Hvad er de fire nitrogenholdige baser af DNA?

Deoxyribonukleinsyre eller DNA er muligvis det mest berømte enkeltmolekyle i hele biologien. Opdagelsen af dens dobbelt-helix-struktur i 1953 katapulterede James Watson og Francis Crick en Nobelpris, og selv blandt ikke-videnskabelige nerder er DNA kendt for at spille en vigtig rolle i utallige træk, der overføres fra forældre til afkom. I de sidste par årtier er DNA også blevet bemærkelsesværdigt for sin rolle i retsmedicinsk videnskab; "DNA-beviser", en sætning, der ikke kunne have eksisteret meningsfuldt før i det mindste i 1980'erne, er nu blevet en næsten obligatorisk ytring inden for kriminalitet og politi-procedurelle tv-shows og filmsekvenser.

Uden for sådanne verdslige trivia, dog , ligger en elegant og imponerende godt studeret struktur, der findes i næsten enhver celle i enhver levende ting. DNA er de ting af gener i mindre skala og kromosomer, som er samlinger af mange, mange gener i større skala; sammen er alle kromosomer i en organisme (mennesker har 23 par, inklusive 22 par "regelmæssige" kromosomer og et par sexkromosomer) kendt som organismenes genom.

Hvis du har nogensinde taget en biologiklasse eller set et uddannelsesprogram om grundlæggende genetik, selvom du ikke husker meget af det, husker du sandsynligvis noget som dette:

... ACCCGTACGCGGATTAG ...

Bogstaverne A, C, G og T kan betragtes som de skematiske hjørnestener i molekylærbiologi. De er forkortelser for navnene på de fire såkaldte nitrogenholdige baser, der findes i alt DNA, hvor A står for adenin, C for cytosin, G for guanin og T for thymin. (For enkelheds skyld vil disse forkortelser normalt blive anvendt i resten af denne artikel.) Det er specifikke kombinationer af disse baser, i grupper på tre kaldte tripletkodoner, der i sidste ende fungerer som instruktionerne for, hvilke proteiner din krops cellulære produktionsanlæg fremstiller. Disse proteiner, der hver især er et produkt af et bestemt gen, bestemmer alt fra hvilke fødevarer du kan og ikke kan fordøje let, til farven på dine øjne, din ultimative voksenhøjde, uanset om du kan "rulle" din tunge eller ikke og mange andre træk.

Før der gives en grundig behandling af hver af disse vidunderlige baser, er en afhandling om det grundlæggende i selve DNAet.
Nukleinsyrer: Oversigt

DNA er en af to nukleinsyrer, der findes i naturen, den anden er RNA eller ribonukleinsyre. Nukleinsyrer er polymerer eller lange kæder af nukleotider.
Nukleotider inkluderer tre elementer: en pentose (fem-atomring) sukker, en fosfatgruppe og en nitrogenholdig base.

DNA og RNA adskiller sig på tre grundlæggende måder. For det første er sukkeret i DNA deoxyribose, medens det i RNA er ribose; forskellen mellem disse er, at deoxyribose indeholder et færre iltatom uden for den centrale ring. Derudover er DNA næsten altid dobbeltstrenget, mens RNA er enkeltstrenget. Endelig, mens DNA indeholder de førnævnte fire nitrogenholdige baser (A, C, G og T), indeholder RNA A, C, G og uracil (U) i stedet for T. Denne forskel er vigtig for at stoppe enzymerne, der virker på RNA fra udøver aktivitet på DNA og omvendt.

Sammensætning heraf indeholder et enkelt DNA-nukleotid derfor en deoxyribosegruppe, en phosphatgruppe og en nitrogenformig base trukket blandt A, C, G eller T.

Nogle molekyler, der ligner nukleotider, nogle af dem tjener som mellemprodukter i processen med nukleotidsyntese, er også vigtige i biokemi. Et nukleosid er for eksempel en nitrogenholdig base bundet til et ribosesukker; med andre ord, det er et nukleotid, der mangler sin phosphatgruppe. Alternativt har nogle nukleotider mere end en phosphatgruppe. ATP eller adenosintriphosphat er adenin bundet til et ribosesukker og tre fosfater; dette molekyle er vigtigt i cellulære energiprocesser.

