Фосфодиэфирная связь, как она формируется, функции и примеры

фосфодиэфирные связи они представляют собой ковалентные связи, которые возникают между двумя атомами кислорода фосфатной группы и гидроксильными группами двух других молекул. В этом типе связей фосфатная группа действует как «мост» устойчивого соединения между двумя молекулами через атомы кислорода..

Фундаментальная роль фосфодиэфирных связей в природе заключается в формировании цепей нуклеиновых кислот как ДНК, так и РНК. Наряду с пентозными сахарами (дезоксирибозой или рибозой, в зависимости от обстоятельств) фосфатные группы являются частью поддерживающей структуры этих важных биомолекул.

Нуклеотидные цепи ДНК или РНК, как и белки, могут принимать различные трехмерные конформации, которые стабилизируются нековалентными связями, такими как водородные связи между комплементарными основаниями..

Однако первичная структура определяется линейной последовательностью нуклеотидов, ковалентно связанных фосфодиэфирными связями..

индекс

• 1 Как образуется фосфодиэфирная связь?
  • 1.1 Ферменты участвуют
• 2 Функция и примеры
• 3 Ссылки

Как образуется фосфодиэфирная связь?

Подобно пептидным связям в белках и гликозидным связям между моносахаридами, фосфодиэфирные связи возникают в результате реакций дегидратации, при которых молекула воды теряется. Вот общая схема одной из этих реакций дегидратации:

Н-Х₁-ОН + Н-Х₂-OH → H-X₁-X₂-ОН + Н₂О

Фосфат-ионы соответствуют полностью депротонированному конъюгату основания фосфорной кислоты и называются неорганическими фосфатами, сокращение которых обозначается Pi. Когда две фосфатные группы связаны вместе, образуется безводная фосфатная связь и получается молекула, известная как неорганический пирофосфат или PPi..

Когда фосфат-ион присоединен к атому углерода органической молекулы, химическая связь называется фосфатным эфиром, и в результате образуется органический монофосфат. Если органическая молекула связывается с более чем одной фосфатной группой, образуются органические дифосфаты или трифосфаты.

Когда одна молекула неорганического фосфата связывается с двумя органическими группами, используется фосфодиэфирная связь или «диэфирный фосфат». Важно не путать фосфодиэфирные связи с высокоэнергетическими фосфоангидро-связями между фосфатными группами молекул, таких как, например, АТФ..

Фосфодиэфирные связи между соседними нуклеотидами состоят из двух фосфоэфирных связей, которые возникают между гидроксилом в 5 'положении нуклеотида и гидроксилом в 3' положении следующего нуклеотида на цепи ДНК или РНК..

В зависимости от условий среды эти связи могут быть гидролизованы как ферментативно, так и неферментативно..

Вовлеченные ферменты

Образование и разрыв химических связей имеет решающее значение для всех жизненно важных процессов, как мы их знаем, и случай фосфодиэфирных связей не является исключением.

Среди наиболее важных ферментов, которые могут образовывать эти связи, - ДНК- или РНК-полимеразы и рибозимы. Ферменты фосфодиэстеразы способны их ферментативно гидролизовать..

Во время репликации, критического процесса для пролиферации клеток, в каждом цикле реакции дНТФ (дезоксинуклеотидтрифосфат), комплементарный матричной основе, включается в ДНК с помощью реакции переноса нуклеотидов..

Полимераза отвечает за формирование новой связи между 3'-ОН матричной нити и α-фосфатом dNTP благодаря энергии, выделяющейся при разрыве связей между α и β-фосфатами dNTP, которые связаны по фосфоангидро-связям.

Результатом является удлинение цепи нуклеотидом и высвобождение молекулы пирофосфата (PPi). Было установлено, что эти реакции заслуживают двух двухвалентных ионов магния (Mg²⁺), присутствие которого позволяет электростатической стабилизации нуклеофила ОН^- получить приближение к активному сайту фермента.

рк_в фосфодиэфирной связи близка к 0, поэтому в водном растворе эти связи полностью ионизированы, отрицательно заряжены.

Это дает молекулам нуклеиновой кислоты отрицательный заряд, который нейтрализуется благодаря ионным взаимодействиям с положительными зарядами аминокислотных остатков белка, электростатическому связыванию с ионами металлов или ассоциации с полиаминами..

В водном растворе фосфодиэфирные связи в молекулах ДНК гораздо более стабильны, чем в молекулах РНК. В щелочном растворе указанные связи в молекулах РНК расщепляются путем внутримолекулярного смещения нуклеозида на 5'-конце 2'-оксианионом..

Функция и примеры

Как уже упоминалось, наиболее важной ролью этих связей является их участие в формировании скелета молекул нуклеиновых кислот, которые являются наиболее важными молекулами в клеточном мире..

Активность ферментов топоизомеразы, которые активно участвуют в репликации ДНК и синтезе белка, зависит от взаимодействия фосфодиэфирных связей на 5'-конце ДНК с боковой цепью остатков тирозина на активном сайте этих ферменты.

Молекулы, которые участвуют в качестве вторичных мессенджеров, такие как циклический аденозинмонофосфат (цАМФ) или циклический гуанозинтрифосфат (цГТФ), имеют фосфодиэфирные связи, которые гидролизуются специфическими ферментами, известными как фосфодиэстеразы, участие которых имеет большое значение для многих процессов передачи сигналов. сотовый.

Глицерофосфолипиды, фундаментальные компоненты в биологических мембранах, состоят из молекулы глицерина, которая связана фосфодиэфирными связями с полярными «головными» группами, которые составляют гидрофильную область молекулы.

ссылки

1. Fothergill, M., Goodman, M.F., Petruska, J., & Warshel, A. (1995). Структурно-энергетический анализ роли ионов металлов в гидролизе фосфодиэфирной связи ДНК-полимеразой I. Журнал Американского химического общества, 117(47), 11619-11627.
2. Лодиш Х., Берк А., Кайзер С.А., Кригер М., Бретчер А., Плое Х., Мартин К. (2003). Молекулярно-клеточная биология (5-е изд.). Фримен, В. Х. & Компания.
3. Nakamura T., Zhao Y., Yamagata Y., Hua, Y.J. & Yang, W. (2012). Наблюдая, как ДНК-полимераза η образует фосфодиэфирную связь. природа, 487(7406), 196-201.
4. Нельсон Д.Л. и Кокс М.М. (2009). Lehninger Принципы биохимии. Омега издания (5-е изд.)
5. Oivanen, M., Kuusela, S. & Lönnberg, H. (1998). Кинетика и механизмы расщепления и изомеризации фосфодиэфирных связей РНК бронстедовыми кислотами и основаниями. Химические Обзоры, 98(3), 961-990.
6. Pradeepkumar P.I., Höbartner C., Baum D. & Silverman S. (2008). Катализируемое ДНК образование нуклеопептидных связей. Angewandte Chemie International Edition, 47(9), 1753-1757.
7. Содерберг, Т. (2010). Органическая химия с биологическим акцентом Том II (Том II). Миннесота: Университет Миннесоты Моррис Цифровой Колодец. Получено с www.digitalcommons.morris.umn.edu