Wiązanie fosfodiestrowe, jak powstaje, funkcja i przykłady

Plik wiązania fosfodiestrowe są wiązaniami kowalencyjnymi, które występują między dwoma atomami tlenu grupy fosforanowej i grupami hydroksylowymi dwóch innych różnych cząsteczek. W tego typu wiązaniach grupa fosforanowa działa jako trwały „most” łączący między dwiema cząsteczkami poprzez ich atomy tlenu..

Podstawową rolą wiązań fosfodiestrowych w przyrodzie jest tworzenie łańcuchów kwasu nukleinowego, zarówno DNA, jak i RNA. Wraz z cukrami pentozowymi (dezoksyrybozą lub rybozą, w zależności od przypadku), grupy fosforanowe stanowią część struktury nośnej tych ważnych biocząsteczek..

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 strukturę pierwszorzędową nadaje liniowa sekwencja nukleotydów połączonych kowalencyjnie wiązaniami fosfodiestrowymi..

Indeks artykułów

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

Jak powstaje wiązanie fosfodiestrowe?

Podobnie jak wiązania peptydowe w białkach i wiązania glikozydowe między monosacharydami, wiązania fosfodiestrowe powstają w wyniku reakcji odwodnienia, w których dochodzi do utraty cząsteczki wody. Oto ogólny schemat jednej z tych reakcji odwodnienia:

H-X₁-OH + H-X_dwa-OH → H-X₁-X_dwa-OH + H._dwaLUB

Jony fosforanowe odpowiadają całkowicie deprotonowanej sprzężonej zasadzie kwasu fosforowego i są nazywane nieorganicznymi fosforanami, w skrócie Pi. Kiedy dwie grupy fosforanowe są połączone ze sobą, tworzy się bezwodne wiązanie fosforanowe i otrzymuje się cząsteczkę znaną jako nieorganiczny pirofosforan lub PPi..

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

Gdy pojedyncza cząsteczka nieorganicznego fosforanu jest przyłączona do dwóch grup organicznych, stosuje się wiązanie fosfodiestrowe lub „diester fosforanowy”. Ważne jest, aby nie mylić wiązań fosfodiestrowych z wysokoenergetycznymi wiązaniami fosfoanhydro między grupami fosforanowymi cząsteczek, na przykład ATP..

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

W zależności od warunków otoczenia wiązania te mogą ulegać hydrolizie zarówno enzymatycznej, jak i nieenzymatycznej..

Zaangażowane enzymy

Tworzenie i zrywanie wiązań chemicznych ma kluczowe znaczenie dla wszystkich znanych nam procesów życiowych, a przypadek wiązań fosfodiestrowych nie jest wyjątkiem..

Do najważniejszych enzymów, które mogą tworzyć te wiązania, należą polimerazy DNA lub RNA oraz rybozymy. Enzymy fosfodiesterazy są zdolne do ich enzymatycznej hydrolizy.

Podczas replikacji, kluczowego dla proliferacji komórek procesu, w każdym cyklu reakcji komplementarny do bazy matrycowej dNTP (trifosforan deoksynukleotydu), który jest komplementarny z zasadą matrycową, jest włączany do DNA w wyniku reakcji transferu nukleotydów..

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

Rezultatem jest wydłużenie łańcucha o jeden nukleotyd i uwolnienie cząsteczki pirofosforanu (PPi). Określono, że w tych reakcjach uczestniczą dwa dwuwartościowe jony magnezu (Mg^dwa+), którego obecność umożliwia stabilizację elektrostatyczną nukleofilowego OH^- aby uzyskać przybliżenie do miejsca aktywnego enzymu.

Plik pK_do 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 związaniu z poliaminami..

W roztworze wodnym wiązania fosfodiestrowe w cząsteczkach DNA są znacznie stabilniejsze niż w cząsteczkach RNA. W roztworze zasadowym te wiązania w cząsteczkach RNA są rozszczepiane przez wewnątrzcząsteczkowe przemieszczenie nukleozydu na końcu 5 'przez 2' oksyanion.

Funkcja i przykłady

Jak wspomniano, najważniejszą rolą tych wiązań jest ich udział w tworzeniu szkieletu cząsteczek kwasu nukleinowego, które są jednymi z najważniejszych cząsteczek w świecie komórkowym..

Aktywność enzymów topoizomerazy, które aktywnie uczestniczą w replikacji DNA i syntezie białek, zależy od interakcji wiązań fosfodiestrowych na końcu 5 'DNA z łańcuchem bocznym reszt tyrozyny w miejscu aktywnym tych enzymów.

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

Glicerofosfolipidy, podstawowe składniki błon biologicznych, składają się z cząsteczki glicerolu, która wiąże się przez wiązania fosfodiestrowe z polarnymi grupami „głowy”, które stanowią hydrofilowy region cząsteczki..

Bibliografia

1. Fothergill, M., Goodman, M. F., Petruska, J. i Warshel, A. (1995). Analiza struktury i energii roli jonów metali w hydrolizie wiązań fosfodiestrowych przez polimerazę DNA I. Dziennik Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego, 117(47), 11619-11627.
2. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C. A., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Martin, K. (2003). Molecular Cell Biology (Wyd. 5). Freeman, W. H. & Company.
3. Nakamura, T., Zhao, Y., Yamagata, Y., Hua, Y. J. i Yang, W. (2012). Obserwowanie, jak polimeraza DNA η tworzy wiązanie fosfodiestrowe. Natura, 487(7406), 196-201.
4. Nelson, D. L. i Cox, M. M. (2009). Zasady Lehningera biochemii. Wydania Omega (Wyd. 5)
5. Oivanen, M., Kuusela, S., & Lönnberg, H. (1998). Kinetyka i mechanizmy rozszczepiania i izomeryzacji wiązań fosfodiestrowych RNA przez kwasy i zasady bronsted. Recenzje chemiczne, 98(3), 961-990.
6. Pradeepkumar, P. I., Höbartner, C., Baum, D., & Silverman, S. (2008). Tworzenie wiązań nukleopeptydowych katalizowane przez DNA. Angewandte Chemie International Edition, 47(9), 1753-1757.
7. Soderberg, T. (2010). Chemia organiczna z naciskiem biologicznym Tom II (Tom II). Minnesota: University of Minnesota Morris Digital Well. Pobrane z www.digitalcommons.morris.umn.edu