Tyto fosfodiesterové vazby jsou kovalentní vazby, které se vyskytují mezi dvěma atomy kyslíku fosfátové skupiny a hydroxylové skupiny dvou různých molekul. V tomto typu vazby fosfátová skupina působí jako stabilní vazebný „můstek“ mezi dvěma molekulami prostřednictvím jejich atomů kyslíku.
Základní úloha fosfodiesterových vazeb v přírodě spočívá v tvorbě řetězců nukleových kyselin, DNA i RNA. Spolu s pentózovými cukry (případně deoxyribosou nebo ribózou) jsou fosfátové skupiny součástí nosné struktury těchto důležitých biomolekul.
Fosfodiesterová vazba v kostře DNA (Zdroj: Soubor: Phosphodiester bond.png, Soubor: PhosphodiesterBondDiagram.png: Uživatel: G3pro (talk) Uživatel: G3pro na en.wikipedia.org Derivativní práce: Uživatel: Merops (talk) Derivative work: User: Deneapol (talk) Derivativní práce: Uživatel: KES47 (talk) Text vylepšení: Incnis Mrsi (talk) Text Tweaks: DMacks (talk)) Derivativní práce: Uživatel: Miguelferig (talk) s ionizací, přes Wikimedia Commons)
Nukleotidové řetězce DNA nebo RNA, jako proteiny, mohou předpokládat různé trojrozměrné konformace, které jsou stabilizovány nekovalentními vazbami, jako jsou vodíkové vazby mezi komplementárními bázemi.
Primární struktura je však dána lineární sekvencí nukleotidů kovalentně navázaných prostřednictvím fosfodiesterových vazeb.
Jak vzniká fosfodiesterová vazba?
Podobně jako peptidové vazby v proteinech a glykosidické vazby mezi monosacharidy, fosfodiesterové vazby jsou výsledkem dehydratačních reakcí, při nichž dochází ke ztrátě molekuly vody. Zde je obecné schéma jedné z těchto dehydratačních reakcí:
HX 1 OH + HX 2 -OH → HX 1 -X 2 -OH + H 2 O
Fosfátové ionty odpovídají úplně deprotonované konjugované bázi kyseliny fosforečné a nazývají se anorganické fosfáty, jejichž zkratka je označena jako Pi. Když jsou dvě fosfátové skupiny spojeny dohromady, vytvoří se bezvodá fosfátová vazba a získá se molekula známá jako anorganický pyrofosfát nebo PPi.
Když je fosfátový ion připojen k atomu uhlíku v organické molekule, chemická vazba se nazývá fosfátový ester a výsledný druh je organický monofosfát. Pokud se organická molekula váže na více než jednu fosfátovou skupinu, tvoří se organické difosfáty nebo trifosfáty.
Když je jedna molekula anorganického fosfátu připojena ke dvěma organickým skupinám, použije se vazba fosfodiesterová nebo "fosfátová diesterová". Je důležité nezaměňovat fosfodiesterové vazby s vysokoenergetickými fosfoanhydro-vazbami mezi fosfátovými skupinami molekul, jako je například ATP.
Rozdíly mezi fosfáty a fosforyly (Zdroj: Strater, přes Wikimedia Commons)
Fosfodiesterové vazby mezi sousedními nukleotidy sestávají ze dvou fosfoesterových vazeb, které se vyskytují mezi hydroxylem v poloze 5 'jednoho nukleotidu a hydroxylem v poloze 3' dalšího nukleotidu v řetězci DNA nebo RNA.
V závislosti na podmínkách prostředí mohou být tyto vazby hydrolyzovány enzymaticky i neenzymaticky.
Enzymy zapojeny
Vytváření a porušování chemických vazeb je zásadní pro všechny životně důležité procesy, jak je známe, a případ fosfodiesterových vazeb není výjimkou.
Mezi nejdůležitější enzymy, které mohou tyto vazby tvořit, patří DNA nebo RNA polymerázy a ribozymy. Fosfodiesterázové enzymy jsou schopné je enzymaticky hydrolyzovat.
