Budowa chemiczna kwasów nukleinowych
Kwasy nukleinowe są wielkocząsteczkowymi związkami chemicznymi, będącymi przeważnie bezbarwnymi lub jasnożółtymi ciałami stałymi, słabo rozpuszczalnymi w wodzie i dobrze rozpuszczalnymi w roztworach zasadowych. Są polimerami (polinukleotydami) zbudowanymi z monomerów (nukleotydów). Każdy nukleotyd składa się z pięciowęglowego cukru, zasady azotowej (dwupierścieniowej puryny lub jednopierścieniowej pirymidyny) oraz grupy fosforanowej. Nukleotydy połączone są ze sobą za pomocą wiązań fosfodiestrowych między grupą fosforanową piątego atomu węgla cukru jednego nukleotydu i trzecim atomem węgla cukru kolejnego nukleotydu. Kwasy nukleinowe zostały odkryte przez szwajcarskiego biochemika Johanna Friedricha Mieschera w 1869 r.Cząsteczki kwasu deoksyrybonukleinowego (DNA) są liniowymi i nierozgałęzionymi polimerami złożonymi z podjednostek, zwanych deoksyrybonukleotydami (nukleotydami). Każda podjednostka składa się z pięciowęglowego cukru – 2-deoksyrybozy (C₅H₁₀O₄), do której w pozycji 5ʾ dołączona jest grupa fosforanowa, a w pozycji 1ʾ jedna z czterech zasad azotowych – adenina (6-aminopuryna), guanina (2-amino-6-oksopuryna), tymina (2,4-diokso-5-metylopirymidyna) lub cytozyna (2-okso-4-aminopirymidyna). Zasady azotowe łączą się z atomem węgla cukru za pomocą wiązania N-glikozydowego, tworząc deoksyrybonukleozydy – deoksyadenozynę, deoksyguanozynę, deoksytymidynę i deoksycytydynę.
Cząsteczki kwasu rybonukleinowego (RNA) są liniowymi polimerami składającymi się z podjednostek zwanych rybonukleotydami. Każdy rybonukleotyd zbudowany jest z cukru pięciowęglowego – D-rybozy (C₅H₁₀O₅), do której w pozycji 5ʾ dołączona jest grupa fosforanowa, a w pozycji 1ʾ jedna z czterech zasad azotowych – adenina, guanina, cytozyna lub uracyl (2,4-dioksopirymidyna). Zasady azotowe łączą się z pierwszym atomem węgla rybozy za pomocą wiązania N-glikozydowego, tworząc rybonukleozydy – adenozynę, guanozynę, cytydynę i urydynę.
Porównanie budowy chemicznej i przestrzennej kwasu deoksyrybonukleinowego (DNA) i kwasu rybonukleinowego (RNA), źródło: shutterstock
Budowa przestrzenna kwasów nukleinowych
Cząsteczka DNA zbudowana jest z dwóch łańcuchów polinukleotydowych biegnących antyrównolegle w stosunku do siebie (koniec 5′ jednego łańcucha leży naprzeciw końca 3′ drugiego łańcucha). Łańcuchy skręcają się wokół wspólnej osi, tworząc dwuniciową, zwykle prawoskrętną helisę. Szkielet cukrowo-fosforanowy połączony wiązaniami fosfodiestrowymi znajduje się po zewnętrznej stronie helisy; do jej wnętrza skierowane są zasady azotowe, które ustawione są pod kątem prostym w stosunku do jej osi. Zasady położone naprzeciw siebie związane są mostkami wodorowymi oraz oddziaływaniami hydrofobowymi, tworząc komplementarne pary – adenina-tymina oraz guanina-cytozyna.Cząsteczka RNA jest przeważnie jednoniciowa, w jej obrębie mogą jednak występować krótkie odcinki dwuniciowe („spinki do włosów”), które powstają wskutek zwinięcia się łańcucha RNA i łączenia się komplementarnych par zasad azotowych (adenina-uracyl, guanina-cytozyna) za pomocą mostków wodorowych oraz oddziaływań hydrofobowych. Parowanie się zasad azotowych umożliwia także niektórym cząsteczkom RNA przyjmować kształt trójwymiarowy. Nić transportującego RNA (tRNA) cechuje się strukturą drugorzędową w kształcie liścia koniczyny, składającą się z odcinków jednoniciowych tworzących trzy lub cztery pętle oraz odcinków dwuniciowych tworzących cztery ramiona (ramię akceptorowe, ramię D, ramię antykodonowe, ramię T). Mostki wodorowe między komplementarnymi parami zasad w obrębie jednoniciowych pętli organizują strukturę drugorzędową cząsteczki w strukturę w trzeciorzędową, w kształcie litery L z ramionami akceptorowym i antykodonowym leżącymi na końcach przeciwległych.
