Почему дезоксирибоза для ДНК и рибоза для РНК?

Хороший вопрос, который ведет к основам ДНК и РНК.

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) является основой жизни на Земле, каждый известный живой организм использует ДНК в качестве своей генетической основы. ДНК настолько ценна и жизненно важна для эукариот , что ее хранят упакованной в клеточном ядре, ее копируют, но никогда не удаляют, потому что она никогда не покидает безопасного ядра. ДНК направляет всю клеточную активность, делегируя ее РНК. РНК (рибонуклеиновая кислота) играют различные биологические роли в кодировании, декодировании, регуляции и экспрессии генов. РНК переносит сообщения из ядра клетки в цитоплазму.

Структура нуклеотидов РНК очень похожа на структуру нуклеотидов ДНК, с основным отличием в том, что остов рибозного сахара в РНК имеет гидроксильную группу (-ОН), которой нет в ДНК. Отсюда и название ДНК: ДНК означает дезоксирибонуклеиновую кислоту. Еще одно незначительное отличие состоит в том, что в ДНК вместо урацила (U) используется основание тимин (Т). Несмотря на большое структурное сходство, ДНК и РНК играют очень разные роли в современных клетках.

http://exploringorigins.org/rna.html

РНК имеет три основные характеристики, которые отличают ее от ДНК.

• РНК очень нестабильна и быстро разлагается.
• РНК содержит урацил вместо тимина
• РНК почти всегда одноцепочечная.

ДНК и РНК используют сахар рибозу в качестве основного элемента своей химической структуры, сахар рибозы, используемый в ДНК, представляет собой дезоксирибозу, тогда как РНК использует немодифицированный сахар рибозы.

Рибоза и дезоксирибоза

Из рисунка выше видно, что принципиальная разница между двумя молекулами заключается в наличии ОН в рибозе (2'-хвост) и отсутствии в дезоксирибозе. Существует разница в одном атоме кислорода, поскольку название расшифровывается как дезоксирибоза. И рибоза, и дезоксирибоза имеют атом кислорода (O) и атом водорода (H) (группу OH) в своих 3'-сайтах. Группы ОН очень реакционноспособны по своей природе, поэтому 3'-конец ОН необходим для образования фосфодиэфирных связей между нуклеотидами как в атомах рибозы, так и в атомах дезоксирибозы.

Отвечать

ДНК является такой важной молекулой, поэтому ее необходимо защищать от разложения и дальнейших реакций. Отсутствие одного кислорода является ключом к продлению жизни ДНК. Когда 2'-кислород отсутствует в дезоксирибозе, молекула сахара с меньшей вероятностью вовлекается в химические реакции (известна агрессивная природа кислорода в химических реакциях). Таким образом, удаляя кислород из молекулы дезоксирибозы, ДНК избегает разрушения . С точки зрения РНК кислород полезен, в отличие от ДНК, РНК является краткосрочным инструментом, используемым клеткой для отправки сообщений и производства белков как части экспрессии генов. Проще говоря, мРНК (информационная РНК) отвечает за включение и выключение генов, когда ген, который необходимо включить, создается мРНК, а чтобы оставить его в выключенном состоянии, мРНК удаляется. Такгруппа ОН в 2' используется для быстрого разложения РНК, тем самым переводя затронутые гены в состояние ВЫКЛ.

Наконец, сахар рибоза помещается в РНК для легкого ее разложения, а ДНК использует сахар дезоксирибозу для долголетия.

использованная литература

Плоть и кости метаболизма - Марек Х. Доминикак

Генетика для чайников - Тара Родден Робинсон

Дополнение к ответу Джврека на основе комментариев. Большинство механизмов деградации РНК, катализируемых различными РНКазами (например, РНКазой-А и РНКазой-S), включают 2'-ОН. Следовательно, репертуар РНКаз селективен в отношении РНК, а не ДНК из-за 2'-ОН.

Почему ДНК для генетического материала?

Я думаю, что правильный и достаточный ответ на это тот, который так часто повторяется, что трудно найти первоисточник. Например, Г. Ф. Джойс написал в обзорной статье Nature 2002 года :

Основным преимуществом ДНК перед РНК как генетического материала является большая химическая стабильность ДНК, позволяющая создавать гораздо более крупные геномы на основе ДНК.

Для расширения РНК не подходит для больших геномов, потому что 2'-ОН рибозы (очевидно, отсутствует в 2'-дексойрибозе ДНК) делает фосфодиэфирную связь восприимчивой к щелочному гидролизу (см. иллюстрацию, адаптированную из статьи Википедии ).

Это будет происходить медленно при рН 7,6, но с рассчитанной скоростью , достаточной для деградации РНК из 1000 нуклеотидов примерно за 70 дней. Это объясняет, почему все РНК-содержащие вирусы имеют небольшие геномы (и почему некоторые из них, например вирус гриппа, сегментированы).

Зачем РНК для других информационных функций?

Здесь есть множество специальных аргументов, но ни один из них не является столь убедительным, как приведенный выше аргумент в пользу ДНК. Отчасти это связано с тем, что существует множество функций, которые выполняет РНК — для каждой из них можно привести разные аргументы. Прежде чем сделать вывод, который, я думаю, не был сделан выше, я бы сказал, что РНК, скорее всего, предшествовала ДНК (независимо от того, верит ли кто-то, что она предшествовала белку) и что у организмов должно было быть селективное преимущество, чтобы переключиться с РНК к ДНК. Это видно для генома, но не для других функций.

Этот аргумент также применим к катализу, но немного по-другому. Если РНК-ферменты (рибозимы) предшествовали белковым ферментам, то большинство рибозимов было выброшено, потому что белковые ферменты более эффективны и организмы, их выработавшие, имели преимущество. Те, что остались, настолько тесно связаны с РНК, что их замена белками была бы затруднена. Таким образом, ответы на этот вопрос о том, что ДНК не может заменить каталитическую РНК, хотя и верны, мне кажутся периферийными по отношению к общему вопросу о функции РНК.

Центральная функция РНК, несомненно, заключается в синтезе белков — мРНК, рРНК, тРНК. Одна вещь, которая, возможно, их объединяет, — это трехмерная структура, которая отличается от вытянутой двойной спирали. (Да, мРНК тоже имеет третичную структуру.) РНК легче поддается таким структурам, потому что химическая разница между рибозой и дезоксирибозой приводит к тому, что спиральная структура (А-спираль) отличается от ДНК (В-спираль). Цитируя Форера и др. :

Присутствие рибозной 2'-гидроксильной группы в РНК порождает предпочтение С3'- эндо - сморщивания, тем самым обеспечивая решающий фактор различий в конформации, гидратации и термодинамической стабильности между каноническими спиралями РНК и ДНК.

(Изображение от Нила Хенриксена , показывающее C3'- и C2'- эндоскладки рибозы . C2'- эндоскладки обнаружены в дезоксирибозе в спирали B-ДНК.)

А-спираль РНК включает менее жесткое спаривание оснований, чем В-спираль ДНК (отсюда большая частота ошибок при репликации геномов РНК-вирусов), что также отражается в не-WC спаривании оснований в рРНК и тРНК. (Следует также упомянуть присутствие U в РНК, а не T в ДНК — пары оснований GU часто встречаются в рРНК.)