3.5 Kjarnsýrur

Kjarnsýrur

Námsmarkmið

Í lok þessa kafla átt þú að geta eftirfarand:

Lýst uppbyggingu kjarnsýra og skilgreina muninn á DNA og RNA
Útskýra uppbyggingu og hlutverk DNA
Útskýra uppbyggingu hlutverk RNA

Kjarnsýrur eru mikilvægasta lífræna stórsameindin enda viðheldur hún öllu lífi. Kjarnsýrur innihalda upplýsingar um hvernig frumur eiga að starfa og haga sér.

DNA og RNA

Tvær megin gerðir kjarnsýra eru deoxyribonucleic acid (DNA) og ribonucleic acid (RNA). DNA er erfðaefni allra lífvera, allt frá einfruma bakteríum til fjölfruma spendýrs. Það er í kjarna heilkjörnunga og í frumulíffærunum, hvatberum og grænukornum. Hjá dreifkjörnungum er DNA fljótandi um í umfrymi þeirra.

Allt DNA frumunnar er erfðamengi hennar og rannsóknir á erfðamengi kallast erfðafræði. Í heilkjörnungum er DNA tengt við histón prótein og kallast þá litni, sem mynda litninga heilkjörnunga. Litningur getur haft tugi þúsunda gena. Mörg gen innihalda upplýsingar um hvernig búa á til prótein. Önnur gen skrá fyrir RNA afurðum. DNA stjórnar allri starfsemi frumunnar með því að kveikja eða slökkva á genum.

Hin kjarnsýrugerðin, RNA, tekur að mestu þátt í próteinmyndu. DNA fer aldrei út úr kjarnanum en sendir í staðin skammlífar sameindir sem eru afrit af DNA upplýsingunum, út úr kjarnanum og á þannig í samskipti við umfrymið. Þessar sameindir kallast mRNA (messenger RNA). Aðrar RNA gerðir eru rRNA, tRNA og microRNA en þær taka allar þátt í prótein myndun og stjórnun þess.

DNA og RNA eru mynduð úr einliðum sem kallast núkleótíð. Núkleótíðin tengjast saman til að mynda fjölnúkleótíðin DNA og RNA. Hvert núkleótíð er svo myndað úr þremur einingum: Niturbasa, pentósa (sykra mynduð úr fimm kolefnum) og fosfathóp (sjá mynd 3. 31). Hver nitubasi í núkleótíði er tengdur við einn eða fleiri fosfathópa.

The molecular structure of a nucleotide is shown. The core of the nucleotide is a pentose whose carbon residues are numbered one prime through five prime. The base is attached to the one prime carbon, and the phosphate is attached to the five prime carbon. Two kinds of pentose are found in nucleotides: ribose and deoxyribose. Deoxyribose has an H instead of O H at the two prime position. Five kinds of base are found in nucleotides. Two of these, adenine and guanine, are purine bases with two rings fused together. The other three, cytosine, thymine and uracil, have one six-membered ring. — Mynd 3.31 Þrír þættir mynda núkleótíð: Nitubasi, fimmkolefna sykra og einn eða fleiri fosfathópar. Kolefnin í sykrunni eru númeraðar 1‘-5‘ (hökin ofan við númerin eru notuð til að aðgreina tölurnar frá kolefnum niturbasanna sem eru númeruð án þess að setja hak fyrir ofan þau). Basarnir eru tengdir við kolefnið nr. 1‘, og fosfatið er tengd við kolefni nr. 5‘. Þegar núkleótíð eru tengd saman til að mynda DNA eða RNA, er fosfatið sem tengdist við kolefni 5‘ á núkleótíðinu sem bætist við, tengt við 3‘ hýdroxýlhópinn á enda vaxandi kjarnsýrukeðjunnar. Tvær gerðir pentósa eru í kjarnsýrum, deoxýríbósi (DNA) og ríbósi (RNA). Deoxýríbósi er mjög líkur ríbósa, en er með H í stað OH tengt við kolefni 2‘. Hægt er að skipta niturbösum upp í tvo flokka: púrín og pýrimídin. Púrín eru með tvo hringi en pýrimídin eru með einn.