I et "standard" DNA-nukleotid danner deoxyribose og fosfatgruppen "rygraden" i det dobbeltstrengede molekyle, med fosfater og sukker, der gentages langs de ydre kanter af den spiralformede helix. De nitrogenholdige baser optager i mellemtiden den indre del af molekylet. Kritisk set er disse baser forbundet med hinanden med brintbindinger, og danner "trinene" i en struktur, der, hvis ikke viklet ind i en helix, ville ligne en stige; i denne model danner sukkerarter og fosfater siderne. Imidlertid kan hver DNA-nitrogenbase binde til en og kun en af de andre tre. Specifikt parerer A altid med T, og C parrer altid med G.

Som nævnt er deoxyribose et fem-atom-ringe sukker. Disse fire carbonatomer og et oxygenatom er arrangeret i en struktur, der i en skematisk repræsentation tilbyder et femkantet lignende udseende. I et nukleotid er phosphatgruppen bundet til det carbon, der er angivet som nummer fem ved kemisk navnekonvention (5 '). carbon-nummeret (3 ') er næsten direkte overfor dette, og dette atom kan binde til fosfatgruppen i et andet nukleotid. I mellemtiden er den nitrogenholdige base af nukleotid bundet til 2 'carbon i deoxyribose-ringen.

Som du måske har samlet på dette punkt, da den eneste forskel fra et nukleotid til det næste er den nitrogenholdige base hver inkluderer, er den eneste forskel mellem to DNA-strenge den nøjagtige sekvens af dets bundne nucleotider og dermed dets nitrogenholdige baser. Faktisk består musling-DNA, æsel-DNA, plante-DNA og dit eget DNA af nøjagtigt de samme kemikalier; disse adskiller sig kun i, hvordan de bestilles, og det er denne rækkefølge, der bestemmer proteinproduktet, at ethvert gen
- det vil sige enhver del af DNA, der bærer koden til et enkelt fremstillingsopgave - i sidste ende er ansvarlig for syntese.
Præcis hvad er en nitrogen base?

A, C, G og T (og U) er nitrogenholdig
på grund af den store mængde af det kvælstofelement, de indeholder i forhold til deres samlede masse, og de er baser
fordi de er protonacceptorer (brintatom) og har en tendens til at bære en nettopositiv elektrisk ladning. Disse forbindelser behøver ikke at forbruges i den menneskelige diæt, selvom de findes i nogle fødevarer; de kan syntetiseres fra bunden fra forskellige metabolitter.

A og G klassificeres som puriner
, mens C og T er pyrimidiner
. Puriner inkluderer en seks-ledig ring fusioneret til en ring med fem medlemmer, og mellem dem inkluderer disse ringe fire nitrogenatomer og fem carbonatomer. Pyrimidiner har kun en ring med seks medlemmer, der huser to nitrogenatomer og fire carbonatomer. Hver type base har også andre bestanddele, der rager ud fra ringen.

Ser man på matematikken, er det tydeligt, at puriner er væsentligt større end pyrimidiner. Dette forklarer til dels, hvorfor purin A kun binder til pyrimidin T, og hvorfor purin G kun binder til pyrimidin C. Hvis de to sukkerfosfat-rygrad i dobbeltstrenget DNA skal forblive den samme afstand fra hinanden, hvilket de skal Hvis helixen skal være stabil, ville to puriner, der er bundet sammen, være for store, mens to bundne pyrimidiner ville være overdrevent små.

I DNA er purin-pyrimidinbindingerne hydrogenbindinger. I nogle tilfælde er dette et hydrogen bundet til et ilt, og i andre er det et hydrogen bundet til et nitrogen. CG-komplekset inkluderer to HN-bindinger og en HO-binding, og AT-komplekset inkluderer en HN-binding og en HO-binding.
Purine og Pyrimidin Metabolism

Adenin (formelt 6-amino purin) og guanin (2 -amino-6-oxy purin) er blevet nævnt. Selvom det ikke er en del af DNA, inkluderer andre biokemisk vigtige puriner hypoxanthin (6-oxy purin) og xanthin (2,6-dioxy purin).

