KWASY NUKLEINOWE

Częścią niebiałkową białek złożonych, nukleoprotein, są kwasy nukleinowe. Są one zbudowane z nukleotydów połączonych ze sobą w łańcuch polinukleotydowy.

Nukleotydy zbudowane są z zasady azotowej, reszty cukrowej i reszty fosforanowej. Występujące w nukleotydach zasady azotowe to puryny i pirymidyny.

Do zasad purynowych należy adenina ( 6-aminopuryna ) i guanina ( 2-amino-6-oksypuryna), natomiast do zasad pirymidynowych zaliczamy cytozynę ( 2-oksy-4-aminopirymidyna ), uracyl (2,4-dwuoksypirymidyna ) i tyminę ( 5-metylo-2,4-dwuoksypirymidyna ).

Zasada azotowa ( puryna lub pirymidyna ) połączona jest z resztą cukrową ( ryboza lub deoksyryboza ) wiązaniem N-glikozydowym. W ten sposób powstaje nukleozyd. Jeżeli do nukleozydu zostanie przyłączona reszta kwasu fosforowego, to otrzymamy nukleotyd. W skład nukleotydu wchodzi więc nukleozyd i reszta kwasu fosforowego, przyłączona wiązaniem fosfoestrowym.

W organizmie człowieka występują nukleotydy w formie wolnej i związanej ( w tej ostatniej - w kwasach nukleinowych ).

- mogą magazynować energię w postaci wiązań wysokoenergetycznych w formie trójfosforanów ( ATP, GTP, CTP, UTP );

- Energia ta z kolei może być wykorzystywana w wielu procesach chemicznych wymagających energii ( procesy fosforylacji, aktywacji związków );

- trójfosforany są konieczne do wytwarzania związków „ aktywnych ”, jak np. aktywna cholina ( CDP-cholina ), aktywna glukoza ( UDP- glukoza ) czy aktywny metal ( S- adenozylometionina );

- cykliczny AMP ( cAMP ), powstający z ATP, czy cykliczny GMP (cGMP), powstający z GTP, są wtórnymi przekaźnikami informacji hormonalnej w działaniu hormonów białkowych;

W kwasach nukleinowych zawarta jest informacja genetyczna komórki. Jest ona zakodowana w układzie ( kolejności ) nukleotydów. W zależności od rodzaju cukru ( pentozy ), jaki występuje w nukleotydzie, wyróżniamy kwasy rybonukleinowe ( RNA ) i kwas deoksyrybonukleinowy ( DNA ). Kwasy rybonukleinowe zawierają rybozę, natomiast kwas deoksyrybonukleinowy - deoksyrybozę.

Kwas deoksyrybonukleinowy występujący w jądrze komórkowym dwuniciowy. Nici nukleotydowe są zwinięte spiralnie i ułożone przeciwrównolegle. Obie nici nukleotydowe są komplementarne względem siebie, ponieważ adenina jest komplementarna z tyminą, a cytozyna z guaniną. Komplementarne zasady są połączone ze sobą wiązaniami wodorowymi. Taka budowa daje możliwość powielania materiału genetycznego.

DNA występuje w komórce w towarzystwie białek pistonowych ( zasadowych ), tworząc nukleosomy. Nukleosom zbudowany jest z 8 podjednostek histonów ( 2H₂a, 2H₂b, 2H₃, 2H₄ ), na który to trzon nawinięty jest DNA. Nukleosomy łączą się ze sobą poprzez histon H₁ i łącznikową nić DNA, tworząc nukleofilamenty. Taka budowa umożliwia upakowanie DNA w komórce. Powstają w ten sposób chromosomy, które są komórkowymi strukturami zawierającymi materiał genetyczny.

Znanych jest kilka rodzajów RNA: mRNA ( informacyjny ), tRNA ( transportujący ), rRNA ( rybosomalny ). Wszystkie RNA są syntezowane w jądrze komórkowym na matrycy DNA.

Kwasy rybonukleinowe zamiast tyminy zawierają uracyl. Są one jednoniciowe. Nić nukleotydowa RNA jest ułożona wewnątrz siebie struktury z uwzględnieniem komplementarności zasad. Nie jest to jednak tak precyzyjna komplementarność, jak w DNA, i nie wszystkie zasady muszą być połączone z komplementarnymi.

mRNA - przenosi informację genetyczną z jądra komórkowego do cytoplazmy.

rRNA - wchodzi w skład rybosomów i uczestniczy w procesie biosyntezy białka.

Wszystkie komórki posiadające jądra komórkowe - oprócz komórek rozrodczych, które zawierają tylko 50% materiału genetycznego - mają pełny zestaw informacji genetycznej.

Informacja genetyczna zawarta jest w sekwencji nukleotydów, czyli kodzie genetycznym.

Kwasy nukleinowe umożliwiają przekazywanie informacji genetycznej do komórek potomnych i do cytoplazmy.

Informacja genetyczna jest podwajana w okresie przedpodziałowym komórki w procesie replikacji. Proces ten umożliwia powstanie dwóch komórek potomnych z kompletem informacji genetycznej.

Replikacja rozpoczyna się od przyłączenia do DNA krótkiego, liczącego ok. 10nukleotydów łańcucha RNA, zwanego premierem. Odbywa się to przy udziale primazy ( polimeraza RNA ). Następnie helikaza rozkręca nić DNA, a gyraza rozrywa mostki wodorowe między komplementarnymi nukleotydami.

