พันธบัตร phosphodiesterมีพันธะโควาเลนต์ที่เกิดขึ้นระหว่างสองอะตอมออกซิเจนของกลุ่มฟอสเฟตและกลุ่มไฮดรอกสองโมเลกุลที่แตกต่างกัน ในพันธะประเภทนี้กลุ่มฟอสเฟตทำหน้าที่เป็น "สะพาน" ที่มั่นคงระหว่างโมเลกุลทั้งสองผ่านอะตอมของออกซิเจน
บทบาทพื้นฐานของพันธะฟอสโฟดิสเตอร์ในธรรมชาติคือการก่อตัวของโซ่กรดนิวคลีอิกทั้ง DNA และ RNA ร่วมกับน้ำตาลเพนโทส (ดีออกซีไรโบสหรือไรโบสแล้วแต่กรณี) หมู่ฟอสเฟตเป็นส่วนหนึ่งของโครงสร้างรองรับของสารชีวโมเลกุลที่สำคัญเหล่านี้
Phosphodiester bond ในโครงกระดูก DNA (ที่มา: File: Phosphodiester bond.png, File: PhosphodiesterBondDiagram.png: User: G3pro (talk) User: G3pro at en.wikipedia.org Derivative work: User: Merops (talk) Derivative work: User : Deneapol (talk) งานดัดแปลง: User: KES47 (talk) Text tweaks: Incnis Mrsi (talk) Text tweaks: DMacks (talk)) Derivative work: User: Miguelferig (talk) with ionization, via Wikimedia Commons)
สายโซ่นิวคลีโอไทด์ของ DNA หรือ RNA เช่นโปรตีนสามารถถือว่ารูปแบบสามมิติที่แตกต่างกันซึ่งเสถียรโดยพันธะที่ไม่ใช่โควาเลนต์เช่นพันธะไฮโดรเจนระหว่างเบสเสริม
อย่างไรก็ตามโครงสร้างหลักกำหนดโดยลำดับเชิงเส้นของนิวคลีโอไทด์โควาเลนต์ที่เชื่อมโยงผ่านพันธะฟอสโฟดิสเตอร์
พันธะฟอสโฟดิสเตอร์เกิดขึ้นได้อย่างไร?
เช่นเดียวกับพันธะเปปไทด์ในโปรตีนและพันธะไกลโคซิดิกระหว่างมอโนแซ็กคาไรด์พันธะฟอสโฟดิสเตอร์เป็นผลมาจากปฏิกิริยาการคายน้ำซึ่งโมเลกุลของน้ำจะสูญเสียไป นี่คือรูปแบบทั่วไปของหนึ่งในปฏิกิริยาการคายน้ำเหล่านี้:
HX 1 -OH + HX 2 -OH → HX 1 -X 2 -OH + H 2 O
ฟอสเฟตไอออนสอดคล้องกับคอนจูเกตเบสที่ถูกถอดออกอย่างสมบูรณ์ของกรดฟอสฟอริกและเรียกว่าฟอสเฟตอนินทรีย์ซึ่งตัวย่อแสดงว่า Pi เมื่อเชื่อมโยงกลุ่มฟอสเฟตสองกลุ่มเข้าด้วยกันจะได้รูปแบบพันธะรัสฟอสเฟตและโมเลกุลที่เรียกว่าอนินทรีย์ไพโรฟอสเฟตหรือ PPi
เมื่อฟอสเฟตไอออนติดอยู่กับอะตอมของคาร์บอนในโมเลกุลอินทรีย์พันธะเคมีเรียกว่าฟอสเฟตเอสเทอร์และสิ่งมีชีวิตที่ได้คือโมโนฟอสเฟตอินทรีย์ ถ้าโมเลกุลอินทรีย์จับกับหมู่ฟอสเฟตมากกว่าหนึ่งกลุ่มไดฟอสเฟตอินทรีย์หรือไตรฟอสเฟตจะเกิดขึ้น
เมื่อโมเลกุลอนินทรีย์ฟอสเฟตเดี่ยวถูกยึดติดกับกลุ่มอินทรีย์สองกลุ่มจะใช้พันธะฟอสโฟดิสเตอร์หรือ "ฟอสเฟตดีสเตอร์" สิ่งสำคัญคือต้องไม่สับสนระหว่างพันธะฟอสโฟดิสเตอร์กับพันธะฟอสโฟอันไฮโดรพลังงานสูงระหว่างกลุ่มฟอสเฟตของโมเลกุลเช่น ATP
