3.5 Kjarnsýrur

Kjarnsýrur (e. nucleic acids) eru mikilvægustu stórsameindirnar fyrir samfellu lífs. Þær bera erfðaefni frumunnar og leiðbeiningar um starfsemi hennar.

DNA og RNA

Tvær helstu tegundir kjarnsýra eru deoxýríbósakjarnsýra (DNA) (e. deoxyribonucleic acid (dna)) og ríbósakjarnsýra (RNA) (e. ribonucleic acid (rna)). DNA er erfðaefnið í öllum lifandi lífverum, allt frá einfruma bakteríum til fjölfruma spendýra. Það er í kjarna heilkjörnunga og í frumulíffærum, grænukornum og hvatberum. Í dreifkjörnungum er DNA ekki umlukið himnuhjúpi.

Allt erfðaefni frumunnar er erfðamengi hennar og rannsóknir á erfðamengjum kallast erfðamengjafræði. Í heilkjarnafrumum, en ekki í dreifkjörnungum, myndar DNA samstæðu með histónprótínum til að mynda litni, efnið í litningum heilkjörnunga. Litningur getur innihaldið tugþúsundir gena. Mörg gen innihalda upplýsingar til að búa til prótínafurðir. Önnur gen kóða fyrir RNA-afurðir. DNA stjórnar allri starfsemi frumunnar með því að „kveikja“ eða „slökkva“ á genunum.

Hin tegund kjarnsýru, RNA, tekur aðallega þátt í prótínmyndun. DNA-sameindirnar yfirgefa aldrei kjarnann heldur nota þær millilið til að eiga samskipti við restina af frumunni. Þessi milliliður er boðbera-RNA (mRNA) (e. messenger rna (mrna)). Aðrar tegundir RNA – eins og rRNA, tRNA og örRNA – taka þátt í prótínmyndun og stjórnun hennar.

DNA og RNA eru samsett úr einliðum sem vísindamenn kalla kirni (e. nucleotides). Kirnin sameinast hvert öðru og mynda fjölkirni (e. polynucleotide), DNA eða RNA. Hvert kirni er samsett úr þremur hlutum: niturbasa, pentósa (fimm-kolefna) sykru og fosfathópi (Mynd 3.31). Hver niturbasi í kirni er tengdur við sykursameind, sem er tengd 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 Kirni er samsett úr þremur hlutum: niturbasa, pentósasykru og einum eða fleiri fosfathópum. Kolefnisleifar í pentósanum eru númeraðar 1′ til 5′ (merkið greinir þessar leifar frá þeim í basanum, sem eru númeraðar án þess að nota merki). Basinn er tengdur við 1′-stöðu ríbósans og fosfatið er tengt við 5′-stöðuna. Þegar fjölkirni myndast, tengist 5′-fosfat komandi kirnis við 3′-hýdroxýlhópinn á enda vaxandi keðju. Tvær tegundir pentósa eru í kirnum, deoxýríbósi (finnst í DNA) og ríbósi (finnst í RNA). Deoxýríbósi er svipaður að byggingu og ríbósi, en hann hefur H í stað OH í 2′-stöðunni. Við getum skipt bösum í tvo flokka: púrín og pýrimídín. Púrín hafa tvöfalda hringbyggingu og pýrimídín hafa einfalda hringbyggingu.

Niturbasarnir, mikilvægir hlutar kirna, eru lífrænar sameindir og eru svo nefndir vegna þess að þeir innihalda kolefni og nitur. Þeir eru basar vegna þess að þeir innihalda amínóhóp sem hefur möguleika á að binda auka vetni og minnka þannig styrk vetnisjóna í umhverfi sínu, sem gerir það basískara. Hvert kirni í DNA inniheldur einn af fjórum mögulegum niturbösum: adenín (A), gúanín (G), cýtósín (C) og týmín (T).

