У фосфодіефірні зв'язку є ковалентними зв'язками , які виникають між двома атомами кисню фосфатної групи і гідроксильних груп з двох різних молекул. У цьому типі зв’язку фосфатна група діє як стійкий зв'язуючий «міст» між двома молекулами через їх атоми кисню.
Фундаментальна роль фосфодіефірних зв’язків у природі полягає у формуванні ланцюгів нуклеїнових кислот як ДНК, так і РНК. Разом з цунтами пентози (дезоксирибоза або рибоза, залежно від випадку) фосфатні групи є частиною підтримуючої структури цих важливих біомолекул.
Фосфодіестерний зв’язок у скелеті ДНК (Джерело: Файл: Phosphodiester bond.png, Файл: PhosphodiesterBondDiagram.png: Користувач: G3pro (розмова) Користувач: G3pro на en.wikipedia.org Похідна робота: Користувач: Меропс (розмова) Похідна робота: Користувач : Deneapol (бесіда) Похідна робота: Користувач: KES47 (бесіда) Текстові налаштування: Incnis Mrsi (бесіда) Текстові налаштування: DMacks (розмова)
Нуклеотидні ланцюги ДНК або РНК, як і білки, можуть приймати різні тривимірні конформації, які стабілізуються нековалентними зв'язками, такими як водневі зв’язки між комплементарними основами.
Однак первинна структура надається лінійною послідовністю нуклеотидів, ковалентно пов'язаних через фосфодіефірні зв’язки.
Як утворюється фосфодіефірний зв’язок?
Як і пептидні зв'язки в білках, і глікозидні зв’язки між моносахаридами, фосфодіефірні зв’язки є результатом реакцій дегідратації, в яких втрачається молекула води. Ось загальна схема однієї з таких реакцій зневоднення:
HX 1 -OH + HX 2 -OH → HX 1 -X 2 -OH + H 2 O
Іони фосфатів відповідають повністю депротонованій кон'югованій основі фосфорної кислоти і називаються неорганічними фосфатами, абревіатура яких позначається як Pi. Коли дві фосфатні групи пов'язані між собою, утворюється безводний фосфатний зв’язок і отримується молекула, відома як неорганічний пірофосфат або PPi.
Коли іон фосфату приєднується до атома вуглецю в органічній молекулі, хімічний зв’язок називається фосфатним ефіром, а отриманий вид - органічним монофосфатом. Якщо органічна молекула зв’язується з більш ніж однією фосфатною групою, утворюються органічні дифосфати або трифосфати.
Коли одна молекула неорганічного фосфату приєднується до двох органічних груп, застосовується зв'язок фосфодіефіру або «фосфатний діестер». Важливо не плутати фосфодіефірні зв’язки з високоенергетичними фосфоангидро зв’язками між фосфатними групами молекул, як, наприклад, АТФ.
Відмінності між фосфатами та фосфорилами (Джерело: Strater, через Wikimedia Commons)
Фосфодіефірні зв’язки між сусідніми нуклеотидами складаються з двох фосфоефірних зв'язків, які виникають між гідроксилом у 5 'положенні одного нуклеотиду та гідроксилом у положенні 3' наступного нуклеотиду в ланцюзі ДНК або РНК.
Залежно від умов зовнішнього середовища ці зв’язки можуть гідролізуватися як ферментативно, так і неферментативно.
Ензими, що беруть участь
Формування та розрив хімічних зв’язків має вирішальне значення для всіх життєво важливих процесів, оскільки ми їх знаємо, і випадок фосфодіефірних зв’язків не є винятком.
Серед найважливіших ферментів, які можуть утворювати ці зв’язки, є ДНК або РНК-полімерази та рибозими. Ферменти фосфодіестерази здатні ферментативно гідролізувати їх.
Під час реплікації важливий процес для проліферації клітин, у кожному реакційному циклі dNTP (дезоксинуклеотид трифосфат), доповнюючи основу шаблону, включається в ДНК через реакцію передачі нуклеотидів.
