Fosfodiester łączy sposób jego powstawania, funkcję i przykłady



The wiązania fosfodiestrowe są to wiązania kowalencyjne występujące między dwoma atomami tlenu grupy fosforanowej i grupami hydroksylowymi dwóch innych cząsteczek. W tego typu wiązaniach grupa fosforanowa działa jako „most” stabilnego połączenia między dwiema cząsteczkami poprzez atomy tlenu.

Podstawową rolą wiązań fosfodiestrowych w przyrodzie jest tworzenie nici kwasu nukleinowego zarówno DNA, jak i RNA. Wraz z cukrami pentozy (deoksyrybozą lub rybozą, w zależności od przypadku) grupy fosforanowe są częścią struktury nośnej tych ważnych biomolekuł.

Łańcuchy nukleotydowe DNA lub RNA, podobnie jak białka, mogą przyjmować różne trójwymiarowe konformacje, które są stabilizowane przez wiązania niekowalencyjne, takie jak wiązania wodorowe między komplementarnymi zasadami.

Jednak podstawowa struktura jest podana przez liniową sekwencję nukleotydów kowalencyjnie związanych przez wiązania fosfodiestrowe.

Indeks

  • 1 Jak powstaje wiązanie fosfodiestrowe?
    • 1.1 Zaangażowane enzymy
  • 2 Funkcja i przykłady
  • 3 referencje

Jak powstaje wiązanie fosfodiestrowe?

Podobnie jak wiązania peptydowe w białkach i wiązaniach glikozydowych między monosacharydami, wiązania fosfodiestrowe są wynikiem reakcji odwodnienia, w których cząsteczka wody jest tracona. Oto ogólny zarys jednej z tych reakcji odwodnienia:

H-X1-OH + H-X2-OH → H-X1-X2-OH + H2O

Jony fosforanowe odpowiadają całkowicie zdeprotonowanej sprzężonej bazie kwasu fosforowego i nazywane są nieorganicznymi fosforanami, których skrót oznaczono Pi. Gdy dwie grupy fosforanowe są połączone ze sobą, powstaje bezwodne wiązanie fosforanowe i otrzymuje się cząsteczkę znaną jako nieorganiczny pirofosforan lub PPi.

Gdy jon fosforanowy jest przyłączony do atomu węgla cząsteczki organicznej, wiązanie chemiczne nazywa się estrem fosforanowym, a powstały związek jest monofosforanem organicznym. Jeśli cząsteczka organiczna wiąże się z więcej niż jedną grupą fosforanową, tworzą się organiczne difosforany lub trifosforany.

Gdy pojedyncza cząsteczka nieorganicznego fosforanu wiąże się z dwiema grupami organicznymi, stosuje się wiązanie fosfodiestrowe lub „fosforan diestru”. Ważne jest, aby nie mylić wiązań fosfodiestrowych z wysokoenergetycznymi wiązaniami fosfoanhydro między grupami fosforanowymi cząsteczek, takich jak na przykład ATP..

Wiązania fosfodiestrowe między sąsiednimi nukleotydami składają się z dwóch wiązań fosfoestrowych, które występują między grupą hydroksylową w pozycji 5 'nukleotydu i grupą hydroksylową w pozycji 3' następnego nukleotydu na nici DNA lub RNA.

W zależności od warunków podłoża wiązania te mogą być hydrolizowane zarówno enzymatycznie, jak i nieenzymatycznie.

Zaangażowane enzymy

Tworzenie i rozbijanie wiązań chemicznych jest kluczowe dla wszystkich procesów życiowych, jakie znamy, a przypadek wiązań fosfodiestrowych nie jest wyjątkiem.

Wśród najważniejszych enzymów, które mogą tworzyć te wiązania są polimerazy DNA lub RNA i rybozymy. Enzymy fosfodiesterazy mogą je enzymatycznie hydrolizować.

Podczas replikacji, kluczowego procesu proliferacji komórek, w każdym cyklu reakcji dNTP (trifosforan deoksynukleotydu) komplementarny do zasady matrycy jest włączany do DNA przez reakcję transferu nukleotydów.