Vísindamenn flokka adenín og gúanín sem púrín (e. purines). Aðalbygging púríns eru tveir kolefnis-nitur hringir. Vísindamenn flokka cýtósín, týmín og úrasíl sem pýrimídín (e. pyrimidines) sem hafa einn kolefnis-nitur hring sem aðalbyggingu sína (Mynd 3.31). Hver þessara grunn kolefnis-nitur hringja hefur mismunandi starfræna hópa tengda við sig. Í styttri útgáfu sameindalíffræðinnar þekkjum við niturbasana með táknum þeirra A, T, G, C og U. DNA inniheldur A, T, G og C; en RNA inniheldur A, U, G og C.

Pentósasykran í DNA er deoxýríbósi og í RNA er sykran ríbósi (Mynd 3.31). Munurinn á sykrunum er tilvist hýdroxýlhóps á öðru kolefni ríbósans og vetni á öðru kolefni deoxýríbósans. Kolefnisatómin í sykursameindinni eru númeruð 1′, 2′, 3′, 4′ og 5′ (1′ er lesið sem „eitt merkt“). Fosfatleifin tengist hýdroxýlhópi 5′-kolefnis einnar sykur og hýdroxýlhópi 3′-kolefnis sykurs næsta kirnis, sem myndar 5′–3′ fosfódíestertengi (e. phosphodiester). Einfalt afvötnunarhvarf eins og önnur tengi sem tengja einliður í stórsameindum myndar ekki fosfódíestertengið. Myndun þess felur í sér að fjarlægja tvo fosfathópa. Fjölkirni getur haft þúsundir slíkra fosfódíestertengja.

DNA tvöfaldur gormur

DNA hefur tvöfaldan gorm (Mynd 3.32). Sykran og fosfatið liggja utan á gorminum og mynda burðarás DNA-sameindarinnar. Niturbasarnir staflast upp að innanverðu, líkt og þrep í hringstiga. Vetnistengi binda basapörin saman. Hvert basapar í tvöfalda gorminum er aðskilið frá næsta basapari með 0,34 nm. Tveir þættir gormsins liggja í gagnstæðar áttir, sem þýðir að 5′-kolefnisendi eins þáttar snýr að 3′-kolefnisenda samsvarandi þáttar. (Vísindamenn kalla þetta andsamsíða stefnu og hún er mikilvæg fyrir DNA-afritun og í mörgum kjarnsýrusamskiptum.)

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 Náttúrulegt DNA er andsamsíða tvöfaldur gormur. Fosfatburðarásinn (sýndur með sveigðum línum) er að utanverðu og basarnir eru að innanverðu. Hver basi úr einum þætti hefur víxlverkun í gegnum vetnistengi við basa úr gagnstæðum þætti. (heimild: Jerome Walker/Dennis Myts)

Aðeins ákveðnar tegundir basapörunar eru leyfðar. Til dæmis getur ákveðið púrín aðeins parast við ákveðið pýrimídín. Þetta þýðir að A getur parast við T og G getur parast við C, eins og Mynd 3.33 sýnir. Þetta er regla um basafyllingu. Með öðrum orðum, DNA-þættirnir eru fylliþættir hvor annars. Ef röð eins þáttar er AATTGGCC, þá hefði fylliþátturinn röðina TTAACCGG. Við DNA-afritun afritar hvor þáttur sig, sem leiðir til dóttur-DNA tvígorms sem inniheldur einn foreldra-DNA-þátt og einn nýmyndaðan þátt.

Sjónræn tenging

Í tvíþátta DNA-sameind liggja þættirnir tveir andsamsíða hvor öðrum þannig að annar þátturinn liggur frá 5′ til 3′ og hinn frá 3′ til 5′. Fosfatburðarásinn er staðsettur að utanverðu og basarnir eru í miðjunni. Adenín myndar vetnistengi (eða basapör) við týmín og gúanín myndar basapör við cýtósín.

Mynd 3.33 Í tvíþátta DNA-sameind liggja þættirnir tveir andsamsíða hvor öðrum þannig að annar þátturinn liggur frá 5′ til 3′ og hinn frá 3′ til 5′. Fosfatburðarásinn er staðsettur að utanverðu og basarnir eru í miðjunni. Adenín myndar vetnistengi (eða basapör) við týmín og gúanín myndar basapör við cýtósín.

Stökkbreyting verður og adenín kemur í stað cýtósíns. Hvaða áhrif heldur þú að þetta muni hafa á byggingu DNA?