Během replikace je rozhodující proces pro buněčnou proliferaci, v každém reakčním cyklu je dNTP (deoxynukleotidtrifosfát) komplementární k templátové bázi inkorporován do DNA prostřednictvím reakce přenosu nukleotidů.
Polymeráza je zodpovědná za vytvoření nové vazby mezi 3'-OH templátového řetězce a a-fosfátem dNTP, díky energii uvolněné z přerušení vazeb mezi a a p fosfáty dNTP, které jsou spojeny fosfhoanhydro-vazbami.
Výsledkem je prodloužení řetězce o jeden nukleotid a uvolnění molekuly pyrofosfátu (PPi). Bylo zjištěno, že tyto reakce si zaslouží dva dvojmocné hořčíkové ionty (Mg2 +), jejichž přítomnost umožňuje elektrostatickou stabilizaci nukleofilního OH - k dosažení přístupu k aktivnímu místu enzymu.
PKa z fosfodiesterové vazby se nachází v blízkosti 0 ° C, tak ve vodném roztoku, tyto vazby jsou úplně ionizované, záporně nabité.
To dává molekulám nukleových kyselin záporný náboj, který je neutralizován iontovými interakcemi s kladnými náboji proteinových aminokyselinových zbytků, elektrostatickou vazbou s kovovými ionty nebo asociací s polyaminy.
Ve vodném roztoku jsou fosfodiesterové vazby v molekulách DNA mnohem stabilnější než v molekulách RNA. V alkalickém roztoku jsou tyto vazby v molekulách RNA štěpeny intramolekulárním vytěsněním nukleosidu na 5 'konci 2' oxyanionem.
Funkce a příklady
Jak již bylo zmíněno, nejdůležitější úlohou těchto vazeb je jejich účast na tvorbě páteře molekul nukleových kyselin, které jsou jednou z nejdůležitějších molekul v buněčném světě.
Aktivita topoisomerázových enzymů, které se aktivně účastní replikace DNA a syntézy proteinů, závisí na interakci fosfodiesterových vazeb na 5 'konci DNA s postranním řetězcem tyrosinových zbytků v jejich aktivním místě enzymy.
Molekuly, které se účastní jako druhé posly, jako je cyklický adenosin monofosfát (cAMP) nebo cyklický guanosintrifosfát (cGTP), mají fosfodiesterové vazby, které jsou hydrolyzovány specifickými enzymy známými jako fosfodiesterázy, jejichž účast je nanejvýš důležitá pro mnoho signálních procesů buněčný.
Glycerofosfolipidy, základní složky v biologických membránách, jsou složeny z glycerolové molekuly, která je připojena fosfodiesterovými vazbami k polárním „hlavovým“ skupinám, které tvoří hydrofilní oblast molekuly.
Reference
- Fothergill, M., Goodman, MF, Petruska, J. & Warshel, A. (1995). Strukturně-energetická analýza úlohy iontů kovů v hydrolýze fosfodiesterových vazeb pomocí DNA polymerázy I. Journal of 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 (5. ed.). Freeman, WH & Company.
- Nakamura, T., Zhao, Y., Yamagata, Y., Hua, YJ a Yang, W. (2012). Sledováním DNA polymerázy η se vytvoří fosfodiesterová vazba. Nature, 487 (7406), 196-201.
- Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Lehningerovy principy biochemie. Vydání Omega (5. vydání)
- Oivanen, M., Kuusela, S., & Lönnberg, H. (1998). Kinetika a mechanismy štěpení a izomerizace fosfodiesterových vazeb RNA bronstedovými kyselinami a bázemi. Chemical Reviews, 98 (3), 961-990.
- Pradeepkumar, PI, Höbartner, C., Baum, D., & Silverman, S. (2008). DNA-katalyzovaná tvorba nukleopeptidových vazeb. Angewandte Chemie International Edition, 47 (9), 1753–1757.
- Soderberg, T. (2010). Organická chemie s biologickým důrazem na svazek II (svazek II). Minnesota: University of Minnesota Morris Digital Well. Citováno z www.digitalcommons.morris.umn.edu