Els enllaços fosfodiéster són els enllaços covalents que es donen entre dos dels àtoms d'oxigen d'un grup fosfat i els grups hidroxil de dues molècules diferents. En aquest tipus d'enllaços el grup fosfat actua com un "pont" d'unió estable entre les dues molècules a través dels seus àtoms d'oxigen.
El paper fonamental dels enllaços fosfodièster en la naturalesa és el de la formació de les cadenes dels àcids nucleics, tant de l'ADN com de l'ARN. Juntament amb els sucres pentosa (desoxiribosa o ribosa, segons sigui el cas) els grups fosfat formen part de l'estructura de sosteniment d'aquestes importants biomolècules.
Enllaç fosfodièster en l'esquelet de l'ADN (Font: File: Enllaç fosfodiéster.png, File: PhosphodiesterBondDiagram.png: User: G3pro (talk) User: G3pro at en.wikipedia.orgDerivative work: User: Merops (talk) Derivative work: User: Deneapol (talk) Derivative work: User: KES47 (talk) Text tweaks: Incnis MRSI (talk) Text tweaks: DMacks (talk)) Derivative work: User: Miguelferig (talk) with Ionization, via Wikimedia Commons)
Les cadenes nucleotídiques de l'ADN o de l'ARN, a l'igual que les proteïnes, poden assumir diferents conformacions tridimensionals que són estabilitzades per enllaços no covalents, com els ponts d'hidrogen entre bases complementàries.
No obstant això, l'estructura primària està donada per la seqüència lineal dels nucleòtids units covalentment per mitjà d'enllaços fosfodiéster.
Com es forma un enllaç fosfodiéster?
A l'igual que els enllaços peptídics en les proteïnes i els enllaços glucosídics entre monosacàrids, els enllaços fosfodiéster resulten de reaccions de deshidratació en què es perd una molècula d'aigua. A continuació, l'esquema general d'una d'aquestes reaccions de deshidratació:
HX 1 -OH + HX 2 -OH → HX 1 -X 2 -OH + H 2 O
Els ions fosfat corresponen a la base conjugada completament desprotonada de l'àcid fosfòric i s'anomenen fosfats inorgànics, la abreujament es denota com Pi. Quan dos grups fosfats estan units entre si es forma un enllaç fosfat anhidre, i s'obté una molècula coneguda com pirofosfat inorgànic o PPi.
Quan un ió fosfat s'uneix a un àtom de carboni d'una molècula orgànica, l'enllaç químic s'anomena èster fosfat, i l'espècie resultant és un monofosfat orgànic. Si la molècula orgànica s'uneix a més d'un grup fosfat, es formen els difosfats o trifosfatos orgànics.
Quan una sola molècula de fosfat inorgànic s'uneix a dos grups orgànics, s'empra un enllaç fosfodiéster o "fosfat diéster". És important no confondre els enllaços fosfodiéster amb els enllaços fosfoanhidro d'alta energia entre els grups fosfat de molècules com l'ATP, per exemple.
Diferències entre els fosfats i fosforilos (Font: Strater, via Wikimedia Commons)
Els enllaços fosfodiéster entre nucleòtids adjacents consisteixen en dos enllaços fosfoéster que es donen entre el hidroxil en la posició 5 'd'un nucleòtid i el hidroxil en la posició 3' de l'nucleòtid següent en un bri d'ADN o d'ARN.
Depenent de les condicions de l'mig, aquests enllaços poden ser hidrolitzats tant enzimàtica com no enzimàticament.
enzims involucrats
La formació i ruptura d'enllaços químics és crucial per a tots els processos vitals com els coneixem, i el cas dels enllaços fosfodiéster no és una excepció.
Entre els enzims més importants que poden formar aquests enllaços es troben les polimerases d'ADN o ARN i els ribozims. Els enzims fosfodiesterasas són capaços de hidrolitzar enzimàticament.
Durant la replicació, procés crucial per a la proliferació cel·lular, en cada cicle de reacció 1 dNTP (desoxinucleótido trifosfat) complementari a la base motlle és incorporat a l'ADN mitjançant una reacció de transferència de nucleòtid.
