Die Phosphodiesterbindungen sind kovalente Bindungen, die zwischen zwei der Sauerstoffatome einer Phosphatgruppe und Hydroxylgruppen zweier verschiedener Moleküle auftreten. Bei dieser Art der Bindung wirkt die Phosphatgruppe als stabile Bindungsbrücke zwischen den beiden Molekülen über ihre Sauerstoffatome.
Die grundlegende Rolle von Phosphodiesterbindungen in der Natur ist die Bildung von Nukleinsäureketten, sowohl DNA als auch RNA. Zusammen mit den Pentosezuckern (je nach Fall Desoxyribose oder Ribose) sind die Phosphatgruppen Teil der Stützstruktur dieser wichtigen Biomoleküle.
Phosphodiesterbindung im DNA-Skelett (Quelle: Datei: Phosphodiester bond.png, Datei: PhosphodiesterBondDiagram.png: Benutzer: G3pro (Diskussion) Benutzer: G3pro bei en.wikipedia.org Ableitungsarbeit: Benutzer: Merops (Diskussion) Ableitungsarbeit: Benutzer : Deneapol (Diskussion) Ableitungsarbeit: Benutzer: KES47 (Diskussion) Textoptimierungen: Incnis Mrsi (Diskussion) Textoptimierungen: DMacks (Diskussion)) Ableitungsarbeit: Benutzer: Miguelferig (Diskussion) mit Ionisierung, über Wikimedia Commons)
Die Nukleotidketten von DNA oder RNA können wie Proteine unterschiedliche dreidimensionale Konformationen annehmen, die durch nichtkovalente Bindungen wie Wasserstoffbrücken zwischen komplementären Basen stabilisiert werden.
Die Primärstruktur ist jedoch durch die lineare Sequenz von Nukleotiden gegeben, die über Phosphodiesterbindungen kovalent verbunden sind.
Wie entsteht eine Phosphodiesterbindung?
Wie Peptidbindungen in Proteinen und glykosidische Bindungen zwischen Monosacchariden resultieren Phosphodiesterbindungen aus Dehydratisierungsreaktionen, bei denen ein Wassermolekül verloren geht. Hier ist das allgemeine Schema einer dieser Dehydratisierungsreaktionen:
HX 1 -OH + HX 2 -OH → HX 1 -X 2 -OH + H 2 O.
Phosphationen entsprechen der vollständig deprotonierten konjugierten Base der Phosphorsäure und werden als anorganische Phosphate bezeichnet, deren Abkürzung als Pi bezeichnet wird. Wenn zwei Phosphatgruppen miteinander verbunden sind, bildet sich eine wasserfreie Phosphatbindung und ein Molekül, das als anorganisches Pyrophosphat oder PPi bekannt ist, wird erhalten.
Wenn ein Phosphation in einem organischen Molekül an ein Kohlenstoffatom gebunden ist, wird die chemische Bindung als Phosphatester bezeichnet, und die resultierende Spezies ist ein organisches Monophosphat. Wenn das organische Molekül an mehr als eine Phosphatgruppe bindet, werden organische Diphosphate oder Triphosphate gebildet.
Wenn ein einzelnes anorganisches Phosphatmolekül an zwei organische Gruppen gebunden ist, wird eine Phosphodiester- oder "Phosphatdiester" -Bindung verwendet. Es ist wichtig, Phosphodiesterbindungen nicht mit hochenergetischen Phosphoanhydro-Bindungen zwischen Phosphatgruppen in Molekülen wie beispielsweise ATP zu verwechseln.
Unterschiede zwischen Phosphaten und Phosphorylen (Quelle: Strater, via Wikimedia Commons)
Phosphodiesterbindungen zwischen benachbarten Nukleotiden bestehen aus zwei Phosphoesterbindungen, die zwischen der Hydroxylgruppe an der 5'-Position eines Nukleotids und der Hydroxylgruppe an der 3'-Position des nächsten Nukleotids in einem DNA- oder RNA-Strang auftreten.
