3.8: Nukleotid és polinukleotid; DNS és RNS
Adattáblázat megtekintése
| Sorrend | Rész |
|---|---|
| 1 | Nukleotid és polinukleotid |
| 2 | DNS és RNS |
3.8: Nukleotid és polinukleotid; DNS és RNS
Adattáblázat megtekintése
| Sorrend | Rész |
|---|---|
| 1 | Nukleotid és polinukleotid |
| 2 | DNS és RNS |
Nukleozidból nukleotid
A nukleozid nitrogéntartalmú bázisból és pentózból áll. A bázis a cukor 1′-szénatomjához N-glikozidos kötéssel kapcsolódik. Ha a cukor 5′-OH-csoportjához foszfátcsoport kapcsolódik, nukleotidot kapunk. Az RNS építőegységeinek cukra ribóz (2′-OH), a DNS-é 2-dezoxi-ribóz (2′-H). A nukleotidok a cukor 3′-OH- és 5′-foszfátcsoportjai között kialakuló foszfodiészter-kötésekkel polinukleotid-lánccá kapcsolódnak.
Hogyan olvasd a szerkezeteket? Keresd meg először a foszfátot, majd az öttagú cukorgyűrűt és végül a bázist. Az ábrákon a foszfát semleges savalakja szerepel; oldatban töltést is hordozhat.
A foszfodiészter két cukorhoz oxigéneken keresztül kapcsolódik
Ábra szöveges leírása
| Lépés | Magyarázat |
|---|---|
| Első észterkapcsolat | Az egyik cukor 3′-C–O–P részlete. |
| Második észterkapcsolat | P–O–5′-C a következő cukor felé. |
| Láncgerinc | A cukor és foszfát ismétlődése; a bázis a cukor 1′-szénatomján van. |
Miért van vessző a cukor szénatomszáma mellett?
Az 1′, 2′, 3′, 4′, 5′ jel a pentóz szénatomjait számozza. A bázis gyűrűjének külön atomszámozása van; a vessző megkülönbözteti a két rendszert. Az ötödik szénatom a furanózgyűrűn kívüli CH2-csoport szénatomja, ezért az öttagú gyűrűben négy szén és egy oxigén található.
A bázis a cukor 1′-szénatomjához kapcsolódik N-glikozidos kötéssel. A bázis tehát nem a foszfáthoz és nem a cukor 5′-szénatomjához kötődik. Az itt bemutatott purinbázisokban a N9, a pirimidinbázisokban a N1 vesz részt a cukorhoz kapcsolódásban.
A láncon belüli foszfátészteres híd kovalens. A láncok közötti bázispárosodás hidrogénkötéses: ez két különböző kapcsolattípus. A foszfátcsoportok szokásos vizes körülmények között negatív töltést hordoznak; a nukleinsav emiatt sok negatív töltésű, poláris gerincet tartalmaz. Ellenionok és víz kapcsolódnak hozzá.
Példa: melyik résztől lesz más az AMP és a dAMP?
Mindkettőben adeninbázis és 5′-foszfát van. Az AMP cukra ribóz, ezért a 2′-szénatomján OH-csoportot látsz. A dAMP cukra 2-dezoxi-ribóz: ugyanitt H van. Így a különbséget a cukorrészen találod meg, nem a bázison vagy a foszfáton.
DNS és RNS: szerkezetből következő különbségek
A DNS két, ellentétes irányú (antiparallel) polinukleotid-láncból álló kettős hélix. A szálak cukor–foszfát gerincén a bázisok befelé fordulnak: A–T két, G–C három hidrogénkötéses pár. Az RNS rendszerint egyetlen lánc, de önmagán belüli bázispárosodással összetett térszerkezetet is felvehet. A cukor DNS-ben 2-dezoxi-ribóz, RNS-ben ribóz; az RNS-ben U van T helyett. A bázisok sorrendje hordozza a genetikai információt.