Na pierwszym etapie wytwarzają się tzw. widełki replikacyjne. Umożliwia to działanie polimerazy DNA, która odbudowuje kolejne, komplementarne nukleotydy w kierunku od końca 5' do 3'. Odbywa się to na obu niciach równocześnie.

Na jednej nici powstaje ciągły łańcuch polinukleotydowy, natomiast na drugiej powstają fragmenty Okazaki ponieważ działając w kierunku od 5' do 3' na drugiej nici DNA, polimeraza działa skokowo.

Powstałe fragmenty Okazaki łączone są przez ligazy. W miarę przesuwania się replikacji w miejscu widełek replikacyjnych powstaje bańka replikacyjna.

Po skończonej replikacji do każdej nici „ starego” DNA mamy dobudowaną nową nić, identyczną ze starą, bo dobudowaną na zasadzie komplementarności.

Informacja genetyczna dotycząca składu aminokwasowego syntetyzowanych białek zawarta w DNA jądra komórkowego musi zostać przeniesiona do cytoplazmy, gdzie taka synteza zachodzi na rybosomach. Ponieważ DNA jest związkiem wielkocząsteczkowym i nie może przechodzić przez błonę jądrową, odbywa się to przy udziale mRNA, który powstaje w procesie transkrypcji.

Proces transkrypcji przebiega przy udziale polimerazy RNA zależnej od DNA. Polimeraza holoenzymem zbudowanym z dwóch podjednostek α, podjednostki β i β' oraz podjednostki δ ( sigma ). Miejsce rozpoczęcia transkrypcji odnajduje podjednostka δ i przyłączając się do niego daje sygnał do działania polimerazy. Polimeraza RNA dobudowuje kolejne, komplementarne nukleotydy, posuwając się w kierunku do 3' do 5' na nici DNA, a także nić mRNA jes syntezowana w kierunku 5' do 3'. Synteza mRNA odbywa się tylko na jednej nici DNA, zwanej sensowną. Druga z nici nazywana jest nonsensowną.

Po skończonej transkrypcji, kiedy już cała informacja dotycząca syntezy danego białka jest przepisana , przyłącza czynnik p ( ro ), kończący transkrypcję.

W procesie transkrypcji przepisywana jest cała informacja, zarówno eksony, jak i introny, dlatego powstający hnRNA ( heterogenny RNA ) musi przed opuszczeniem jądra komórkowego ulec procesowi dojrzewania.

Informacja o tym z jakich aminokwasów i jak będzie zbudowane białko, jest zakodowana w układzie zasad DNA. Informacja ta zostaje przepisana na mRNA i przeniesiona do cytoplazmy, do rybosomów, na których odbywa się translacja, czyli tłumaczenie „ języka zasad” na „jezyk aminokwasów”.

Etapem bezpośrednio bezpośrednio poprzedzającym biosyntezę białka jest proces aktywacji aminokwasów dlatego że tylko zaktywowane aminokwasy, czyli aminoacylo - tRNA, mogą być wykorzystane w translacji.

Proces aktywacji przebiega dwuetapowo, a obydwa etapy są katalizowane przez tę samą syntetazę aminoacylo - tRNA:

II aminoacyloadenylan łączy się z tRNA i wytwarza się aminoacylo-tRNA + AMP

Syntetazy aminoacylo - tRNA są bardzo specyficznymi enzymami, stąd dla każdego aminokwasu istnieje specyficzna syntetaza. Umożliwia to jednoznaczne przyłączenie danego aminokwasu do specyficznego dla niego tRNA.

W samym procesie biosyntezy białka wyróżniamy trzy etapy: inicjacji, elongacji i terminacji.

Na tym etapie następuje przyłączenie metionylo - tRNA do podjednostki 40S rybosomy, co odbywa się przy udziale czynnika inicjującego IF₁, GTP i jonów magnezu.

Do tego kompleksu przyłącza się mRNA przy udziale czynników inicjujących IF₂ - IF₅. Nastepnie przy udziale energii z hydrolizy GTP dołączona jest podjednostka 60S rybosomy i uwalniane są czynniki inicjujące.

Kompleks inicjujący składający się z podjednostki mniejszej ( 40S ) i podjednostki większej ( 60S ) rybosomy, mRNA oraz metionylo-tRNA, jest gotowy do elongacji.

Proces elongacji, czyli wydłużania łańcucha polipeptydowego, odbywa się przez dobudowywanie kolejnych aminokwasów.

Pierwszy aminokwas metionylo-tRNA, znajduje się w miejscu P ( peptydylowym ) a w miejsce sąsiednie A ( aminokwasowe ) przyłączany jest do mRNA kolejny aminoacylo-tRNA, pasujący antykodonem do kodonu mRNA. Odbywa się to przy udziale energii z GTP oraz czynnika elongacyjnego EF₁.

Następnie działa transferaza peptydylowa która wiązanim peptydowym przyłącza aminokwas z miejsca P do aminokwasu w miejscu A, w wyniku czego z miejsca P odhydrolizowuje uwolniony tRNA, a w miejscu A powstaje peptydylo-tRNA. Z kolei przy udziale czynnikaelongacyjnego EF₂ i energii z GTP następuje przesunięcie rybosomu o jedną trójkę na mRNA, tak że peptydylo-tRNA wchodzi na miejsce P, natomiast miejsce A zwalnia się dla przyłączenia kolejnego aminoacylo-tRNA.

Proces elongacji ulega zakończeniu czyli terminacji, kiedy odczytywanie kodu trafi na kodon nonsensowny tzn. taki który nie koduje żadnego aminokwasu.