukleik serupa: di kedua-duanya kita dapati satu siri nukleotida yang dihubungkan oleh ikatan fosfodiester. Walau bagaimanapun, dalam DNA kita dapati timin (T) dan dalam RNA uracil (U).

DNA lebih panjang dan dalam konfigurasi heliks berganda dan RNA terdiri daripada sehelai helai. Molekul ini terdapat di semua organisma hidup, dari virus hingga mamalia besar.

Perspektif bersejarah

Penemuan asid nukleik

Penemuan asid nukleik bermula pada tahun 1869 ketika Friedrich Miescher mengenal pasti kromatin. Dalam eksperimennya, Miescher mengekstrak bahan agar-agar dari inti dan mendapati bahawa bahan ini kaya dengan fosfor.

Pada mulanya, bahan yang bersifat misterius ditetapkan sebagai "nuklein". Percubaan nuklein kemudiannya menyimpulkan bahawa ia bukan sahaja kaya dengan fosforus, tetapi juga karbohidrat dan asas organik.

Phoebus Levene mendapati bahawa nuklein adalah polimer linear. Walaupun sifat kimia asas asid nukleik telah diketahui, tidak dianggap ada hubungan antara polimer ini dan bahan keturunan makhluk hidup.

Penemuan fungsi DNA

Pada pertengahan tahun 1940-an, adalah tidak meyakinkan para ahli biologi pada masa itu bahawa molekul yang bertugas menghantar dan menyimpan maklumat organisma berada dalam molekul dengan konformasi semudah DNA - terdiri daripada empat monomer yang sangat serupa (nukleotida) masing-masing.

Protein, polimer yang terdiri daripada 20 jenis asid amino, pada masa itu merupakan calon yang paling masuk akal untuk menjadi molekul keturunan.

Pandangan ini berubah pada tahun 1928, ketika penyelidik Fred Griffith mengesyaki bahawa nuklein terlibat dalam keturunan. Akhirnya, pada tahun 1944 Oswald Avery berjaya menyimpulkan dengan bukti kukuh bahawa DNA mengandungi maklumat genetik.

Oleh itu, DNA berubah menjadi molekul yang membosankan dan monoton, terdiri dari hanya empat blok bangunan, menjadi molekul yang memungkinkan penyimpanan sejumlah besar maklumat, dan yang dapat menyimpan dan menyebarkannya dengan cara yang tepat, tepat dan efisien.

Penemuan struktur DNA

Tahun 1953 adalah revolusi untuk sains biologi, ketika penyelidik James Watson dan Francis Crick menjelaskan struktur DNA yang betul.

Berdasarkan analisis corak pantulan sinar-X, hasil Watson dan Crick menunjukkan bahawa molekul itu adalah heliks berganda, di mana kumpulan fosfat membentuk tulang belakang luar dan pangkalan memproyeksikan ke pedalaman.

Analogi tangga biasanya digunakan, di mana pegangan tangan sesuai dengan kumpulan fosfat dan anak tangga ke pangkalan.

Penemuan penjujukan DNA

Dalam dua dekad terakhir, kemajuan biologi yang luar biasa telah terjadi, dipimpin oleh penjujukan DNA. Berkat kemajuan teknologi, hari ini kita mempunyai teknologi yang diperlukan untuk mengetahui urutan DNA dengan ketepatan yang cukup tinggi - dengan "urutan" kita bermaksud susunan asas.

Pada mulanya, menjelaskan urutan adalah peristiwa yang mahal dan memerlukan masa yang lama untuk disiapkan. Buat masa ini tidak menjadi masalah untuk mengetahui urutan keseluruhan genom.

ciri

Cas dan kelarutan

Seperti namanya, sifat asid nukleik adalah berasid dan mereka adalah molekul dengan kelarutan tinggi dalam air; iaitu hidrofilik. Pada pH fisiologi, molekul itu bermuatan negatif, kerana adanya kumpulan fosfat.

Akibatnya, protein yang dikaitkan dengan DNA kaya dengan residu asid amino dengan muatan positif. Perkaitan DNA yang betul sangat penting untuk pembungkusannya dalam sel.

Kelikatan

Kelikatan asid nukleik bergantung pada sama ada pita ganda atau jalur tunggal. DNA jalur dua membentuk penyelesaian dengan kelikatan tinggi, kerana strukturnya kaku, menentang ubah bentuk. Selanjutnya, molekul-molekulnya sangat panjang berkaitan dengan diameternya.