Abhängig von den Umgebungsbedingungen können diese Bindungen sowohl enzymatisch als auch nicht enzymatisch hydrolysiert werden.
Beteiligte Enzyme
Die Bildung und das Aufbrechen chemischer Bindungen ist für alle uns bekannten lebenswichtigen Prozesse von entscheidender Bedeutung, und der Fall von Phosphodiesterbindungen ist keine Ausnahme.
Zu den wichtigsten Enzymen, die diese Bindungen bilden können, gehören DNA- oder RNA-Polymerasen und Ribozyme. Phosphodiesteraseenzyme können sie enzymatisch hydrolysieren.
Während der Replikation, einem entscheidenden Prozess für die Zellproliferation, wird in jedem Reaktionszyklus ein zur Matrizenbase komplementäres dNTP (Desoxynukleotidtriphosphat) durch eine Nukleotidtransferreaktion in die DNA eingebaut.
Die Polymerase ist verantwortlich für die Bildung einer neuen Bindung zwischen dem 3'-OH des Matrizenstrangs und dem α-Phosphat des dNTP, dank der Energie, die durch das Aufbrechen der Bindungen zwischen den verknüpften α- und β-Phosphaten des dNTP freigesetzt wird durch Phosphoanhydro-Bindungen.
Das Ergebnis ist die Verlängerung der Kette um ein Nukleotid und die Freisetzung eines Pyrophosphatmoleküls (PPi). Es wurde festgestellt , dass diese Reaktionen verdienen zwei zweiwertige Magnesiumionen (Mg 2+ ), die Gegenwart die elektrostatische Stabilisierung des Nucleophils erlaubt OH - die Annäherung an die aktive Stelle des Enzyms zu erreichen.
Der pK a einer Phosphodiesterbindung liegt nahe bei 0, so dass diese Bindungen in einer wässrigen Lösung vollständig ionisiert und negativ geladen sind.
Dies gibt Nukleinsäuremolekülen eine negative Ladung, die durch ionische Wechselwirkungen mit den positiven Ladungen von Proteinaminosäureresten, elektrostatische Bindung mit Metallionen oder Assoziation mit Polyaminen neutralisiert wird.
In einer wässrigen Lösung sind die Phosphodiesterbindungen in DNA-Molekülen viel stabiler als in RNA-Molekülen. In einer alkalischen Lösung werden diese Bindungen in RNA-Molekülen durch intramolekulare Verschiebung des Nukleosids am 5'-Ende durch ein 2'-Oxyanion gespalten.
Funktion und Beispiele
Wie bereits erwähnt, ist die wichtigste Rolle dieser Bindungen ihre Beteiligung an der Bildung des Rückgrats von Nukleinsäuremolekülen, die eines der wichtigsten Moleküle in der Zellwelt sind.
Die Aktivität von Topoisomeraseenzymen, die aktiv an der DNA-Replikation und Proteinsynthese beteiligt sind, hängt von der Wechselwirkung der Phosphodiesterbindungen am 5'-Ende der DNA mit der Seitenkette der Tyrosinreste im aktiven Zentrum dieser ab Enzyme.
Als Second Messenger beteiligte Moleküle wie cyclisches Adenosinmonophosphat (cAMP) oder cyclisches Guanosintriphosphat (cGTP) besitzen Phosphodiesterbindungen, die durch spezifische Enzyme hydrolysiert werden, die als Phosphodiesterasen bekannt sind und deren Beteiligung für viele Signalprozesse von größter Bedeutung ist zellular.
Glycerophospholipide, grundlegende Bestandteile in biologischen Membranen, bestehen aus einem Glycerinmolekül, das über Phosphodiesterbindungen an die polaren "Kopf" -Gruppen gebunden ist, die die hydrophile Region des Moleküls bilden.
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