Fosfodiesterisidoksia ovat kovalenttisia sidoksia, jotka tapahtuvat kahden happiatomien fosfaattiryhmän ja kahden hydroksyyliryhmiin erilaisia molekyylejä. Tämän tyyppisessä sidoksessa fosfaattiryhmä toimii vakaana sidos "silta" kahden molekyylin välillä niiden happiatomiensa kautta.
Fosfodiesterisidosten perustava rooli luonnossa on nukleiinihappoketjujen, sekä DNA: n että RNA: n, muodostumisessa. Yhdessä pentoosisokereiden (desoksibiroosin tai riboosin kanssa) fosfaattiryhmät ovat osa näiden tärkeiden biomolekyylien tukirakennetta.
Fosfodiesterisidos DNA-luurankossa (Lähde: Tiedosto: Phosphodiester bond.png, Tiedosto: PhosphodiesterBondDiagram.png: Käyttäjä: G3pro (keskustelu) Käyttäjä: G3pro at en.wikipedia.org Johdannaisteos: Käyttäjä: Merops (keskustelu) Johdannaisteos: Käyttäjä: Deneapol (keskustelu) Johdannaisteos: Käyttäjä: KES47 (keskustelu) Tekstin parannukset: Incnis Mrsi (keskustelu) Tekstin parannukset: DMacks (keskustelu)) Johdannaisteos: Käyttäjä: Miguelferig (keskustelu) ionisaatiolla, Wikimedia Commonsin kautta)
DNA: n tai RNA: n nukleotidiketjut, kuten proteiinit, voivat olettaa erilaisia kolmiulotteisia konformaatioita, jotka on stabiloitu ei-kovalenttisilla sidoksilla, kuten vety-sidokset komplementaaristen emästen välillä.
Ensisijaisen rakenteen antaa kuitenkin lineaarinen nukleotidisekvenssi, joka on kovalenttisesti kytketty fosfodiesterisidosten kautta.
Kuinka fosfodiesterisidos muodostuu?
Kuten proteiinien peptidisidokset ja monosakkaridien väliset glykosidisidokset, myös fosfodiesterisidokset johtuvat kuivumisreaktioista, joissa vesimolekyyli menetetään. Tässä on yleinen kaavio yhdestä näistä kuivumisreaktioista:
HX 1 -OH + HX 2 -OH → HX 1 -X 2 -OH + H 2 O
Fosfaatti-ionit vastaavat fosforihapon täysin prototonoimatonta konjugaattiemästä ja niitä kutsutaan epäorgaanisiksi fosfaateiksi, joiden lyhenne on Pi. Kun kaksi fosfaattiryhmää on kytketty toisiinsa, muodostuu vedetön fosfaattisidos ja saadaan molekyyli, joka tunnetaan nimellä epäorgaaninen pyrofosfaatti tai PPi.
Kun fosfaatti-ioni on kiinnittynyt orgaanisen molekyylin hiiliatomiin, kemiallista sidosta kutsutaan fosfaattiesteriksi ja tuloksena oleva laji on orgaaninen monofosfaatti. Jos orgaaninen molekyyli sitoutuu useampaan kuin yhteen fosfaattiryhmään, muodostuu orgaanisia difosfaatteja tai trifosfaatteja.
Kun yksi epäorgaaninen fosfaattimolekyyli on kiinnittynyt kahteen orgaaniseen ryhmään, käytetään fosfodiesteri- tai "fosfaattidiesterisidosta". On tärkeää, ettei sekoiteta fosfodiesterisidoksia korkean energian fosfoanivety sidoksilla molekyylien fosfaattiryhmien, kuten ATP: n, välillä.
Eroja fosfaattien ja fosforyylien välillä (Lähde: Strater, Wikimedia Commonsin kautta)
Vierekkäisten nukleotidien väliset fosfodiesterisidokset koostuvat kahdesta fosfoesterisidoksesta, jotka tapahtuvat yhden nukleotidin 5'-asemassa olevan hydroksyylin ja seuraavan nukleotidin 3'-asemassa olevan hydroksyylin välillä DNA- tai RNA-juosteessa.
Ympäristön olosuhteista riippuen nämä sidokset voidaan hydrolysoida sekä entsymaattisesti että ei-entsymaattisesti.
Entsyymit mukana
Kemiallisten sidosten muodostuminen ja murtuminen on ratkaisevan tärkeää kaikille elintärkeille prosesseille, koska tunnemme ne, ja fosfodiesterisidosten tapaus ei ole poikkeus.
Tärkeimmistä entsyymeistä, jotka voivat muodostaa nämä sidokset, ovat DNA- tai RNA-polymeraasit ja ribotsyymit. Fosfodiesteraasientsyymit kykenevät hydrolysoimaan niitä entsymaattisesti.