Sebaliknya, terdapat juga larutan asid nukleik jalur tunggal, yang dicirikan oleh kelikatan rendah.

Kestabilan

Ciri lain asid nukleik adalah kestabilannya. Secara semula jadi, molekul dengan tugas yang sangat diperlukan kerana penyimpanan harta pusaka mesti sangat stabil.

Secara perbandingan, DNA lebih stabil daripada RNA, kerana kekurangan kumpulan hidroksil.

Ada kemungkinan ciri kimia ini memainkan peranan penting dalam evolusi asid nukleik dan dalam pemilihan DNA sebagai bahan keturunan.

Menurut peralihan hipotesis yang dikemukakan oleh beberapa pengarang, RNA digantikan oleh DNA dalam proses evolusi. Namun, hari ini terdapat beberapa virus yang menggunakan RNA sebagai bahan genetik.

Penyerapan cahaya ultraviolet

Penyerapan asid nukleik juga bergantung kepada sama ada jalur dua atau jalur tunggal. Puncak penyerapan cincin dalam strukturnya ialah 260 nanometer (nm).

Apabila helai DNA jalur dua mula terpisah, penyerapan pada panjang gelombang yang disebutkan di atas meningkat, kerana cincin yang membentuk nukleotida terdedah.

Parameter ini penting bagi ahli biologi molekul di makmal, kerana dengan mengukur penyerapan mereka dapat menganggarkan jumlah DNA yang ada dalam sampel mereka. Secara umum, pengetahuan mengenai sifat DNA menyumbang kepada pemurnian dan rawatannya di makmal.

Klasifikasi (jenis)

Dua asid nukleik utama adalah DNA dan RNA. Kedua-duanya adalah komponen dari semua makhluk hidup. DNA bermaksud asid deoksiribonukleik dan RNA untuk asid ribonukleik. Kedua-dua molekul memainkan peranan penting dalam keturunan dan sintesis protein.

DNA adalah molekul yang menyimpan semua maklumat yang diperlukan untuk pengembangan organisma, dan dikelompokkan menjadi unit fungsional yang disebut gen. RNA bertanggungjawab untuk mengambil maklumat ini dan, bersama dengan kompleks protein, menerjemahkan maklumat dari rantai nukleotida ke rantai asid amino.

Helai RNA boleh panjang beberapa ratus atau beberapa ribu nukleotida, sementara helai DNA melebihi berjuta-juta nukleotida dan dapat dilihat di bawah cahaya mikroskop optik jika mereka diwarnai dengan pewarna.

Perbezaan struktur asas antara kedua molekul akan diperincikan di bahagian seterusnya.

RNA

Dalam sel, terdapat pelbagai jenis RNA yang bersama-sama berfungsi untuk mengatur sintesis protein. Tiga jenis utama RNA adalah messenger, ribosomal, dan transfer.

Messenger RNA

Messenger RNA bertanggungjawab menyalin mesej yang ada dalam DNA dan mengangkutnya ke sintesis protein yang berlaku dalam struktur yang disebut ribosom.

RNA ribosom atau ribosom

Ribosomal RNA dijumpai sebagai sebahagian daripada mesin penting ini: ribosom. Dari ribosom, 60% terdiri daripada RNA ribosom dan selebihnya dihuni oleh hampir 80 protein yang berbeza.

Pindahkan RNA

Transfer RNA adalah sejenis penyesuai molekul yang mengangkut asid amino (blok protein) ke ribosom, untuk dimasukkan.

RNA kecil

Sebagai tambahan kepada ketiga jenis asas ini, terdapat sejumlah RNA tambahan yang baru-baru ini ditemui yang memainkan peranan penting dalam sintesis protein dan ekspresi gen.

RNA nuklear kecil, disingkat snRNA, berpartisipasi sebagai entiti pemangkin dalam penyambungan (proses mengeluarkan intron) RNA pemesejan.

RNA nukleolar kecil atau snoRNA terlibat dalam pemprosesan transkrip RNA pra-ribosom yang akan menjadi sebahagian daripada subunit ribosom. Ini berlaku di nukleolus.

