קשר פוספודיאסטרי הם קשרים קוולנטיים המתרחשות בין שני אטומי חמצן של קבוצת פוספט וכן קבוצות הידרוקסיל של שתי מולקולות שונות. בסוג זה של קשר, קבוצת הפוספט פועלת כ"גשר "מקשר יציב בין שתי המולקולות דרך אטומי החמצן שלהם.
תפקידם הבסיסי של קשרי פוספודיאסטר בטבע הוא היווצרות שרשראות חומצות גרעין, הן DNA והן RNA. יחד עם סוכרי הפנטוזה (deoxyribose או ribose, לפי העניין), קבוצות הפוספט הן חלק מהמבנה התומך של ביו-מולקולות חשובות אלה.
קשר פוספודיאסטר בשלד ה- DNA (מקור: קובץ: Phosphodiester bond.png, קובץ: PhosphodiesterBondDiagram.png: משתמש: G3pro (שיחה) משתמש: G3pro ב- en.wikipedia.org עבודה נגזרת: משתמש: Merops (שיחה) עבודה נגזרת: משתמש : Deneapol (שיחה) עבודה נגזרת: משתמש: KES47 (שיחה) טקסט לצבוטים: Incnis Mrsi (שיחה) טקסט לצבוטים: DMacks (שיחה)) נגזרת: משתמש: Miguelferig (שיחה) עם יינון, באמצעות Wikimedia Commons)
שרשראות הנוקלאוטידים של DNA או RNA, כמו חלבונים, יכולים לנקוט קונפורמציות תלת ממדיות שונות המייצבות על ידי קשרים לא קוולנטיים, כמו קשרי מימן בין בסיסים משלימים.
עם זאת, המבנה הראשוני ניתן על ידי הרצף הליניארי של נוקליאוטידים המקושרים בצורה קוולנטית באמצעות קשרי פוספודיאסטר.
כיצד נוצר קשר פוספודיאסטר?
כמו קשרי פפטיד בחלבונים וקשרים גליקוזידיים בין מונוסכרידים, קשרי פוספודיאסטר נובעים מתגובות התייבשות בהן אבדת מולקולת מים. להלן התוכנית הכללית של אחת מתגובות ההתייבשות הללו:
HX 1 -OH + HX 2 -OH → HX 1 -X 2 -OH + H 2 O
יוני הפוספט תואמים את הבסיס המצומד המוגזם לחלוטין של חומצה זרחתית ונקראים פוספטים אורגניים, שקיצורם נקרא Pi. כאשר שתי קבוצות פוספט קשורות זו לזו, נוצר קשר פוספט נטול מים, ומתקבלת מולקולה הידועה בשם פירופוספט או אורגני.
כאשר יון פוספט מחובר לאטום פחמן במולקולה אורגנית, הקשר הכימי נקרא אסתר פוספט, והמין המתקבל הוא מונופוספט אורגני. אם המולקולה האורגנית נקשרת ליותר מקבוצת פוספט אחת, נוצרים דיפוספטים או טריפוספטים אורגניים.
כאשר מולקולת פוספט אורגנית יחידה מחוברת לשתי קבוצות אורגניות, נעשה שימוש בזרחן פוספודיאסטר או "פוספט דיסטר". חשוב לא לבלבל בין קשרי פוספודיאסטר לבין קשרי פוספואנהידרו אנרגיה גבוהה בין קבוצות הפוספט של מולקולות כמו ATP, למשל.
ההבדלים בין פוספטים לזרחן (מקור: סטרטר, באמצעות ויקימדיה Commons)
זיקות פוספודיאסטר בין נוקליאוטידים סמוכים מורכבות משני קשרים פוספואסטר המתרחשים בין ההידרוקסיל במיקום 5 'של נוקליאוטיד אחד וההידרוקסיל במיקום 3' של הנוקלאוטיד הבא בגדול DNA או RNA.
בהתאם לתנאי הסביבה ניתן לקיים הידרוליזציה של קשרים אלה הן באנזימטיות והן בלא אנזימטיות.
אנזימים מעורבים
היווצרותם ושבירתם של קשרים כימיים הם מכריעים לכל התהליכים החיוניים כפי שאנו מכירים אותם, ומקרה של קשרי פוספודיאסטר אינו יוצא מן הכלל.
בין האנזימים החשובים ביותר שיכולים ליצור קשרים אלה הם פולימראזות DNA או RNA וריבוזימים. אנזימי פוספודיאסטרז מסוגלים לבצע הידרוליזה אנזימטית של אותם.
במהלך שכפול, תהליך מכריע להפצת תאים, בכל מחזור תגובה, משולב ב- DNA באמצעות תגובה להעברת נוקלאוטידים, DNA המשלים לבסיס התבנית.