Полімераза відповідає за утворення нового зв’язку між 3'-OH шаблонного ланцюга і α-фосфатом dNTP, завдяки енергії, що виділяється від розриву зв'язків між α і β фосфатами dNTP, які пов'язані між собою фосфоангидро зв’язками.
Результатом є розширення ланцюга одним нуклеотидом і вивільнення молекули пірофосфату (PPi) s. Визначено, що ці реакції заслуговують двох двовалентних іонів магнію (Mg 2+ ), наявність яких дозволяє електростатичну стабілізацію нуклеофільної ОН - досягти наближення до активного сайту ферменту.
РК з фосфодіефірних зв'язку близький до 0, так що у водному розчині ці облігації повністю іонізується, негативно заряджені.
Це дає молекулам нуклеїнової кислоти негативний заряд, який нейтралізується завдяки іонній взаємодії з позитивними зарядами залишків білкових амінокислот, електростатичному зв’язку з іонами металів або асоціації з поліамінами.
У водному розчині фосфодіефірні зв’язки в молекулах ДНК набагато стійкіші, ніж у молекулах РНК. У лужному розчині ці зв’язки в молекулах РНК розщеплюються внутрішньомолекулярним зміщенням нуклеозиду на 5 'кінці 2-оксианіоном.
Функція та приклади
Як було сказано, найважливіша роль цих зв’язків - це їх участь у формуванні основи молекул нуклеїнових кислот, які є однією з найважливіших молекул у клітинному світі.
Активність ферментів топоізомерази, які активно беруть участь у реплікації ДНК та синтезі білка, залежить від взаємодії фосфодіефірних зв'язків на 5 'кінці ДНК з бічним ланцюгом залишків тирозину в активному місці цих ферменти.
Молекули, які беруть участь у якості другого месенджера, такі як циклічний аденозинофосфат (cAMP) або циклічний гуанозинтрифосфат (cGTP), мають фосфодіефірні зв’язки, гідролізовані специфічними ферментами, відомими як фосфодіестерази, участь яких має надзвичайно важливе значення для багатьох процесів сигналізації стільниковий.
Гліцерофосфоліпіди, основні компоненти біологічних мембран, складаються з молекули гліцерину, яка приєднується за допомогою фосфодіефірних зв'язків до полярних «головних» груп, що складають гідрофільну область молекули.
Список літератури
- Fothergill, M., Goodman, MF, Petruska, J., & Warshel, A. (1995). Структурно-енергетичний аналіз ролі іонів металів у гідролізі фосфодіестерних зв’язків ДНК-полімеразою I. Журнал Американського хімічного товариства, 117 (47), 11619-11627.
- Лодіш, Х., Берк, А., Кайзер, Каліфорнія, Крігер, М., Бретчер, А., Плое, Х., Мартін, К. (2003). Молекулярна клітинна біологія (5-е видання). Фрімен, WH & Company.
- Nakamura, T., Zhao, Y., Yamagata, Y., Hua, YJ, & Yang, W. (2012). Спостерігаючи за ДНК-полімеразою η, утворюється фосфодіефірна зв'язок. Природа, 487 (7406), 196-201.
- Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Принципи біохімії Ленінгера. Омега-видання (5-е видання)
- Oivanen, M., Kuusela, S., & Lönnberg, H. (1998). Кінетика та механізми розщеплення та ізомеризації фосфодіефірних зв'язків РНК розведеними кислотами та основами. Хімічні огляди, 98 (3), 961-990.
- Pradeepkumar, PI, Höbartner, C., Baum, D., & Silverman, S. (2008). ДНК-каталізація утворення нуклеопептидних зв'язків. Angewandte Chemie International Edition, 47 (9), 1753–1757.
- Содерберг, Т. (2010). Органічна хімія з біологічним наголосом том II (т. II). Міннесота: Університет Міннесоти Морріс Цифрова криниця. Отримано з www.digitalcommons.morris.umn.edu