RNA gangguan pendek dan mikroRNA adalah urutan RNA kecil yang peranan utamanya adalah modulasi ekspresi gen. MicroRNA dikodkan dari DNA, tetapi terjemahannya ke dalam protein tidak berterusan. Mereka adalah helai tunggal dan dapat melengkapkan RNA mesej, menghalang terjemahannya menjadi protein.

Struktur dan komposisi kimia

Asid nukleik adalah rantai polimer panjang yang terdiri daripada unit monomer yang disebut nukleotida. Masing-masing terdiri daripada:

Kumpulan fosfat

Terdapat empat jenis nukleotida dan mereka mempunyai struktur yang sama: kumpulan fosfat yang dihubungkan dengan pentosa melalui ikatan fosfodiester. Kehadiran fosfat memberikan molekul sifat asid. Kumpulan fosfat dipisahkan pada pH sel, jadi ia dikenakan secara negatif.

Cas negatif ini membolehkan perkaitan asid nukleik dengan molekul yang muatannya positif.

Sejumlah kecil nukleosida dapat dijumpai di dalam sel dan juga dalam cairan ekstraselular. Ini adalah molekul yang terdiri dari semua komponen nukleotida, tetapi kekurangan kumpulan fosfat.

Menurut nomenklatur ini, nukleotida adalah nukleosida yang mempunyai satu, dua atau tiga kumpulan fosfat yang diesterifikasi pada hidroksil yang terletak pada karbon 5 '. Nukleosida dengan tiga fosfat terlibat dalam sintesis asid nukleik, walaupun mereka juga memenuhi fungsi lain dalam sel.

Pentosa

Pentosa adalah karbohidrat monomer yang terdiri daripada lima atom karbon. Dalam DNA, pentosa adalah deoxyribose, yang dicirikan oleh kehilangan kumpulan hidroksil pada karbon 2 '. Dalam RNA, pentosa adalah ribosa.

Asas nitrogen

Pentosa seterusnya diikat pada asas organik. Identiti nukleotida disediakan oleh identiti asas. Terdapat lima jenis, disingkat dengan inisialnya: adenin (A), guanine (G), sitosin (C), timin (T), dan uracil (U).

Sudah biasa dalam literatur bahawa kita mendapati bahawa lima huruf ini digunakan untuk merujuk kepada keseluruhan nukleotida. Namun, secara tegas, ini hanyalah sebahagian daripada nukleotida.

Tiga yang pertama, A, G dan C, biasa bagi DNA dan RNA. Manakala T unik untuk DNA dan uracil dibatasi pada molekul RNA.

Secara struktural, asas adalah sebatian kimia heterosiklik, cincin yang terdiri daripada molekul karbon dan nitrogen. A dan G dibentuk oleh sepasang cincin bersatu dan tergolong dalam kumpulan purin. Baki selebihnya adalah milik piramidin dan strukturnya terdiri daripada satu cincin.

Adalah biasa bahawa dalam kedua-dua jenis asid nukleik kita dapati satu siri asas yang diubah, seperti kumpulan metil tambahan.

Apabila peristiwa ini berlaku kita mengatakan bahawa asasnya dimetilasi. Di prokariota, adenin metilasi biasanya dijumpai, dan di kedua prokariota dan eukariota, sitosin mungkin mempunyai kumpulan metil tambahan.

Bagaimana pempolimeran berlaku?

Seperti yang telah kami sebutkan, asid nukleik adalah rantai panjang yang terdiri daripada monomer - nukleotida. Untuk membentuk rantai, ini dihubungkan dengan cara tertentu.

Semasa nukleotida berpolimerisasi, kumpulan hidroksil (-OH) yang terdapat pada karbon 3 'gula salah satu nukleotida membentuk ikatan ester dengan kumpulan fosfat dari molekul nukleotida lain. Semasa pembentukan ikatan ini, penyingkiran molekul air berlaku.

Jenis tindak balas ini disebut "reaksi kondensasi," dan sangat serupa dengan reaksi yang berlaku apabila ikatan peptida dalam protein terbentuk di antara dua residu asid amino. Ikatan antara setiap pasangan nukleotida disebut ikatan fosfodiester.

Seperti pada polipeptida, rantai asid nukleik mempunyai dua orientasi kimia di hujungnya: satu adalah hujung 5 'yang mengandungi kumpulan hidroksil bebas atau kumpulan fosfat pada karbon 5' gula terminal, sementara di ujung 3 "Kami dapati kumpulan hidroksil karbon 3" yang bebas.

