3.5 Kjarnsýrur

Hæfniviðmið

Að þessum hluta loknum munt þú geta gert eftirfarandi:

• Lýst byggingu kjarnsýra og skilgreint tvær gerðir kjarnsýra
• Útskýrt byggingu og hlutverk DNA
• Útskýrt byggingu og hlutverk RNA

Kjarnsýrur eru mikilvægustu stórsameindirnar fyrir samfellu lífs. Þær bera erfðateikningu frumunnar og leiðbeiningar um starfsemi hennar.

DNA og RNA

Tvær megintegundir kjarnsýra eru deoxýríbósakjarnsýra (DNA) og ríbókjarnsýra (RNA). DNA er erfðaefnið í öllum lifandi lífverum, allt frá einfruma bakteríum til fjölfruma spendýra. Það er í kjarna heilkjörnunga og í frumulíffærunum, grænukornum og hvatberum. Í dreifkjörnungum er DNA ekki lokað inni í himnuumslagi.

Allt erfðaefni frumunnar er erfðamengi hennar og rannsóknir á erfðamengjum kallast erfðamengjafræði. Í heilkjarna frumum, en ekki í dreifkjörnungum, myndar DNA flóka með histónpróteinum og myndar litni, það er efnið í litningum heilkjörnunga. Litningur getur innihaldið tugþúsundir gena. Mörg gen innihalda upplýsingar til að búa til próteinafurðir. Önnur gen kóða fyrir RNA-afurðir. DNA stjórnar allri starfsemi frumunnar með því að kveikja eða slökkva á genum.

Hin tegund kjarnsýru, RNA, tekur aðallega þátt í próteinmyndun. DNA-sameindirnar yfirgefa aldrei kjarnann en nota þess í stað millilið til að hafa samskipti við aðra hluta frumunnar. Þessi milliliður er boðbera-RNA (mRNA). Aðrar tegundir af RNA – eins og rRNA, tRNA og örRNA – taka þátt í próteinmyndun og stjórnun hennar.

DNA og RNA eru samsett úr einliðum sem vísindamenn kalla kirni (núkleótíð). Kirnin tengjast hvert öðru og mynda fjölkirni, DNA eða RNA. Þrír þættir mynda hvert kirni: niturbasi, pentósasykra (fimm kolefna sykra) og fosfathópur (mynd 3.31). Hver niturbasi í kirni er tengdur sykrusameind, sem er tengd einum eða fleiri fosfathópum.

Niturbasarnir, mikilvægir hlutar kirna, eru lífrænar sameindir og eru nefndir svo vegna þess að þeir innihalda kolefni og nitur. Þeir eru basar vegna þess að þeir innihalda amínóhóp sem getur bundið 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. Grunnbygging púrína er tveir kolefnis-niturhringir. Vísindamenn flokka cýtósín, týmín og úrasíl sem pýrimídín, sem hafa einn kolefnis-niturhring sem grunnbyggingu (mynd 3.31). Hver þessara grunnkolefnis-niturhringa hefur mismunandi virka hópa tengda við sig. Í skammstöfunum sameindalíffræðinnar þekkjum við niturbasana á 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 vetnis á öðru kolefni deoxýríbósans. Kolefnisatóm sykrusameindarinnar eru númeruð 1′, 2′, 3′, 4′ og 5′ (1′ er lesið sem „einn merktur“). Fosfathópurinn tengist hýdroxýlhópi 5′-kolefnis einnar sykru og hýdroxýlhópi 3′-kolefnis sykru næsta kirnis, sem myndar 5′–3′ fosfódíestertengi. Einfalt afvötnunarhvarf eins og önnur tengi sem tengja einliður í stórsameindum myndar ekki fosfódíestertengið. Myndun þess felur í sér að tveir fosfathópar eru fjarlægðir. Fjölkirni getur haft þúsundir slíkra fosfódíestertengja.

Tvöfaldur gormur DNA

DNA hefur byggingu tvöfalds gorms (mynd 3.32). Sykran og fosfatið liggja utan á gorminum og mynda DNA-hrygginn. Niturbasarnir staflast innra megin, eins og þrep í stiga. Vetnistengi binda pörin saman. Hvert basapar í tvöfalda gorminum er aðskilið frá næsta basapari um 0,34 nm. Tveir þræðir gormsins liggja í gagnstæðar áttir, sem þýðir að 5′-kolefnisendi eins þráðar snýr að 3′-kolefnisenda mótsvarandi þráðar. (Vísindamenn kalla þetta andsamsíða stefnu og hún er mikilvæg fyrir eftirmyndun DNA og í mörgum samskiptum kjarnsýra.)