ความแตกต่างระหว่างฟอสเฟตและฟอสโฟรีล (ที่มา: Strater, ผ่าน Wikimedia Commons)
การเชื่อมโยงของฟอสโฟดิสเตอร์ระหว่างนิวคลีโอไทด์ที่อยู่ติดกันประกอบด้วยการเชื่อมโยงของฟอสโฟเอสเตอร์สองตัวที่เกิดขึ้นระหว่างไฮดรอกซิลที่ตำแหน่ง 5 'ของนิวคลีโอไทด์หนึ่งกับไฮดรอกซิลที่ตำแหน่ง 3' ของนิวคลีโอไทด์ถัดไปในสาย DNA หรือ RNA
พันธะเหล่านี้สามารถไฮโดรไลซ์ได้ทั้งแบบเอนไซม์และแบบไม่ใช้เอนไซม์ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับเงื่อนไขของสิ่งแวดล้อม
เอนไซม์ที่เกี่ยวข้อง
การก่อตัวและการแตกพันธะเคมีมีความสำคัญต่อกระบวนการที่สำคัญทั้งหมดอย่างที่เรารู้จักและในกรณีของพันธะฟอสโฟดิสเตอร์ก็ไม่มีข้อยกเว้น
ในบรรดาเอนไซม์ที่สำคัญที่สุดที่สามารถสร้างพันธะเหล่านี้ ได้แก่ DNA หรือ RNA polymerases และ ribozymes เอนไซม์ฟอสโฟดิเอสเทอเรสมีความสามารถในการย่อยสลายด้วยเอนไซม์
ในระหว่างการจำลองแบบกระบวนการที่สำคัญสำหรับการเพิ่มจำนวนเซลล์ในแต่ละรอบปฏิกิริยา dNTP (deoxynucleotide triphosphate) ที่เสริมกับฐานแม่แบบจะรวมอยู่ในดีเอ็นเอผ่านปฏิกิริยาการถ่ายโอนนิวคลีโอไทด์
โพลีเมอเรสมีหน้าที่สร้างพันธะใหม่ระหว่าง 3'-OH ของเกลียวแม่แบบกับα-phosphate ของ dNTP ด้วยพลังงานที่ปล่อยออกมาจากการทำลายพันธะระหว่างαและβฟอสเฟตของ dNTP ซึ่งเชื่อมโยงกัน โดยพันธะฟอสโฟอันไฮโดร
ผลที่ได้คือการขยายโซ่ด้วยนิวคลีโอไทด์หนึ่งตัวและการปลดปล่อยโมเลกุลของไพโรฟอสเฟต (PPi) s ได้รับการพิจารณาแล้วว่าปฏิกิริยาเหล่านี้ใช้ไอออนแมกนีเซียมดิวาเลนต์ 2 ตัว (Mg 2+ ) ซึ่งการมีอยู่ช่วยให้การคงตัวของนิวคลีโอไฟล์ OH แบบคงที่ด้วยไฟฟ้าสถิต-เพื่อให้ได้แนวทางไปสู่บริเวณที่ทำงานของเอนไซม์
pK aของพันธะฟอสโฟดิสเตอร์ใกล้เคียงกับ 0 ดังนั้นในสารละลายที่เป็นน้ำพันธะเหล่านี้จะแตกตัวเป็นไอออนโดยมีประจุลบ
สิ่งนี้ทำให้โมเลกุลของกรดนิวคลีอิกมีประจุลบซึ่งถูกทำให้เป็นกลางเนื่องจากปฏิกิริยาไอออนิกกับประจุบวกของสารตกค้างของกรดอะมิโนโปรตีนพันธะไฟฟ้าสถิตกับไอออนของโลหะหรือการเชื่อมโยงกับโพลีเอมีน
ในสารละลายที่เป็นน้ำพันธะของฟอสโฟดีสเตอร์ในโมเลกุลของดีเอ็นเอมีความเสถียรมากกว่าโมเลกุลอาร์เอ็นเอมาก ในสารละลายอัลคาไลน์พันธะเหล่านี้ในโมเลกุลอาร์เอ็นเอจะถูกแยกออกโดยการกระจัดภายในโมเลกุลของนิวคลีโอไซด์ที่ปลาย 5 'โดย oxyanion 2'
ฟังก์ชันและตัวอย่าง