Mari kita bayangkan bahawa setiap blok DNA adalah satu set Lego, dengan satu hujung yang dimasukkan dan dengan lubang bebas di mana penyisipan blok lain boleh berlaku. Hujung 5 'dengan fosfat akan menjadi hujung yang akan dimasukkan dan 3' adalah serupa dengan lubang bebas.

Nukleotida lain

Di dalam sel, kita menjumpai jenis nukleotida lain dengan struktur yang berbeza daripada yang disebutkan di atas. Walaupun ini tidak akan menjadi sebahagian daripada asid nukleik, mereka memainkan peranan biologi yang sangat penting.

Di antara yang paling relevan kita mempunyai riboflavin mononucleotide, yang dikenali sebagai FMN, koenzim A, adenine dinucleotide dan nicotinamine, antara lain.

Struktur RNA

Struktur linear polimer asid nukleik sepadan dengan struktur utama molekul ini. Polynucleotides juga mempunyai keupayaan untuk membentuk susunan tiga dimensi yang distabilkan oleh daya bukan kovalen - serupa dengan lipatan yang terdapat pada protein.

Walaupun komposisi utama DNA dan RNA agak serupa (kecuali perbezaan yang disebutkan di atas), susunan strukturnya sangat berbeza. RNA biasanya dijumpai sebagai rantai nukleotida tunggal, walaupun dapat menggunakan susunan yang berbeza.

Transfer RNA, misalnya, adalah molekul kecil yang terdiri daripada kurang dari 100 nukleotida. Struktur sekunder khasnya berbentuk semanggi dengan tiga lengan. Maksudnya, molekul RNA menemui asas pelengkap di dalamnya dan dapat melipat dirinya sendiri.

Ribosom RNA adalah molekul yang lebih besar yang mengambil konfigurasi tiga dimensi yang kompleks dan menunjukkan struktur sekunder dan tersier.

Struktur DNA

Heliks ganda dua

Tidak seperti RNA linear, susunan DNA terdiri daripada dua helai yang saling terkait. Perbezaan struktur ini sangat mustahak untuk menjalankan fungsi spesifiknya. RNA tidak mampu membentuk heliks jenis ini kerana halangan sterik yang dikenakan oleh kumpulan OH tambahan yang ditunjukkan oleh gula.

Dasar saling melengkapi

Terdapat pelengkap antara pangkalan. Oleh kerana ukuran, bentuk dan komposisi kimianya, purin mesti dipasangkan dengan pirimidin melalui ikatan hidrogen. Atas sebab ini, dalam DNA semula jadi kita dapati bahawa A hampir selalu dipasangkan dengan T dan G dengan C, membentuk ikatan hidrogen dengan pasangannya.

Pasangan asas antara G dan C dihubungkan oleh tiga ikatan hidrogen, sementara pasangan A dan T lebih lemah, dan hanya dua ikatan hidrogen yang menahannya.

Helai DNA dapat dipisahkan (ini berlaku di dalam sel dan di prosedur makmal) dan haba yang diperlukan bergantung pada jumlah GC dalam molekul: semakin besar, semakin banyak tenaga yang diperlukan untuk memisahkannya.

Orientasi helai

Ciri DNA yang lain adalah orientasi yang berlawanan: sementara helai berjalan pada arah 5'-3 ', pasangannya bergerak ke arah 3'-5'.

Konformasi semula jadi dan di makmal

Struktur atau konformasi yang biasanya kita temukan di alam disebut DNA B. Ini dicirikan oleh mempunyai 10.4 nukleotida untuk setiap putaran, dipisahkan dengan jarak 3.4. DNA B menoleh ke kanan.

Corak penggulungan ini menghasilkan penampilan dua alur, satu lebih besar dan satu lebih kecil.

Dalam asid nukleik yang terbentuk di makmal (sintetik) terdapat konfigurasi lain, yang juga muncul dalam keadaan yang sangat spesifik. Ini adalah DNA A dan DNA Z.

Varian A juga membelok ke kanan, walaupun lebih pendek dan agak lebih lebar daripada yang semula jadi. Molekul mengambil bentuk ini apabila kelembapan menurun. Ia berputar setiap 11 pasangan asas.

