Do wiązania fosfodiestrowe są wiązania kowalencyjne, które występują pomiędzy dwoma atomami tlenu, grupy fosforanowej i grup hydroksylowych z dwóch różnych cząsteczek. W tego typu wiązaniach grupa fosforanowa działa jak stabilny „most” łączący dwie cząsteczki poprzez ich atomy tlenu.
Podstawową rolą wiązań fosfodiestrowych w przyrodzie jest tworzenie łańcuchów kwasów nukleinowych, 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.
Wiązanie fosfodiesterowe w szkielecie DNA (Źródło: File: Phosphodiester bond.png, File: PhosphodiesterBondDiagram.png: Użytkownik: G3pro (dyskusja) Użytkownik: G3pro at en.wikipedia.org Prace pochodne: Użytkownik: Merops (dyskusja) Prace pochodne: Użytkownik : Deneapol (dyskusja) Prace pochodne: Użytkownik: KES47 (dyskusja) Poprawki tekstu: Incnis Mrsi (dyskusja) Poprawki tekstu: DMacks (dyskusja)) Prace pochodne: Użytkownik: Miguelferig (dyskusja) z jonizacją, za pośrednictwem Wikimedia Commons)
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.
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:
HX 1 -OH + HX 2 -OH → HX 1 -X 2- OH + H 2 O
Jony fosforanowe odpowiadają całkowicie deprotonowanej sprzężonej zasadzie kwasu fosforowego i są nazywane nieorganicznymi fosforanami, których skrót jest oznaczony jako Pi. Gdy 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.
Różnice między fosforanami i fosforylami (źródło: Strater, za Wikimedia Commons)
Wiązania fosfodiestrowe między sąsiednimi nukleotydami składają się z dwóch wiązań fosfoestrowych, które występują między grupą hydroksylową w pozycji 5 'jednego nukleotydu i 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 matrycy, 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 przez wiązania fosfoanhydro.
Rezultatem jest wydłużenie łańcucha o jeden nukleotyd i uwolnienie cząsteczki pirofosforanu (PPi). Stwierdzono, że reakcje te zasługują na dwa dwuwartościowe jony magnezu (Mg 2+ ), których obecność umożliwia stabilizację elektrostatyczną nukleofilowego OH - w celu zbliżenia się do miejsca aktywnego enzymu.
Wartość pK a wiązania fosfodiestrowego jest bliska 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, elektrostatycznemu wiązaniu 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. enzymy.
Cząsteczki, które uczestniczą jako drugie przekaźniki, takie jak cykliczny monofosforan adenozyny (cAMP) lub cykliczny trifosforan guanozyny (cGTP), posiadają wiązania fosfodiestrowe, które są hydrolizowane przez określone enzymy znane jako fosfodiesterazy, których udział ma ogromne znaczenie dla wielu procesów sygnałowych komórkowy.
Glicerofosfolipidy, podstawowe składniki błon biologicznych, składają się z cząsteczki glicerolu, która jest połączona wiązaniami fosfodiestrowymi z polarnymi grupami „głowy”, które stanowią hydrofilowy region cząsteczki.
Bibliografia
- Fothergill, M., Goodman, MF, Petruska, J. i Warshel, A. (1995). Structure-Energy Analysis of the Role of Metal Ions in Phosphodiester Bond Hydrolysis by DNA Polymerase I. Journal of the American Chemical Society, 117 (47), 11619-11627.
- Lodish, H., Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Martin, K. (2003). Molecular Cell Biology (wyd. 5). Freeman, WH & Company.
- Nakamura, T., Zhao, Y., Yamagata, Y., Hua, YJ i Yang, W. (2012). Obserwowanie, jak polimeraza DNA η tworzy wiązanie fosfodiestrowe. Naturę, 487 (7406), 196-201.
- Nelson, DL i Cox, MM (2009). Zasady Lehningera biochemii. Omega Editions (wyd. 5)
- Oivanen, M., Kuusela, S., & Lönnberg, H. (1998). Kinetyka i mechanizmy rozszczepiania i izomeryzacji wiązań fosfodiestrowych RNA przez kwasy i zasady bronstedowe. Recenzje chemiczne, 98 (3), 961-990.
- Pradeepkumar, PI, Höbartner, C., Baum, D. i Silverman, S. (2008). Tworzenie wiązań nukleopeptydowych katalizowane przez DNA. Angewandte Chemie International Edition, 47 (9), 1753–1757.
- 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