Łącze fosfodiestrowe: jak powstaje, funkcja i przykłady
Wiązania fosfodiestrowe są wiązaniami kowalencyjnymi, które występują między dwoma atomami tlenu grupy fosforanowej i grupami hydroksylowymi dwóch innych cząsteczek. W tego typu wiązaniach grupa fosforanowa działa jako „most” stabilnego połączenia między dwiema cząsteczkami poprzez ich atomy tlenu.
Podstawową rolą wiązań fosfodiestrowych w przyrodzie jest tworzenie się nici kwasu nukleinowego zarówno DNA, jak i RNA. Razem z cukrami pentozy (deoksyrybozą lub rybozą, w zależności od przypadku) grupy fosforanowe są częścią struktury nośnej tych ważnych biocząsteczek.
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 podstawowa struktura jest podana przez liniową sekwencję nukleotydów połączonych kowalencyjnie za pomocą wiązań fosfodiestrowych.
Jak powstaje wiązanie fosfodiestrowe?
Podobnie jak wiązania peptydowe w białkach i wiązaniach glikozydowych między monosacharydami, wiązania fosfodiestrowe są wynikiem reakcji odwodnienia, w których cząsteczka wody jest tracona. Oto ogólny zarys jednej z tych reakcji odwodnienia:
HX 1 -OH + HX 2 -OH → HX 1 -X 2 -OH + H 2 O
Jony fosforanowe odpowiadają całkowicie zdeprotonowanej sprzężonej bazie kwasu fosforowego i nazywane są nieorganicznymi fosforanami, których skrót oznaczono Pi. Gdy dwie grupy fosforanowe są połączone ze sobą, powstaje bezwodne wiązanie fosforanowe i otrzymuje się cząsteczkę znaną jako nieorganiczny pirofosforan lub PPi.
Gdy jon fosforanowy jest przyłączony do atomu węgla cząsteczki organicznej, wiązanie chemiczne nazywane jest estrem fosforanowym, a powstały związek jest monofosforanem organicznym. Jeśli cząsteczka organiczna wiąże się z więcej niż jedną grupą fosforanową, tworzą się organiczne difosforany lub trifosforany.
Gdy pojedyncza cząsteczka nieorganicznego fosforanu wiąże się z dwiema grupami organicznymi, stosuje się wiązanie fosfodiestrowe lub „fosforan diestru”. Ważne jest, aby nie mylić wiązań fosfodiestrowych z wysokoenergetycznymi wiązaniami fosfoanhydro między grupami fosforanowymi cząsteczek, takich jak na przykład ATP.
Wiązania fosfodiestrowe między sąsiednimi nukleotydami składają się z dwóch wiązań fosfoestrowych, które występują między grupą hydroksylową w pozycji 5 'nukleotydu i grupą hydroksylową w pozycji 3' następnego nukleotydu na nici DNA lub RNA.
W zależności od warunków podłoża wiązania te mogą być hydrolizowane zarówno enzymatycznie, jak i nieenzymatycznie.
Zaangażowane enzymy
Tworzenie i rozbijanie wiązań chemicznych jest kluczowe dla wszystkich procesów życiowych, jakie znamy, a przypadek wiązań fosfodiestrowych nie jest wyjątkiem.
Do najważniejszych enzymów, które mogą tworzyć te wiązania, należą polimerazy DNA lub RNA i rybozymy. Enzymy fosfodiesterazy są zdolne do ich enzymatycznej hydrolizy.
Podczas replikacji, kluczowego procesu proliferacji komórek, w każdym cyklu reakcji dNTP (trifosforan deoksynukleotydu) komplementarny do zasady matrycy jest włączany do DNA przez reakcję transferu nukleotydów.
Polimeraza jest odpowiedzialna za tworzenie nowego wiązania między 3'-OH nici matrycy i α-fosforanem dNTP, dzięki energii uwalnianej z rozpadu wiązań między fosforanami α i β dNTP, które są połączone wiązaniami fosfoanhydro.
Rezultatem jest rozszerzenie łańcucha o nukleotyd i uwolnienie cząsteczki pirofosforanu (PPi). Stwierdzono, że reakcje te wymagają dwóch dwuwartościowych jonów magnezu (Mg2 +), których obecność pozwala na elektrostatyczną stabilizację nukleofilowego OH- w celu uzyskania przybliżenia w kierunku miejsca aktywnego enzymu.
Wartość pKa 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, wiązaniu elektrostatycznemu z jonami metali lub asocjacji z poliaminami.
W roztworze wodnym wiązania fosfodiestrowe w cząsteczkach DNA są znacznie bardziej stabilne niż w cząsteczkach RNA. W roztworze alkalicznym wspomniane wiązania w cząsteczkach RNA są cięte przez wewnątrzcząsteczkowe przemieszczenie nukleozydu na końcu 5 'za pomocą oksyanionu 2'.
Funkcja i przykłady
Jak wspomniano, najważniejszą rolą tych powiązań jest ich udział w tworzeniu szkieletu cząsteczek kwasu nukleinowego, które są najważniejszymi cząsteczkami w świecie komórkowym.
Aktywność enzymów topoizomerazy, które są aktywnie zaangażowane w replikację DNA i syntezę białek, zależy od oddziaływania wiązań fosfodiestrowych na końcu 5 'DNA z łańcuchem bocznym reszt tyrozynowych w miejscu aktywnym tych enzymy
Cząsteczki, które uczestniczą jako drugie przekaźniki, takie jak cykliczny monofosforan adenozyny (cAMP) lub cykliczny trifosforan guanozyny (cGTP), mają wiązania fosfodiestrowe, które są hydrolizowane przez specyficzne enzymy znane jako fosfodiesterazy, których udział ma duże znaczenie dla wielu procesów sygnalizacji komórkowa
Glicerofosfolipidy, podstawowe składniki błon biologicznych, składają się z cząsteczki glicerolu połączonej wiązaniami fosfodiestrowymi z polarnymi grupami „głowy”, które tworzą hydrofilowy region cząsteczki.