Niturbasarnir eru lífræn efni sem innihalda mikið nitur. Þar sem þeir innihalda amínóhóp sem getur tekið til sín vetnisatóm, eru þeir ögn basískir. Hvert núkleótíði í DNA innuheldur einn af fjórum mögulegum niturbösum: Adenín (A), Gúanín (G) Sýtósín (C) og Þýmín (T).

Adenín og gúanín flokkast sem púrín. Grunn bygging púrína eru tveir kolefnishringir. Sýtósín, þýmín og úrasíl (U) eru pýrimítin sem hafa einn kolefnishring sem grunn byggingu (sjá mynd 3.31). Hver þessara grunn kolefnishringja er með ólíka, virka hópa tengda við sig. Til að auðvelda okkur lífið munum við vísa í þessa basa sem A,T,G og C í DNA og A,U,G og C í RNA.

Pentósinn, deoxýríbósi, er í DNA og ríbósi í RNA (sjá mynd 3.31). Munurinn á milli sykranna er að ríbósinn er með OH hóp tengdan kolefni 2‘ en í DNA er það bara með vetni. Kolefni sykranna eru númeraðar 1‘,2‘,3‘,4‘ og 5‘ (1‘ er lesið „einn merkt“). Fosfatið tengist við hýdoxílhóp (OH) á kolefni 5‘ og hýdoxílhópur kolefnis 3‘ tengist við næsta núkleótíð, sem myndar þannig 5‘-3‘ fosfódíester tengi. Fosfódíestertengin í DNA og RNA eru mynduð með því að fjarlægja tvo fosfathópa frá núkleótíðinu sem kemur inn. Kjarnsýrur geta innihaldið þúsundir þannig tengja.

DNA Tvöfaldur Gormur

DNA tekur á sig lögun tvöfalds gorms (sjá mynd 3.32). Sykrurnar og fosfötin liggja utan á gorminum, og mynda þannig hrygg DNA sameindarinnar. Niturbasarnir staflast inn í gorminn þar sem þau parast saman og mynda form sem líkist hringstiga. Vetnistengi halda bösunum saman. Ekki er nema 0,34 nm milli hvers basapars í hringstiganum. Gormarnir í DNA sameindinni liggja í mótlæga stefnu við hvorn annan, þannig að kolefni 5‘ annars þáttarins lendir á móti kolefni 3‘ mótlæga þáttarins. Þættir DNA sameindarinnar eru sagðir vera andsamsíða. Þetta skiptir máli þegar við skoðum hvernig DNA er eftirmyndað og umritað.

The molecular structure of D N A is shown. D N A consists of two antiparallel strands twisted in a double helix. The phosphate backbone is on the outside, and the nitrogenous bases face one another on the inside. The bases appear as strands between the phosphate backbone of the double helix. — Mynd 3.32 DNA er andsamsíða tvöfaldur gormur. Fosfötin mynda hrygg stikkið í sameindinn (táknað með bogalínum) og liggja utan á henni. Basarnir snúa inn þar sem hver basi tengist með vetnistengjum basa mótlægs þáttar.

Aðeins ákveðnir basar geta myndað pör. Sem dæmi getur aðeins ein gerð af púríni myndað par við eina gerð pýrimítíns. Það þýðir að A og T mynda pör og G og C mynda pör (sjá mynd 3.33). Þetta er basapörunarreglan. Með öðrum orðum þá spegla þættir DNA hvorn annan. Ef röðin AATTGGCC er á öðrum þættinum, mun mótlægur þáttur vera með basaröðina TTAACCGG. Þegar verið er að eftirmynda DNA, er tekið afrit af hvorum þætti þannig að dóttur DNA sameindin er mynduð úr einum gömlum þætti og einum nýjum.