Varian terakhir adalah Z, dicirikan oleh sempit dan berpusing ke kiri. Ia dibentuk oleh sekumpulan heksanukleotida yang dikelompokkan menjadi dupleks rantai antiparallel.

ciri-ciri

DNA: molekul keturunan

DNA adalah molekul yang dapat menyimpan maklumat. Kehidupan seperti yang kita ketahui di planet kita bergantung pada kemampuan menyimpan dan menerjemahkan maklumat tersebut.

Untuk sel, DNA adalah sejenis perpustakaan di mana terdapat semua arahan yang diperlukan untuk pembuatan, pengembangan dan pemeliharaan organisma hidup.

Dalam molekul DNA kita dapati organisasi entiti fungsional diskrit yang disebut gen. Sebahagian daripadanya akan dibawa ke protein, sementara yang lain akan memenuhi fungsi pengaturan.

Struktur DNA yang kita jelaskan di bahagian sebelumnya adalah kunci untuk melaksanakan fungsinya. Heliks mesti dapat memisahkan dan bergabung dengan mudah - harta utama untuk peristiwa replikasi dan transkripsi.

DNA dijumpai di prokariota di lokasi tertentu di sitoplasma mereka, sementara di eukariota terletak di dalam nukleus.

RNA: molekul pelbagai fungsi

Peranan dalam sintesis protein

RNA adalah asid nukleik yang kita dapati dalam pelbagai tahap sintesis protein dan dalam pengaturan ekspresi gen.

Sintesis protein bermula dengan transkripsi mesej yang dienkripsi dalam DNA menjadi molekul RNA messenger. Seterusnya, utusan mesti menghilangkan bahagian yang tidak akan diterjemahkan, yang dikenali dengan nama intron.

Untuk terjemahan mesej RNA ke residu asid amino, diperlukan dua komponen tambahan: RNA ribosom yang merupakan sebahagian daripada ribosom, dan RNA pemindahan, yang akan membawa asid amino dan akan bertanggungjawab untuk memasukkan asid amino yang betul dalam rantai peptida. Dalam latihan.

Dengan kata lain, setiap jenis RNA utama memainkan peranan penting dalam proses ini. Bahagian ini dari DNA ke RNA utusan dan akhirnya kepada protein adalah apa yang disebut oleh ahli biologi sebagai "dogma pusat biologi."

Namun, kerana sains tidak dapat didasarkan pada dogma, ada kes yang berbeza di mana premis ini tidak dipenuhi, seperti retrovirus.

Peranan dalam peraturan

RNA kecil yang disebutkan di atas berpartisipasi secara tidak langsung dalam sintesis, mengatur sintesis RNA messenger dan mengambil bahagian dalam pengaturan ekspresi.

Sebagai contoh, di dalam sel terdapat RNA messenger yang berbeza yang diatur oleh RNA kecil, yang mempunyai urutan yang melengkapi ini. Sekiranya RNA kecil melekat pada mesej, ia dapat memecahkan utusan, sehingga menghalang terjemahannya. Terdapat beberapa proses yang diatur dengan cara ini.

Rujukan

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M., … & Walter, P. (2015). Biologi sel penting. Ilmu Garland.
2. Berg, JM, Tymoczko, JL, Stryer, L. (2002). Biokimia. Edisi ke-5. WH Freeman.
3. Cooper, GM, & Hausman, RE (2000). Sel: Pendekatan molekul. Sinauer Associates.
4. Curtis, H., & Barnes, NS (1994). Jemputan ke biologi. Macmillan.
5. Fierro, A. (2001). Sejarah ringkas penemuan struktur DNA. Rev Méd Clínica Las Condes, 20, 71-75.
6. Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) Asal dan Evolusi Mesin Replikasi DNA dan DNA. Dalam: Pangkalan Data Madame Curie Bioscience. Austin (TX): Landes Bioscience.
7. Karp, G. (2009). Biologi sel dan molekul: konsep dan eksperimen. John Wiley & Anak.
8. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). Peralihan evolusi dari RNA ke DNA pada sel awal. Jurnal evolusi molekul, 27 (4), 283-290.
9. Lodish, H., Berk, A., Darnell, JE, Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP, … & Matsudaira, P. (2008). Biologi sel molekul. Macmillan.
10. Voet, D., & Voet, JG (2006). Biokimia. Panamerican Medical Ed.
11. Voet, D., Voet, JG, & Pratt, CW (1999). Asas biokimia. New York: John Willey and Sons.