De legături fosfodiesterice sunt legături covalente care au loc între doi dintre atomii de oxigen ai unei grupări fosfat și grupări hidroxil a două molecule diferite. În acest tip de legătură, grupul fosfați acționează ca o "punte" de legătură stabilă între cele două molecule prin atomii lor de oxigen.
Rolul fundamental al legăturilor de fosfodiester în natură este acela al formării de lanțuri de acid nucleic, atât ADN cât și ARN. Împreună cu zaharurile pentoase (dezoxiriboză sau riboză, după caz), grupele fosfat fac parte din structura de susținere a acestor biomolecule importante.
Legătură fosfodiesteră în scheletul ADN (Sursa: Fișier: Phosphodiester bond.png, Fișier: PhosphodiesterBondDiagram.png: Utilizator: G3pro (discuție) Utilizator: G3pro la en.wikipedia.org Lucrări derivate: Utilizator: Merops (discuție) Lucru derivat: Utilizator : Deneapol (discuție) Lucrări derivate: Utilizator: KES47 (discuție) Modificări de text: Incnis Mrsi (discuție) Reduceri de text: DMacks (discuție)
Lanțurile de nucleotide ale ADN-ului sau ARN-ului, precum proteinele, pot presupune diferite conformații tridimensionale care sunt stabilizate de legături ne-covalente, cum ar fi legăturile de hidrogen între baze complementare.
Cu toate acestea, structura primară este dată de secvența liniară de nucleotide legate covalent prin legături de fosfodiester.
Cum se formează o legătură fosfodiester?
La fel ca legăturile peptidice din proteine și legăturile glicozidice dintre monosacharide, legăturile fosfodiesterului rezultă din reacții de deshidratare în care se pierde o moleculă de apă. Iată schema generală a uneia dintre aceste reacții de deshidratare:
HX 1 -OH + HX 2 -OH → HX 1 X 2 OH + H 2 O
Ionii fosfat corespund bazei conjugate complet deprotonate ale acidului fosforic și sunt numite fosfați anorganici, a căror abreviere este notată ca Pi. Când două grupe fosfat sunt legate între ele, se formează o legătură fosfat anhidră și se obține o moleculă cunoscută sub numele de pirofosfat anorganic sau PPi.
Când un ion fosfat este atașat de un atom de carbon într-o moleculă organică, legătura chimică se numește ester fosfat, iar specia rezultată este un monofosfat organic. Dacă molecula organică se leagă de mai mult de o grupă de fosfați, se formează difosfați organici sau trifosfați.
Atunci când o singură moleculă anorganică de fosfat este atașată la două grupări organice, se folosește o legătură fosfodiester sau „diester fosfat”. Este important să nu confundați legăturile fosfodiester cu legăturile fosfoanhidro de mare energie între grupările fosfat de molecule, cum ar fi ATP, de exemplu.
Diferențele dintre fosfați și fosforili (Sursa: Strater, prin Wikimedia Commons)
Legăturile fosfodiester între nucleotidele adiacente constau din două legături de fosfoester care apar între hidroxil în poziția 5 'a unui nucleotid și hidroxil în poziția 3' a următoarei nucleotide într-o catena ADN sau ARN.
În funcție de condițiile mediului, aceste legături pot fi hidrolizate atât enzimatic cât și non-enzimatic.
Enzimele implicate
Formarea și ruperea legăturilor chimice este crucială pentru toate procesele vitale așa cum le cunoaștem, iar cazul legăturilor fosfodiester nu face excepție.
Printre cele mai importante enzime care pot forma aceste legături sunt ADN-ul sau ARN polimerazele și ribozimele. Enzimele fosfodiesterazei sunt capabile să le hidrolizeze enzimatic.
În timpul replicării, un proces crucial pentru proliferarea celulelor, în fiecare ciclu de reacție, un dNTP (deoxinucleotid trifosfat) complementar bazei șablonului este încorporat în ADN printr-o reacție de transfer de nucleotide.