Polimeraza jest odpowiedzialna za tworzenie nowego wiązania między 3'-OH nici matrycy i α-fosforanem dNTP, dzięki energii uwalnianej z rozpadu wiązań między fosforanami α i β dNTP, które są połączone wiązaniami fosfoanhydro.

Rezultatem jest rozszerzenie łańcucha o nukleotyd i uwolnienie cząsteczki pirofosforanu (PPi). Ustalono, że reakcje te wymagają dwóch dwuwartościowych jonów magnezu (Mg2+), którego obecność umożliwia stabilizację elektrostatyczną nukleofilu OH- aby uzyskać przybliżenie do aktywnego miejsca enzymu.

The pKa wiązania fosfodiestrowego jest bliskie 0, więc w roztworze wodnym wiązania te są całkowicie zjonizowane, naładowane ujemnie.

Daje to cząsteczkom kwasu nukleinowego ładunek ujemny, który jest neutralizowany dzięki oddziaływaniom jonowym z dodatnimi ładunkami reszt aminokwasowych białek, wiązaniu elektrostatycznemu z jonami metali lub asocjacji z poliaminami.

W roztworze wodnym wiązania fosfodiestrowe w cząsteczkach DNA są znacznie bardziej stabilne niż w cząsteczkach RNA. W roztworze alkalicznym wspomniane wiązania w cząsteczkach RNA są cięte przez wewnątrzcząsteczkowe przemieszczenie nukleozydu na końcu 5 'za pomocą oksyanionu 2'..

Funkcja i przykłady

Jak wspomniano, najważniejszą rolą tych powiązań jest ich udział w tworzeniu szkieletu cząsteczek kwasu nukleinowego, które są najważniejszymi cząsteczkami w świecie komórkowym.

Aktywność enzymów topoizomerazy, które są aktywnie zaangażowane w replikację DNA i syntezę białek, zależy od oddziaływania wiązań fosfodiestrowych na końcu 5 'DNA z łańcuchem bocznym reszt tyrozynowych w miejscu aktywnym tych enzymy.

Cząsteczki, które uczestniczą jako drugie przekaźniki, takie jak cykliczny monofosforan adenozyny (cAMP) lub cykliczny trifosforan guanozyny (cGTP), mają wiązania fosfodiestrowe, które są hydrolizowane przez specyficzne enzymy znane jako fosfodiesterazy, których udział ma wielkie znaczenie dla wielu procesów sygnalizacji komórkowa.

Glicerofosfolipidy, podstawowe składniki błon biologicznych, składają się z cząsteczki glicerolu związanej wiązaniami fosfodiestrowymi z polarnymi grupami „głowy”, które tworzą hydrofilowy region cząsteczki.

Referencje

  1. Fothergill, M., Goodman, M.F., Petruska, J., i Warshel, A. (1995). Analiza energii struktury roli jonów metali w hydrolizie wiązań fosfodiestrowych przez polimerazę DNA I. Journal of American Chemical Society, 117(47), 11619-11627.
  2. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C. A., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Martin, K. (2003). Molekularna biologia komórkowa (5 wyd.). Freeman, W. H. & Company.
  3. Nakamura, T., Zhao, Y., Yamagata, Y., Hua, Y. J. i Yang, W. (2012). Oglądanie polimerazy DNA η tworzy wiązanie fosfodiestrowe. Natura, 487(7406), 196-201.
  4. Nelson, D. L. i Cox, M. M. (2009). Lehninger Principles of Biochemistry. Edycje Omega (5 wyd.)
  5. Oivanen, M., Kuusela, S. i Lönnberg, H. (1998). Kinetyka i mechanizmy rozszczepiania i izomeryzacji wiązań fosfodiestrowych RNA przez kwasy i zasady bronstedu. Recenzje chemiczne, 98(3), 961-990.
  6. Pradeepkumar, P.I., Höbartner, C., Baum, D., i Silverman, S. (2008). Katalizowane DNA tworzenie wiązań nukleopeptydowych. Angewandte Chemie International Edition, 47(9), 1753-1757.
  7. Soderberg, T. (2010). Organic Chemistry With Biological Emphasis Tom II (Tom II). Minnesota: University of Minnesota Morris Digital Well. Źródło: www.digitalcommons.morris.umn.edu