הפולימראז אחראי ליצירת קשר חדש בין 3'-OH של גדיל התבנית לבין α-phosphate של dNTP, בזכות האנרגיה המשתחררת משבירת הקשרים בין הפוספטים α ו- ß של ה- dNTP, המקושרים על ידי קשרי פוספואנהידרו.
התוצאה היא הארכת השרשרת על ידי נוקליאוטיד אחד ושחרור מולקולה של פירופוספט (PPi). נקבע כי תגובות אלה מזכות בשני יוני מגנזיום דו-ערכיים (Mg 2+ ), אשר נוכחותם מאפשרת ייצוב אלקטרוסטטי של נוקלאופיל OH - להשיג את הגישה לאתר הפעיל של האנזים.
ה- PK a של קשר פוספודיאסטר קרוב ל 0, כך שבתמיסה מימית קשרים אלה מיוננים לחלוטין, טעונים שלילית.
זה נותן למולקולות חומצות גרעין מטען שלילי, המנוטרל הודות לאינטראקציות יוניות עם המטענים החיוביים של שאריות חומצות אמיניות חלבוניות, קשרים אלקטרוסטטיים עם יוני מתכת, או קשר עם פולימינים.
בתמיסה מימית קשרי הפוספודיאסטר במולקולות DNA יציבים בהרבה מאשר במולקולות RNA. בתמיסה אלקליין, קשרים אלו במולקולות RNA נסתרים על ידי תזוזה אינטרמולקולרית של הנוקלאוזיד בסוף 5 'על ידי אוקיאניון 2'.
פונקציה ודוגמאות
כאמור, התפקיד הרלוונטי ביותר של קשרים אלה הוא השתתפותם ביצירת עמוד השדרה של מולקולות חומצות גרעין, שהן אחת המולקולות החשובות ביותר בעולם התא.
פעילותם של אנזימי טופואיזומראז, המשתתפים באופן פעיל בשכפול DNA וסינתזת חלבון, תלויה באינטראקציה של קשרי הפוספודיאסטר בקצה ה- 5 של ה- DNA עם השרשרת הצדדית של שאריות טירוזין באתר הפעיל של אלה אנזימים.
מולקולות שמשתתפות כמסרים שניים, כמו אדנוזין מונופוספט מחזורית (cAMP) או גואנוזין טריפוספט מחזורית (cGTP), מחזיקות בקשרי פוספודיאסטר המופרכים על ידי אנזימים ספציפיים הידועים בשם פוספודיאסטרז, שהשתתפותם חשובה ביותר בתהליכי איתות רבים תָאִי.
גליצרופוספוליפידים, רכיבים בסיסיים בממברנות ביולוגיות, מורכבים ממולקולת גליצרול המחוברת דרך קשרי פוספודיאסטר לקבוצות "הראש" הקוטביות המהוות את האזור ההידרופילי של המולקולה.
הפניות
- Fothergill, M., Goodman, MF, Petruska, J., and Warshel, A. (1995). ניתוח מבנה-אנרגיה של תפקידם של יונים מתכתיים בהידרולית בונד פוספודיאסטר על ידי DNA Polymerase I. כתב העת של החברה הכימית האמריקאית, 117 (47), 11619-11627.
- Lodish, H., Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Martin, K. (2003). ביולוגיה מולקולרית של התא (מהדורה חמישית). פרימן, WH & Company.
- נקאמורה, ט., ג'או, י., יאמגאטה, י., הואה, י.ג., ויאנג, וו. (2012). צפייה בפולימראז DNA (DNA) מכילה קשר פוספודיאסטר. טבע, 487 (7406), 196-201.
- נלסון, DL ו- Cox, MM (2009). עקרונות לינגינגר של ביוכימיה. מהדורות אומגה (מהדורה חמישית)
- Oivanen, M., Kuusela, S., and Lönnberg, H. (1998). קינטיקה ומנגנונים למחשוף ולאיסומרזציה של קשרי הפוספודיאסטר של RNA על ידי חומצות ברונסטד ובסיסים. ביקורות כימיות, 98 (3), 961-990.
- Pradeepkumar, PI, Höbartner, C., Baum, D., and Silverman, S. (2008). היווצרות DNA-קטליזציה של קישוריות נוקלאופפטיד. המהדורה הבינלאומית של אנג'וונדה Chemie, 47 (9), 1753–1757.
- סודרברג, ט (2010). כימיה אורגנית עם דגש ביולוגי כרך ב '(כרך ב'). מינסוטה: אוניברסיטת מינסוטה מוריס דיגיטלי ובכן. נשלח מ- www.digitalcommons.morris.umn.edu