Når puriner nedbrydes i kroppen hos mennesker, er slutproduktet er urinsyre, som udskilles i urinen. A og G gennemgår lidt forskellige kataboliske (dvs. nedbrydning) processer, men disse konvergerer ved xanthine. Denne base oxideres derefter til dannelse af urinsyre. Normalt, da denne syre ikke kan nedbrydes yderligere, udskilles den intakt i urinen. I nogle tilfælde kan et overskud af urinsyre imidlertid ophobes og forårsage fysiske problemer. Hvis urinsyren kombineres med tilgængelige calciumioner, kan der opstå nyresten eller blæresten, som begge ofte er meget smertefulde. Et overskud af urinsyre kan også forårsage en tilstand kaldet gigt, hvor urinsyrekrystaller afsættes i forskellige væv i kroppen. En måde at kontrollere dette på er at begrænse indtagelse af purinholdige fødevarer, f.eks. Orgelskød. Et andet er at administrere lægemidlet allopurinol, der forskyder purin-nedbrydningsvejen væk fra urinsyre ved at forstyrre nøglenzymer.

Hvad angår pyrimidiner, cytosin (2-oxy-4-amino-pyrimidin), thymin (2, 4-dioxy-5-methylpyrimidin) og uracil (2,4-dioxypyrimidin) er allerede introduceret. Orotisk syre (2,4-dioxy-6-carboxy-pyrimidin) er en anden metabolisk relevant pyrimidin.

Opdelingen af pyrimidiner er enklere end for puriner. Først er ringen brudt. Slutprodukterne er enkle og almindelige stoffer: aminosyrer, ammoniak og carbondioxid.
Purine and Pyrimidine Synthesis

Som nævnt ovenfor er puriner og pyrimidiner fremstillet af komponenter, der kan findes i overflod hos mennesker krop og behøver ikke indtages intakt.

Puriner, der hovedsageligt syntetiseres i leveren, samles fra aminosyrerne glycin, aspartat og glutamat, der leverer kvælstof, og fra folsyre og kuldioxid , der giver kulstof. Det er vigtigt, at de nitrogenholdige baser i sig selv aldrig står alene under syntese af nukleotider, fordi ribose kommer ind i blandingen, før ren alanin eller guanin vises. Dette producerer enten adenosinmonophosphat (AMP) eller guanosinmonophosphat (GMP), som begge er næsten komplette nukleotider, der er klar til at indgå i en kæde af DNA, skønt de også kan fosforyleres til at producere adenosindi- og triphosphat (ADP og ATP) eller guanosindiis- og triphosphat (BNP og GTP).

Purinsyntese er en energikrævende proces, der kræver mindst fire molekyler ATP pr. produceret purin.

Pyrimidiner er mindre molekyler end puriner, og deres syntese er tilsvarende enklere. Det forekommer hovedsageligt i milten, thymuskirtlen, mave-tarmkanalen og testikler hos mænd. Glutamin og aspartat leverer alt det nødvendige nitrogen og kulstof. I både puriner og pyrimidiner trækkes sukkerkomponenten i det eventuelle nukleotid ud fra et molekyle kaldet 5-phosphoribosyl-1-pyrophosphat (PRPP). Glutamin og aspartat kombineres for at give molekylet carbamoylphosphat. Dette omdannes derefter til orotisk syre, der derefter kan blive enten cytosin eller thymin. Bemærk, at i modsætning til purinsyntesen kan pyrimidiner bestemt til inklusion i DNA stå som frie baser (det vil sige, at sukkerkomponenten tilsættes senere). Omdannelsen af orotisk syre til cytosin eller thymin er en sekventiel vej, ikke en forgrenet vej, så cytosin dannes altid først, og dette kan enten bibeholdes eller videreforarbejdes til thymin.

Kroppen kan gøre brug af fristående purinbaser bortset fra DNA-syntetiske veje. Selvom purinbaser ikke dannes under nukleotidsyntese, kan de inkorporeres midtstrøms i processen ved at blive "reddet" fra forskellige væv. Dette forekommer, når PRPP kombineres med enten adenosin eller guanin fra AMP eller GMP plus to fosfatmolekyler.

Lesch-Nyhan-syndrom er en tilstand, hvor purin-redningsvejen svigter på grund af en enzymmangel, hvilket fører til en meget høj koncentration af fri (usaltet) purin og derfor et farligt højt niveau af urinsyre i hele kroppen. Et af symptomerne på denne uheldige lidelse er, at patienter ofte udviser ukontrollerbar selv-lemlæstende adfærd.