A DNS és RNS összehasonlítása
| Szempont | DNS | RNS |
|---|---|---|
| Pentóz | 2-dezoxi-D-ribóz: 2′-H | D-ribóz: 2′-OH |
| Szokásos négy bázis | Adenin, guanin, citozin, timin | Adenin, guanin, citozin, uracil |
| Láncgerinc | 3′–5′-foszfodiészteres | 3′–5′-foszfodiészteres |
| Láncok, téralak | A szokásos sejtes DNS két antiparallel szála kettős hélixet alkot. | Rendszerint egyszálú; visszahajolhat, önmagán belül párosodhat és térszerkezetet vehet fel. |
| Jelentőség | A sejt örökítő információjának tartós tárolása, továbbadása. | Az információ felhasználása, fehérjeszintézis és más, például szabályozó vagy katalitikus feladatok. |
Három fontos RNS-fajta
| RNS | Feladat | Kapcsolat a fehérjeképzéssel |
|---|---|---|
| mRNS, hírvivő RNS | A kódoló információt hordozza a fehérjeszintézishez. | Bázishármasait, kodonjait a riboszóma használja a sorrend meghatározásához. |
| tRNS, szállító RNS | A megfelelő aminosavat kapcsolja a leolvasáshoz. | Antikodonja felismeri az mRNS megfelelő kodonját; nem maga lesz a fehérje építőegysége. |
| rRNS, riboszomális RNS | A riboszóma szerkezetének és működésének része. | Az RNS-alkotórész a peptidkötés képzésében is katalitikus szerepet tölt be. |
Az információ útja nem az anyag közvetlen átalakulása
Átíráskor, azaz transzkripciókor egy DNS-mintaszakasz alapján RNS készül. Fehérjeszintéziskor, azaz transzlációkor az mRNS sorrendjét felhasználva aminosavakból polipeptid épül. A DNS ettől nem fogy el és nem alakul át szó szerint fehérjévé.
Egy génnek lehet fehérjét kódoló szakasza, de működő RNS-t is meghatározhat. Ezért nem minden gén és nem minden RNS jelent közvetlenül egy fehérjereceptet. A kódoló DNS-szál 5′→3′ sorrendjével az mRNS sorrendje megegyezik T helyett U-val; az átírt mintaszál ehhez komplementer és ellentétes irányú.
A DNS antiparallel szálai és komplementer bázispárjai
Adattáblázat megtekintése
| Bal szál 5′→3′ | Jobb szál 3′→5′ | Hidrogénkötések |
|---|---|---|
| A | T | 2 |
| G | C | 3 |
| T | A | 2 |
| C | G | 3 |
RNS-lánc ribózokkal, foszfátcsoportokkal és A-U-G-C bázisokkal
Adattáblázat megtekintése
| Sorrend | Bázis |
|---|---|
| 1 | A |
| 2 | U |
| 3 | G |
| 4 | C |
Példa: készíts komplementer DNS-szálat!
Adott a szál: 5′–AGTC–3′. Párosíts bázisonként: A–T, G–C, T–A, C–G. Az ellenkező irányú szál ezért 3′–TCAG–5′. Ha ezt a szálat is 5′→3′ irányban akarod leírni, meg kell fordítani: 5′–GACT–3′.
Szerkezet és téralak
A β-D-ribofuranóz öttagú gyűrűje boríték- vagy csavart konformációban jelenhet meg; a kapcsolódási vázlat a tényleges téralakot nem ábrázolja. A 2-dezoxi-ribóz 2′-szénatomján OH helyett H van. A DNS és RNS cukor–foszfát gerincének kapcsolódása 3′–5′-foszfodiészteres.
Fontos összefüggés
Az antiparallel DNS-láncok egyike 5′→3′, társa 3′→5′ irányú. A bázispárok két, illetve három hidrogénkötése mellett a bázisok egymásra rakódása is hozzájárul a kettős hélix stabilitásához.
Az RNS négy gyakori nukleotidja
Mind a négy 5′-monofoszfát ugyanarra a ribóz–foszfát részre épül. Az A és G kétgyűrűs purinbázis, a C és U egygyűrűs pirimidinbázis. A bázisokat és a nevüket páronként hasonlítsd össze.
A DNS négy gyakori nukleotidja
Mindegyikben 2-dezoxi-ribóz van. A dTMP bázisa timin; ennek a gyűrűjén metilcsoport található. Az uracil az RNS-re, a timin a DNS-re jellemző.
ATP: adenozin-trifoszfát
Az ATP adeninből, ribózból és három egymáshoz kapcsolódó foszfátcsoportból áll. A ribóz 5′-szénatomjához kapcsolódó foszfát az α-, a következő a β-, a lánc végén lévő a γ-foszfát. Az ATP nem a DNS egy építőegysége: a DNS-láncba dATP-ből dezoxiadenilát-egység épül be.
ATP-hidrolízis ADP-vé és szervetlen foszfáttá
ATP + H2O → ADP + Pi
Pi a szervetlen foszfát jelölése, nem elemi foszfor. A protonáltságot és a Mg2+-komplexeket az egyszerűsített mérleg nem részletezi. A szabadentalpia-változás a hőmérséklettől, pH-tól és az anyagok koncentrációjától is függ.