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 reglan um basasamsvörunar. Með öðrum orðum eru DNA-þræðirnir samsvarandi hvor öðrum. Ef röð eins þráðar er AATTGGCC, myndi samsvarandi þráður hafa röðina TTAACCGG. Við eftirmyndun DNA afritar hver þráður sig, sem leiðir til dóttur-DNA-tvöfalds gorms sem inniheldur einn foreldra-DNA-þráð og nýmyndaðan þráð.

Sjónræn tenging

Stökkbreyting á sér stað og adenín kemur í stað cýtósíns. Hvaða áhrif heldurðu að þetta muni hafa á byggingu DNA?

RNA

Ríbósakjarnsýra, eða RNA, tekur aðallega þátt í ferli próteinmyndunar undir stjórn DNA. RNA er venjulega einþátta og samanstendur af ríbókirnum sem eru tengd með fosfódíestertengjum. Ríbókirni í RNA keðjunni inniheldur ríbósa (pentósasykruna), einn af fjórum niturbösum (A, U, G og C) og fosfathópinn.

Fjórar megingerðir RNA eru: boðbera-RNA (mRNA), ríbósómal RNA (rRNA), tilfærslu-RNA (tRNA) og örRNA (miRNA). mRNA ber skilaboðin frá DNA, sem stjórnar allri starfsemi frumunnar. Ef fruma þarf að mynda ákveðið prótein, kveiknar á geninu fyrir þessa afurð og boðbera-RNA er myndað í kjarnanum. Basaröð RNA er samsvarandi kóðunarröð DNA sem hún hefur verið afrituð eftir. Hins vegar, í RNA, vantar basann T og U er til staðar í staðinn. Ef DNA-þráðurinn hefur röðina AATTGCGC, er röð samsvarandi RNA UUAACGCG. Í umfryminu hefur mRNA samskipti við ríbósóm og annað sameindakerfi frumunnar (mynd 3.34).

mRNA er lesið í þriggja basa einingum sem kallast táknar. Hvert tákni kóðar fyrir eina amínósýru. Á þennan hátt er mRNA lesið og próteinafurðin búin til. Ríbósómal RNA (rRNA) er meginhluti ríbósóma sem mRNA binst við. rRNA tryggir rétta uppröðun mRNA og ríbósóma. rRNA ríbósómsins hefur einnig ensímvirkni (peptidýltransferasi) og hvatar myndun peptíðtengja milli tveggja samliggjandi amínósýra. Tilfærslu-RNA (tRNA) er ein minnsta af fjórum gerðum RNA, venjulega 70–90 kirni að lengd. Það ber rétta amínósýru á próteinmyndunarstaðinn. Það er basapörunin milli tRNA og mRNA sem gerir réttri amínósýru kleift að raðast inn í fjölpeptíðkeðjuna. MíkróRNA eru minnstu RNA sameindirnar og hlutverk þeirra felst í að stjórna genatjáningu með því að trufla tjáningu ákveðinna mRNA-boða. Tafla 3.2 dregur saman eiginleika DNA og RNA.

Þó að RNA sé einþátta, sýna flestar gerðir RNA umfangsmikla innansameinda-basapörun milli samsvarandi raða, sem skapar fyrirsjáanlega þrívíddarbyggingu sem er nauðsynleg fyrir virkni þeirra.

Eins og þú hefur lært, fer flæði upplýsinga í lífveru fram frá DNA til RNA til próteins. DNA segir til um byggingu mRNA í ferli sem vísindamenn kalla umritun, og RNA segir til um byggingu próteinsins í ferli sem vísindamenn kalla þýðingu. Þetta er miðlæga kennisetning líffræðinnar, sem gildir fyrir allar lífverur; þó koma fram undantekningar frá reglunni í tengslum við veirusýkingar.

Tengill í námsefni

Til að læra meira um DNA skaltu skoða hreyfimyndir Howard Hughes Medical Institute BioInteractive um DNA.