RNA

Ríbósakjarnsýra, eða RNA, tekur aðallega þátt í próteinmyndun undir stjórn DNA. RNA er yfirleitt einþátta og samanstendur af ríbókirnum sem eru tengd með fosfódíestertengjum. Ríbókirni í RNA-keðju inniheldur ríbósa (fimmkolefnasykruna), einn af fjórum niturbösum (A, U, G og C) og fosfathópinn.

Það eru fjórar megTegundir RNA: boðbera-RNA (mRNA), ríbósóm-RNA (rRNA), flutnings-RNA (tRNA) og ör-RNA (miRNA). Sú fyrsta, mRNA, ber skilaboðin frá DNA, sem stjórnar allri starfsemi frumunnar. Ef fruma þarf að mynda ákveðið prótein, er genið fyrir þessa afurð „kveikt á“ og boðbera-RNA er myndað í kjarnanum. Basaröð RNA er fylliröð við kóðunarröð DNA sem það var afritað af. Hins vegar, í RNA, er basinn T fjarverandi og U er til staðar í hans stað. Ef DNA-þáttur hefur röðina AATTGCGC, er röð fylli-RNA UUAACGCG. Í umfryminu hefur mRNA víxlverkun við ríbósóm og annan frumubúnað (Mynd 3.34).

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 Ríbósóm hefur tvo hluta: stóra einingu og litla einingu. mRNA situr á milli eininganna tveggja. tRNA-sameind þekkir tákna á mRNA, binst honum með fyllibasapörun og bætir réttri amínósýru við vaxandi peptíðkeðju.

mRNA er lesið í settum af þremur bösum sem kallast táknar. Hver tákni kóðar fyrir eina amínósýru. Á þennan hátt er mRNA lesið og próteinafurðin er búin til. Ríbósóm-RNA (rRNA) (e. ribosomal rna (rrna)) er aðalhluti ríbósóma sem mRNA binst við. rRNA tryggir rétta röðun mRNA og ríbósómanna. rRNA ríbósómsins hefur einnig ensímvirkni (peptíðýltransferasa) og hvetur myndun peptíðtengja milli tveggja samstilltra amínósýra. Flutnings-RNA (tRNA) (e. transfer rna (trna)) er ein af minnstu fjórum tegundum RNA, yfirleitt 70–90 kirni að lengd. Það ber rétta amínósýru á stað próteinmyndunar. Það er basapörunin milli tRNA og mRNA sem gerir réttri amínósýru kleift að setjast í fjölpeptíðkeðjuna. Ör-RNA eru minnstu RNA-sameindirnar og hlutverk þeirra felst í að stjórna genatjáningu með því að trufla tjáningu ákveðinna mRNA-skilaboða. Tafla 3.2 tekur saman eiginleika DNA og RNA.

Tafla 3.2
Eiginleikar DNA og RNA
	DNA	RNA
Hlutverk	Ber erfðaupplýsingar	Tekur þátt í próteinmyndun
Staðsetning	Helst í kjarnanum	Fer úr kjarnanum
Bygging	Tvígormur	Yfirleitt einþátta
Sykra	Deoxýríbósi	Ríbósi
Pýrimídín	Cýtósín, týmín	Sýtósín, úrasíl
Púrín	Adenín, gúanín	Adenín, gúanín

Þrátt fyrir að RNA sé einþátta sýna flestar RNA-gerðir mikla innansameindapörun basa milli samsvarandi raða, sem skapar fyrirsjáanlega þrívíddarbyggingu sem er nauðsynleg fyrir virkni þeirra.

Eins og þú hefur lært fer upplýsingaflæði í lífveru frá DNA yfir í RNA og þaðan í prótín. DNA ræður byggingu mRNA í ferli sem vísindamenn kalla umritun (e. transcription) og RNA ræður byggingu prótínsins í ferli sem vísindamenn kalla þýðingu (e. translation). Þetta er grundvallarkenning lífsins, sem gildir fyrir allar lífverur; þó koma undantekningar frá reglunni fyrir í tengslum við veirusýkingar.

Námsmarkmið