Hydrogen bonding between thymine and adenine and between guanine and cytosine is shown. Thymine forms two hydrogen bonds with adenine, and guanine forms three hydrogen bonds with cytosine. The phosphate backbones of each strand are on the outside and run in opposite directions. — Mynd 3.33 Tvöfaldur gormur DNA sameindarinnar er myndaður úr tveimur þáttum sem liggja andsamsíða hvor á annan. Þannig liggur annar þátturinn í 5‘-3‘ stefnu en hinn í 3‘-5‘ stefnu. Fosfötin í hrygg sameindarinnar liggja utan á henni en basarnir tengja þær saman í miðjunni. Adenín parast við Þýmidín og Gúanín við Sýtósín.

RNA

Það eru fjórar megin gerðir af RNA: messenger RNA (mRNA), ribosomal RNA (rRNA), transfer RNA (tRNA) og microRNA (miRNA). DNA stýrir allri starfsemi frumunnar, og mRNA er boðefni frá DNA með upplýsingum um hvernig raða á saman amínósýrum í prótein. Ef frumuna vantar ákveðna gerð af próteini, er genið sem skráir fyrir því, umritað yfir í mRNA í kjarna frumunnar. Basaröð RNAsins er mótlæg við DNA þáttir sem er umritaður, nema að í stað T kemur U. Ef DNA þátturinn er AATTGCGC, þá er RNAið UUAACGCG. Í umfryminu vinnur mRNA með netkornum til að mynda prótein (sjá mynd 3.34)

Eftir að mRNA hefur bundist við netkornið er það lesið þrjá basa í einu sem kallast tánar. Hver tákni stendur fyrir eina amínósýru. Þannig er mRNAið þýtt yfir í prótein. Netkornið er að mestu myndað úr rRNA sem tengist við mRNAið. rRNAið tryggir að mRNAið fari rétti inn í netkornið þannig að það táknar þess séu lesnir í réttir röð. rRNAið í netkorninu hefur hvata virkni og hvatar myndun peptíðtengja milli tveggja samliggjandi amínósýra. tRNA eru smáar RNA sameindir, eða um 70-90 núkleótíð að lengd. Minnstu RNA sameindirnar eru svo miRNA og hlutverk þeirra er að stjórna genatjáningu meðal annar með því að hafa áhrif á tjáningu ákveðinna mRNA sameinda (sjá töflu 3.2)

An illustration of a ribosome is shown. m R N A sits between the large and small subunits. t R N A molecules bind the ribosome and add amino acids to the growing peptide chain. — Mynd 3.34 Netkorn eru samsett úr lítilli undireiningu og stórri og mRNAið er þrætt á milli þeirra. Amínósýrur eru fluttar til netkornsins með tRNA sameindum. Ef þær geta parast við tákna í mRNA sem er aðgengilegur, er amínósýrunni bætt við vaxandi keðjuna.

DNA

Tafla 3.2
RNA
Starfsemi	Inniheldur upplýsingar
Tekur þátt í próteinmyndu	Staðsetning	Kjarni
Sent út úr kjarna	Bygging	Tvöfaldur gormur
Oftast einþátta	Sykrur	Deoxýríbósi
Ríbósi	Pýrimídin	Sýtósín og þýamín
Sýtósín og úrasíl	Púríns	Adenín og gúanín
Adenín og gúanín	Jafnvel þó RNA sé einþátta, þá mynda flestar RNA sameindir, basapör við sig sjálfar þannig að þau taka á sig þrívíða lögun sem eru mikilvæg fyrir starfsemi þeirra og hægt er að geta sér til um hvernig komi til með að líta út.	1

Til að læra meira um DNA, skoðaðu „Howard Hughes Medical Institute BioInteractive animations“ um DNA