Struktura przestrzenna cząsteczki tRNA. Źródło: shutterstock
Rola kwasów nukleinowych
Kwasy nukleinowe występują u wszystkich organizmów żywych, gdzie pełnią rolę magazynu, nośnika oraz przekaźnika informacji genetycznej. Cząsteczki (DNA) eukariontów występują w jądrze komórkowym (nDNA), mitochondriach (mtDNA) oraz chloroplastach (cpDNA). DNA w komórkach prokariontów (bakterii i sinic) znajduje się w cytoplazmie (na obszarze zwanym nukleoidem) w postaci genoforu; materiał genetyczny wirusów położony jest wewnątrz płaszcza białkowego (kapsydu). Kwas deoksyrybonukleinowy pełni rolę nośnika informacji genetycznej zapisanej w sekwencji nukleotydów w postaci kodu genetycznego, która zawiera instrukcje dotyczące budowy, wzrostu, rozwoju, funkcjonowania i reprodukcji organizmów żywych oraz niektórych wirusów.Cząsteczki RNA u eukariontów występują w jądrze komórkowym, cytoplazmie, rybosomach, mitochondriach i chloroplastach. RNA prokariontów zlokalizowany jest w cytoplazmie oraz rybosomach. Cząsteczki RNA w postaci jednoniciowej i dwuniciowej stanowią materiał genetyczny niektórych wirusów i wiroidów. Kwasy rybonukleinowe uczestniczą w procesie biosyntezy białka. Pierwszy etap (transkrypcja), zachodzący w jądrze komórkowym, polega na syntezie cząsteczki RNA komplementarnej do matrycowej nici DNA. Powstały transkrypt (pre-mRNA) poddawany jest następnie obróbce posttranskrypcyjnej, w wyniku której powstaje dojrzała cząsteczka mRNA, która wędruje do cytoplazmy, gdzie przyłącza się do rybosomu. Drugi etap (translacja) obejmuje syntezę łańcucha białkowego przy użyciu informacji genetycznej zawartej w mRNA tłumaczonej na sekwencję aminokwasów przez transportujący kwas rybonukleinowy (tRNA).
Biosynteza białka. Źródło: shutterstock
Bibliografia
- Jane B. Reece, Lisa E. Urry, Michael L. Cain, Steven A. Wasserman, Peter V. Minorsky, Robert B. Jackson; “Biologia Campbella”; Dom Wydawniczy Rebis, Poznań 2020;
- Phil C. Turner, Alexander G. McLennan, Andy D. Bates, Mike R.H. White; “Biologia molekularna – krótkie wykłady”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2011.;
- Zdzisława Otałęga (red. nacz.); “Encyklopedia biologiczna T. II, IV, VII, IX”; Agencja Publicystyczno-Wydawnicza Opres, Kraków, 1998-1999.;
- Terry A. Brown; “Genomy”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2009.;
- K.-H. Lautenschlager, W. Schroter, A. Wanninger; “Nowoczesne kompendium chemii”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2016. ;
- G. Michael Blackburn, Michael J. Gait, David Loakes, David M. Williams; “Nucleic Acids in Chemistry and Biology”; Royal Society of Chemistry, Cambridge 2006. ;
- promil