Replikaation aikana, kriittinen prosessi soluproliferaatiolle, jokaisessa reaktiosyklissä templaattipohjaan komplementaarinen dNTP (deoksynukleotiditrifosfaatti) sisällytetään DNA: han nukleotidien siirtoreaktion kautta.
Polymeraasi on vastuussa uuden sidoksen muodostumisesta templaattiketjun 3'-OH: n ja dNTP: n a-fosfaatin välille, kiitos energian, joka vapautuu dNTP: n α- ja β-fosfaattien välisten sidosten katkeamisesta fosfoanivety sidoksilla.
Tuloksena on ketjun jatkaminen yhdellä nukleotidilla ja pyrofosfaatti (PPi) -molekyylin vapautuminen. On määritetty, että nämä reaktiot ansaitsevat kaksi kaksiarvoista magnesiumionia (Mg 2+), joiden läsnäolo mahdollistaa nukleofiilin OH sähköstaattisen stabiloinnin - saavuttaakseen lähestymistavan entsyymin aktiiviseen kohtaan.
PKa fosfodiesterisidoksen on lähellä 0, joten vesiliuoksessa nämä sidokset ovat täysin ionisoitunut, negatiivisesti varautuneita.
Tämä antaa nukleiinihappomolekyyleille negatiivisen varauksen, joka neutraloidaan anionisten vuorovaikutusten avulla proteiini-aminohappotähteiden positiivisten varausten kanssa, sähköstaattisen sitoutumisen metalli-ionien kanssa tai assosioitumisen polyamiinien kanssa.
Vesiliuoksessa fosfodiesterisidokset DNA-molekyyleissä ovat paljon vakaampia kuin RNA-molekyyleissä. Emäksisessä liuoksessa nämä sidokset RNA-molekyyleissä pilkotaan nukleosidin molekyylinsisäisellä syrjäyttämisellä 5'-päässä 2'-oksyanionilla.
Toiminta ja esimerkit
Kuten mainittiin, näiden sidosten merkityksellisin rooli on niiden osallistuminen nukleiinihappomolekyylien runkoon, jotka ovat yksi tärkeimmistä molekyyleistä solumaailmassa.
Topoisomeraasientsyymien aktiivisuus, jotka osallistuvat aktiivisesti DNA: n replikaatioon ja proteiinisynteesiin, riippuu DNA: n 5'-päässä olevien fosfodiesterisidosten vuorovaikutuksesta tyrosiinitähteiden sivuketjun kanssa näiden aktiivisessa kohdassa. entsyymejä.
Toisina sanansaattajina toimivissa molekyyleissä, kuten syklisessä adenosiinimonofosfaatissa (cAMP) tai syklisessä guanosiinitrifosfaatissa (cGTP), on fosfodiesterisidoksia, joita hydrolysoivat spesifiset entsyymit, joita kutsutaan fosfodiesteraasiksi, joiden osallistuminen on äärimmäisen tärkeää monien signalointiprosessien yhteydessä. solu.
Glyserofosfolipidit, biologisten kalvojen peruskomponentit, koostuvat glyserolimolekyylistä, joka on kiinnittynyt fosfodiesterisidosten kautta polaarisiin "pää" -ryhmiin, jotka muodostavat molekyylin hydrofiilisen alueen.
Viitteet
- Fothergill, M., Goodman, MF, Petruska, J., & Warshel, A. (1995). Metalli-ionien roolin rakenne-energia-analyysi fosfodiesterisidoksen sidoksen hydrolyysissä DNA-polymeraasin avulla I. Journal of the American Chemical Society, 117 (47), 11619 - 11277.
- Lodish, H., Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Martin, K. (2003). Molecular Cell Biology (5. painos). Freeman, WH & Company.
- Nakamura, T., Zhao, Y., Yamagata, Y., Hua, YJ ja Yang, W. (2012). Tarkkailemalla DNA-polymeraasia η muodostuu fosfodiesterisidos. Nature, 487 (7406), 196-201.
- Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Lehningerin biokemian periaatteet. Omega Editions (5. painos)
- Oivanen, M., Kuusela, S., ja Lönnberg, H. (1998). RNA: n fosfodiesterisidosten katkaisun ja isomeroinnin kinetiikka ja mekanismit bromattujen happojen ja emästen avulla. Chemical Reviews, 98 (3), 961-990.
- Pradeepkumar, PI, Höbartner, C., Baum, D., ja Silverman, S. (2008). Nukleopeptidisidosten DNA-katalysoitu muodostuminen. Angewandte Chemie International Edition, 47 (9), 1753–1757.
- Soderberg, T. (2010). Orgaaninen kemia biologisella painotuksella, osa II (osa II). Minnesota: Minnesotan yliopisto Morris Digital Well. Haettu osoitteesta www.digitalcommons.morris.umn.edu