Polimeraza este responsabilă de formarea unei noi legături între 3'-OH a cablului șablon și α-fosfat a dNTP, datorită energiei eliberate de la ruperea legăturilor dintre fosfații α și β din dNTP, care sunt legate prin legături fosfoanhidro.
Rezultatul este extinderea lanțului printr-un nucleotid și eliberarea unei molecule de pirofosfat (PPi) s. S-a stabilit că aceste reacții merită doi ioni de magneziu divalenți (Mg 2+ ), a căror prezență permite stabilizarea electrostatică a OH nucleofil - pentru a realiza abordarea către locul activ al enzimei.
PK a a unei legături fosfodiester este aproape de 0, deci într-o soluție apoasă aceste legături sunt complet ionizate, încărcate negativ.
Acest lucru oferă moleculelor de acid nucleic o încărcare negativă, care este neutralizată datorită interacțiunilor ionice cu sarcinile pozitive ale reziduurilor de aminoacizi proteici, legăturilor electrostatice cu ioni metalici sau asocierii cu poliamine.
Într-o soluție apoasă, legăturile de fosfodiester din moleculele de ADN sunt mult mai stabile decât în moleculele de ARN. Într-o soluție alcalină, aceste legături în moleculele de ARN sunt scindate prin deplasarea intramoleculară a nucleozidului la capătul 5 'de un 2' oxianion.
Funcție și exemple
După cum am menționat, cel mai relevant rol al acestor legături este participarea lor la formarea coloanei vertebrale a moleculelor de acid nucleic, care sunt una dintre cele mai importante molecule din lumea celulară.
Activitatea enzimelor de topoizomerază, care participă activ la replicarea ADN-ului și sinteza proteinelor, depinde de interacțiunea legăturilor fosfodiester la capătul 5 'ADN cu lanțul lateral al reziduurilor de tirozină în locul activ al acestora enzime.
Moleculele care participă ca alți mesageri, cum ar fi adenozina monofosfat ciclic (cAMP) sau guanozina trifosfat ciclic (cGTP), posedă legături fosfodiester care sunt hidrolizate de enzime specifice cunoscute sub numele de fosfodiesteraze, a căror participare este de cea mai mare importanță pentru multe procese de semnalizare. celular.
Glicerofosfolipidele, componente fundamentale ale membranelor biologice, sunt compuse dintr-o moleculă de glicerol care este atașată prin legături de fosfodiester la grupele polare „cap” care constituie regiunea hidrofilă a moleculei.
Referințe
- Fothergill, M., Goodman, MF, Petruska, J., & Warshel, A. (1995). Analiza structurii-energie a rolului ionilor metalici în hidroliza legăturii fosfodiesterului prin ADN-polimerază I. Jurnalul Societății Chimice Americane, 117 (47), 11619-11627.
- Lodish, H., Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Martin, K. (2003). Biologie moleculară celulară (ediția a 5-a). Freeman, WH & Company.
- Nakamura, T., Zhao, Y., Yamagata, Y., Hua, YJ, și Yang, W. (2012). Urmărirea ADN-polimerazei η face o legătură fosfodiester. Nature, 487 (7406), 196-201.
- Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Principiile biochimiei Lehninger. Ediții Omega (ediția a 5-a)
- Oivanen, M., Kuusela, S., & Lönnberg, H. (1998). Cinetica și mecanismele de clivaj și izomerizare a legăturilor fosfodiesterului ARN de acizi și baze bronzate. Recenzii chimice, 98 (3), 961-990.
- Pradeepkumar, PI, Höbartner, C., Baum, D., & Silverman, S. (2008). Formarea catalizată de ADN-ul legăturilor nucleopeptidice. Ediția internațională Angewandte Chemie, 47 (9), 1753–1757.
- Soderberg, T. (2010). Chimie organică cu accent biologic Volumul II (Vol. II). Minnesota: Sonda digitală Morris a Universității din Minnesota. Preluat de pe www.digitalcommons.morris.umn.edu