Fosfodiesterlänk: hur det bildas, funktion och exempel
Fosfodiesterbindningar är de kovalenta bindningarna som förekommer mellan två av syreatomerna i en fosfatgrupp och hydroxylgrupperna i två andra molekyler. I denna typ av bindningar verkar fosfatgruppen som en "bro" av stabil fackförening mellan de två molekylerna genom sina syreatomer.
Den grundläggande rollen av fosfodiesterbindningar i naturen är den för bildandet av nukleinsyrasträngarna av både DNA och RNA. Tillsammans med pentosocker (deoxyribos eller ribos, i förekommande fall) är fosfatgrupperna en del av den bärande strukturen hos dessa viktiga biomolekyler.
Nukleotidkedjorna i DNA eller RNA, som proteiner, kan anta olika tredimensionella konformationer som stabiliseras av icke-kovalenta bindningar, såsom vätebindningar mellan komplementära baser.
Den primära strukturen ges emellertid av den linjära sekvensen av nukleotiderna kovalent bundna medelst fosfodiesterbindningar.
Hur bildas en fosfodiesterbindning?
Liksom peptidbindningar i proteiner och glykosidbindningar mellan monosackarider, kommer fosfodiesterbindningar från uttorkningsreaktioner, i vilka en molekyl vatten förloras. Här är den allmänna beskrivningen av en av dessa dehydreringsreaktioner:
HX1-OH + HX2 -OH → HX1-X2-OH + H20
Fosfatjoner motsvarar den fullständigt deprotonerade konjugatbasen av fosforsyra och kallas oorganiska fosfater, vars förkortning betecknas Pi. När två fosfatgrupper är sammanbundna bildas en vattenfri fosfatbindning och en molekyl som är känd som oorganiskt pyrofosfat eller PPi erhålles.
När en fosfatjon är bunden till en kolatom i en organisk molekyl, kallas den kemiska bindningen fosfatestern och den resulterande arten är ett organiskt monofosfat. Om den organiska molekylen binder till mer än en fosfatgrupp bildas de organiska difosfaterna eller trifosfaterna.
När en enda molekyl av oorganiskt fosfat binder till två organiska grupper används en fosfodiesterbindning eller "diesterfosfat". Det är viktigt att inte förväxla fosfodiesterbindningarna med fosforhalten med hög energi fosforgrupper i molekyler såsom ATP.
Fosfodiesterbindningar mellan intilliggande nukleotider består av två fosforesterbindningar som uppträder mellan hydroxyl vid 5'-positionen av en nukleotid och hydroxylen vid 3'-positionen hos nästa nukleotid på en sträng av DNA eller RNA.
Beroende på mediets tillstånd kan dessa bindningar hydrolyseras både enzymatiskt och icke-enzymatiskt.
Enzymer involverade
Bildandet och brytningen av kemiska bindningar är avgörande för alla vitala processer som vi känner till dem, och fallet med fosfodiesterbindningar är inget undantag.
Bland de viktigaste enzymerna som kan bilda dessa bindningar är DNA- eller RNA-polymeraser och ribozymer. Enzymerna fosfodiesteraser kan enzymatiskt hydrolysera dem.
Under replikation inkorporeras en dNTP (deoxinukleotidtrifosfat) komplementär till mallbasen i en DNA-reaktion genom en nukleotidöverföringsreaktion i en reaktionscykel i varje reaktionscykel.
Polymeraset är ansvarigt för att bilda en ny bindning mellan mallsträngens 3'-OH och a-fosfatet av dNTP tack vare den energi som frigörs från brytningen av bindningarna mellan a och p-fosfaterna av dNTP, vilka är länkade av fosforanhydrobindningar.
Resultatet är förlängningen av kedjan med en nukleotid och frisättningen av en pyrofosfatmolekyl (PPi) s. Det har fastställts att dessa reaktioner uppskattar två divalenta magnesiumjoner (Mg2 +), vars närvaro tillåter elektrostatisk stabilisering av nukleofilen OH- för att uppnå approximationen mot enzymets aktiva ställning.
PKa av en fosfodiesterbindning är nära 0, så i en vattenlösning är dessa bindningar fullständigt joniserade, negativt laddade.
Detta ger nukleinsyramolekylerna en negativ laddning, som neutraliseras tack vare joniska interaktioner med de positiva laddningarna av protein aminosyrarester, elektrostatisk bindning med metalljoner eller till föreningen med polyaminer.
I en vattenhaltig lösning är fosfodiesterbindningarna i DNA-molekylerna mycket stabilare än i RNA-molekylerna. I en alkalisk lösning klyvs nämnda bindningar i RNA-molekylerna genom intramolekylär förskjutning av nukleosiden vid 5'-änden av en 2'-oxianion.
Funktion och exempel
Som nämnts är den mest relevanta rollen hos dessa länkar deras deltagande i bildandet av nukleinsyramolekylernas skelett, vilka är de viktigaste molekylerna i cellvärlden.
Aktiviteten hos topoisomerasenzymer, som är aktivt involverade i DNA-replikation och proteinsyntes, beror på interaktionen mellan fosfodiesterbindningarna vid 5'-änden av DNA-en med sidokedjan hos tyrosinrester vid den aktiva platsen av dessa enzymer.
Molekyler som deltar som andra budbärare, såsom cyklisk adenosinmonofosfat (cAMP) eller cykliskt guanosintrifosfat (cGTP), har fosfodiesterbindningar som hydrolyseras av specifika enzymer kända som fosfodiesteraser, vars deltagande är av stor betydelse för många signalprocesser cell.
Glycerofosfolipider, grundläggande komponenter i biologiska membran, består av en glycerolmolekyl som är kopplad av fosfodiesterbindningar till de polära "huvud" -grupperna som utgör molekylens hydrofila region.