Az ATP foszfátészter- és foszfoanhidrid-kapcsolatai
Ábra szöveges leírása
| Lépés | Magyarázat |
|---|---|
| Ribóz és α-foszfát | Foszfátészteres kapcsolat. |
| α–β és β–γ kapcsolat | P–O–P foszfoanhidrid-kapcsolatok. |
| Hidrolízis | ATP + H2O → ADP + Pi; Pi szervetlen foszfátot jelöl. |
A teljes hidrolízis energiamérlegét értelmezzük
Az ATP energiatovábbító szerepe a kapcsolt reakciókból érthető meg. A hidrolízis összességében kisebb szabadentalpiájú termékállapothoz vezethet; a felszabadítható energia megfelelően kapcsolt sejtes átalakulásban használható fel.
Egy kötés felszakítása önmagában energiabefektetést igényel. Az ATP-hidrolízisben ugyanakkor más kötések képződnek, és a termékek vízzel való kölcsönhatásai, valamint elektroneloszlása is számít. Ezért pontatlan úgy magyarázni, mintha egy kötésből a puszta elvágáskor energia folyna ki.
Az ATP újraképzéséhez energia kell, amelyet például tápanyagok lebontása vagy fotoszintetikus folyamat szolgáltathat. A foszfátcsoport nem korlátlan energiaforrás; az ATP–ADP átalakulás az energiaátadás és az anyagcsere összekapcsolásának része.
A bővítés ellenőrzési forrásai
OH Kémia 9–10., II. kötet, 120–121. nyomtatott oldal; OH 3.8, 74–75. PDF-oldal. A PCR: NHGRI; mutáció és mutagén: NHGRI: Mutation, Mutagen.
A foszfodiészter és a szerkezet: OpenStax, 14.2; ATP: 6.4. Sanger, Nicklen és Coulson elsődleges közleménye: PNAS, 1977. A DNS-modellel kapcsolatos történeti forrás: Nobel Prize: a genetikai kód története. A vázlatok és számpéldák önálló szemléltetések.
Az érettségin használható kapcsolatok
- A nukleotid pentózból, foszfátcsoportból és nitrogéntartalmú bázisból áll. Nukleozidban nincs foszfátcsoport.
- DNS-ben dezoxiribóz és A, T, G, C bázisok; RNS-ben ribóz és A, U, G, C bázisok vannak. A polimer gerincét 3′–5′ foszfodiészter-kötések alkotják.
- A DNS két szála antiparallel és komplementer. A–T között két, G–C között három hidrogénkötés alakul ki; a bázispárosodás teszi lehetővé a pontos másolást.
- A bázissorrend hordozza a genetikai információt. A gén DNS-szakasz; transzkripciókor RNS, transzlációkor a kodonok alapján polipeptid képződik.
- Az ATP nukleotidszármazék és közvetlen energiaátvivő. Hidrolízise energiát szabadít fel kapcsolt sejtes folyamatokhoz; nem hosszú távú energiaraktár.
- Mutáció a nukleotidsorrend változása. Hatása lehet semleges, káros vagy előnyös; nem minden DNS-változás módosítja a fehérje aminosavsorrendjét.
Felidéző gyakorlás
Melyik alkotórész hozzáadásával lesz a nukleozidból nukleotid?
Válaszolj a kérdésre, majd ellenőrizd a válaszod, és olvasd el a magyarázatot. Ebben a gyakorló nézetben a válaszokat nem mentjük.
Középszintű követelmények · 3.8
Az Oktatási Hivatal követelményei
Az alfejezet fogalmainak, szerkezeteinek, reakcióinak és az ide tartozó egyszerű feladatoknak az értelmezése.
Középszintű érettségi mintafeladat
Egy DNS-lánc részlete 5′–ATGCC–3′. (8 pont)
- Írd fel a vele szemben futó láncot iránnyal együtt. (3 pont)
- Nevezd meg a DNS három nukleotid-összetevőjét. (3 pont)
- Milyen kötések kapcsolják a nukleotidokat egy láncon belül? (2 pont)
Középszintű mintamegoldás és részletes pontozás
- Írd fel a vele szemben futó láncot iránnyal együtt. (3 pont)3′–TACGG–5′ (helyes bázisok 2 pont, irány 1 pont).
- Nevezd meg a DNS három nukleotid-összetevőjét. (3 pont)Dezoxiribóz, foszfátcsoport, nitrogéntartalmú bázis (1–1 pont).
- Milyen kötések kapcsolják a nukleotidokat egy láncon belül? (2 pont)3′–5′-foszfodiészter-kötések (2 pont).
Összesen: 8 pont.
Források
Szerkezeti és tananyagforrások
OH: részletes kémiaérettségi-követelmények; NHGRI: nukleotid; NHGRI: DNS; PubChem: ATP; IUPAC: szénhidrátok gyűrűformái. A tankönyvi kapcsolódás a Kémia 9–10., II. kötet 120–121. nyomtatott oldala, 71. lecke.