ดังที่กล่าวไว้บทบาทที่เกี่ยวข้องมากที่สุดของพันธะเหล่านี้คือการมีส่วนร่วมในการก่อตัวของกระดูกสันหลังของโมเลกุลของกรดนิวคลีอิกซึ่งเป็นโมเลกุลที่สำคัญที่สุดแห่งหนึ่งในโลกของเซลล์
กิจกรรมของเอนไซม์โทโปไอโซเมอเรสซึ่งมีส่วนร่วมอย่างแข็งขันในการจำลองแบบดีเอ็นเอและการสังเคราะห์โปรตีนขึ้นอยู่กับปฏิสัมพันธ์ของพันธะฟอสโฟดิสเตอร์ที่ปลายสาย 5 'ของดีเอ็นเอกับโซ่ด้านข้างของไทโรซีนที่ตกค้างในบริเวณที่ทำงานของสิ่งเหล่านี้ เอนไซม์
โมเลกุลที่เข้าร่วมเป็นสารตัวที่สองเช่นไซคลิกอะดีโนซีนโมโนฟอสเฟต (cAMP) หรือไซคลิกกัวโนซีนไตรฟอสเฟต (cGTP) มีพันธะฟอสโฟดิสเตอร์ที่ไฮโดรไลซ์โดยเอนไซม์เฉพาะที่เรียกว่าฟอสโฟดิเอสเทอเรสซึ่งการมีส่วนร่วมมีความสำคัญสูงสุดสำหรับกระบวนการส่งสัญญาณจำนวนมาก โทรศัพท์มือถือ
Glycerophospholipids ซึ่งเป็นส่วนประกอบพื้นฐานในเยื่อชีวภาพประกอบด้วยโมเลกุลของกลีเซอรอลที่ยึดติดผ่านพันธะฟอสโฟดิสเตอร์กับกลุ่ม "ส่วนหัว" ที่มีขั้วซึ่งเป็นส่วนที่ไม่ชอบน้ำของโมเลกุล
อ้างอิง
- Fothergill, M. , Goodman, MF, Petruska, J. , & Warshel, A. (1995) การวิเคราะห์โครงสร้าง - พลังงานของบทบาทของไอออนโลหะในการไฮโดรไลซิสของฟอสโฟดิสเตอร์บอนด์โดย DNA Polymerase I Journal of American Chemical Society, 117 (47), 11619-11627
- Lodish, H. , Berk, A. , Kaiser, CA, Krieger, M. , Bretscher, A. , Ploegh, H. , Martin, K. (2003) ชีววิทยาระดับโมเลกุล (ฉบับที่ 5). ฟรีแมน WH & Company
- Nakamura, T. , Zhao, Y. , Yamagata, Y. , Hua, YJ, & Yang, W. (2012). ดู DNA polymerase ηสร้างพันธะ phosphodiester ธรรมชาติ, 487 (7406), 196-201.
- Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Lehninger หลักการทางชีวเคมี Omega Editions (ฉบับที่ 5)
- Oivanen, M. , Kuusela, S. , & Lönnberg, H. (1998) จลนศาสตร์และกลไกสำหรับความแตกแยกและการสร้างไอโซเมอไรเซชันของพันธะฟอสโฟดีสเตอร์ของ RNA โดยกรดและเบสของหลอดลม บทวิจารณ์ทางเคมี, 98 (3), 961-990.
- Pradeepkumar, PI, Höbartner, C. , Baum, D. , & Silverman, S. (2008). DNA-Catalyzed Formation ของ Nucleopeptide Linkages Angewandte Chemie International Edition, 47 (9), 1753–1757
- โซเดอร์เบิร์ก, T. (2010). เคมีอินทรีย์ที่เน้นทางชีววิทยาเล่มที่ 2 (ฉบับที่ II) มินนิโซตา: University of Minnesota Morris Digital Well สืบค้นจาก www.digitalcommons.morris.umn.edu