La polimerasa s'encarrega de formar un nou enllaç entre el 3'-OH del bri motlle i el α-fosfat de l'dNTP, gràcies a l'energia alliberada de la ruptura de l'els enllaços entre els fosfats α i β de l'dNTP, que estan units per enllaços fosfoanhidro.
El resultat és l'extensió de la cadena per un nucleòtid i l'alliberament d'una molècula de pirofosfat (PPi) s. S'ha determinat que aquestes reaccions mereixen dos ions de magnesi divalents (Mg 2+), la presència permet l'estabilització electrostàtica de l'nucleòfil OH - per aconseguir l'aproximació cap al lloc actiu de l'enzim.
El pK a d'un enllaç fosfodiéster és proper a 0, de manera que en una solució aquosa aquests enllaços es troben completament ionitzats, carregats negativament.
Això li dóna a les molècules d'àcids nucleics una càrrega negativa, que és neutralitzada gràcies a interaccions iòniques amb les càrregues positives dels residus aminoacídics de proteïnes, a la unió electrostàtica amb ions metàl·lics o l'associació amb poliamines.
En una solució aquosa els enllaços fosfodiéster en les molècules d'ADN són molt més estables que en les molècules d'ARN. En una solució alcalina, aquests enllaços en les molècules d'ARN són escindits per desplaçament intramolecular de l'nucleòsid a l'extrem 5 'per un oxianión 2'.
Funció i exemples
Com s'ha esmentat, el paper més rellevant d'aquests enllaços és la seva participació en la formació de l'esquelet de les molècules dels àcids nucleics, que són de les molècules més importants en el món cel·lular.
L'activitat dels enzims topoisomerases, que participen activament de la replicació de l'ADN i de la síntesi de proteïnes, depèn de la interacció dels enllaços fosfodiéster de l'extrem 5 'de l'ADN amb la cadena lateral de residus de tirosina en el lloc actiu d'aquestes enzims.
Molècules que participen com a segons missatgers, com ara l'adenosina monofosfat cíclica (cAMP) o la guanosina trifosfat cíclica (CGTP), posseeixen enllaços fosfodiéster que són hidrolitzats per enzims específics conegudes com fosfodiesterasas, la participació és molt important per a molts processos de senyalització cel·lular.
Els glicerofosfolípids, components fonamentals en les membranes biològiques, estan compostos per una molècula de glicerol que s'uneix mitjançant enllaços fosfodiéster als grups de la "cap" polar que constitueixen la regió hidrofílica de la molècula.
referències
- Fothergill, M., Goodman, MF, Petruska, J., & Warshel, A. (1995). Structure-Energy Analysis of the Role of Metall Ions in Phosphodiester Bond Hydrolysis by DNA Polymerase I. Journal of the American Chemical Society, 117 (47), 11.619-11.627.
- Lodish et, H., Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Martin, K. (2003). Molecular Cell Biology (5th ed.). Freeman, WH & Company.
- Nakamura, T., Zhao, I., Yamagata, I., Hua, IJ, & Yang, W. (2012). Watching DNA polymerase η make a phosphodiester bond. Nature, 487 (7406), 196-201.
- Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Lehninger Principis de Bioquímica. Edicions Omega (5th ed.)
- Oivanen, M., Kuusela, S., & Lönnberg, H. (1998). Kinetics and mechanisms for the cleavage and isomerization of the phosphodiester bonds of RNA by Bronsted àcids and bases. Chemical Reviews, 98 (3), 961-990.
- Pradeepkumar, PI, Höbartner, C., Baum, D., & Silverman, S. (2008). DNA-Catalyzed Formation of Nucleopeptide Linkages. Angewandte Chemie International Edition, 47 (9), 1753-1757.
- Soderberg, T. (2010). Organic Chemistry With a Biological Emphasis Volume II (Vol. II). Minnesota: University of Minnesota Morris Digital Well. Retrieved from www.digitalcommons.morris.umn.edu