Pojęcia ogólne

Kwasy nukleinowe odkrył w roku 1869 Miescher. Znalazł je on w komórkach ropnych, w spermie ryb i w innym materiale biologicznym. Dokładne badania wykazały, że w każdej żywej komórce stwierdza się obecność nukleoproteidów - substancji zbudowanych z białek połączonych z innymi naturalnymi polimerami - kwasami nukleinowymi.>

Prawidłową strukturę DNA określili po raz pierwszy w 1953 r. dwaj młodzi naukowcy, pracujący wówczas na Uniwersytecie w Cambridge - biochemik J. Watson i biofizyk F. Crick. Dokonali oni tego, wykorzystując zdjęcia rentgenowskie DNA. Kwasy te są wielkocząsteczkowymi substancjami złożonymi, dającymi po całkowitej hydrolizie heterocykliczne zasady azotowe, węglowodan (pentozę) i kwas fosforowy. W organizmach żywych występują dwa rodzaje kwasów nukleinowych: kwasy dezoksyrybonukleinowe - których składnikami są; cukier - dezoksyryboza zasady azotowe: adenina, cytozyna, guanina i tymina reszta kwasu fosforowego kwasy rybonukleinowe - których składnikami są: cukier - ryboza zasady azotowe: adenina, cytozyna, guanina i uracyl reszta kwasu fosforowego

W literaturze przyjęto powszechnie używać równorzędnie z nazwą kwas dezoksyrybonukleinowy - skrótu DNA (od ang. deoxyribonucleic acid) oraz równorzednie z nazwą kwas rybonukleinowy - skrótu RNA (od ang. ribonucleic acid).

DNA na terenie komórki występuje głównie w jądrze. Znacznie mniejsze ilości DNA występują na terenie mitochondriów i plastydów. Zarówno DNA jądrowy, jak i występujący w strukturach cytoplazmatycznych - jest źródłem informacji genetycznej w komórce.
RNA występuje w jądrze (głównie na terenie jąderka) oraz cytoplazmie. RNA w komórce służy do wykorzystania informacji zwartych w DNA dla biosyntezy białka ( w procesie tym, oprócz RNA biorą udział liczne enzymy białkowe).

Ogólny schemat budowy kwasów nukleinowych

Kwasy nukleinowe są, podobnie jak białka, heteropolimerami. Na rysunku poniżej przedstawiono ogólny schemat budowy kwasów nukleinowych.

Ogólny schemat budowy kwasów nukleinowych

Podstawowy szkielet kwasów nukleinowych zbudowany jest z połączonych liniowo, za pośrednictwem reszt kwasu fosforowego, cząsteczek pentozy. Do każdej cząsteczki pentozy dołączona jest zasada azotowa, tworząc jak gdyby boczne odgałęzienie.
Nietrudno więc zauważyć, że podstawowym monomerem łańcucha kwasów nukleinowych jest następujące połączenie; zasada azotowa - pentoza - reszta kwasu fosforowego.

Budowa nukleotydu

Połączenie przedstawione na rysunku zwane jest nukleotydem.
Natomiast jednostka typu zasada-cukier nazywana jest nukleozydem

Kwasy nukleinowe w istotny sposób przypominają białka, chociaż pod względem chemicznym są od nich całkowicie różne. Wszystkie cząsteczki kwasu nukleinowego zawierają długi łańcuch (szkielet); łańcuchy te różnią się jedynie długością. Do tego szkieletu przyłączone są różne grupy, których rodzaj oraz sekwencja są charakterystyczne dla każdego kwasu nukleinowego.

Podczas gdy szkieletem cząsteczki białka jest łańcuch poliamidowy (polipeptydowy), szkieletem cząsteczki kwasu nukleinowego jest łańcuch poliestrowy, nazywany łańcuchem polinukleotydowym.

Zasady azotowe

W kwasach nukleinowych występują cykliczne, jedno- i dwupierścieniowe związki zawierające atomy azotu wbudowane w pierścień (atomy azotu nadają całej cząsteczce charakter zasady). Związki te, zwane zasadami azotowymi, można wyprowadzić albo od jednopierścieniowej pirymidyny, jak cytozyna, uracyl i tymina,

Zasady pirymidynowe

lub zbudowanej z dwóch pierścieni puryny, jak adenina, guanina

Zasady purynowe

Zasady pirymidynowe zawierają sześcioczłonowy pierścień o dwóch atomach azotu. W zasadach, wchodzących w skład kwasów nukleinowych, pierścień ten jest podstawiony w pozycji 4 (patrz numeracja na rysunkach wyżej) grupą aminową lub hydroksylową, natomiast w pozycji 2 zawsze grupą zawierającą tlen. Taka konfiguracja umożliwia tautometrię polegającą na tym, że atom wodoru może łączyć się z atomem tlenu, bądź z atomem azotu w pierścieniu. Ilustruje to na przykładzie poniżej wzór.

Z tych form tautometrycznych interesuje nas ta, w których atom azotu w pozycji 1 związany jest z atomem wodoru. W nukleotydach ten właśnie atom wodoru zastąpiony jest resztą cukrową, która związana jest N-glikozydowo.

Zasady purynowe W odróżnieniu od zasad pirymidynowych w zasadach purynowych do połączeń z resztą cukrową wykorzystywana jest ta odmiana tautometryczna, która w pozycji 9 posiada wodór. W tym miejscu następuje połączenie węgiel-azot wiązaniem -C-N (wiązanie N-glikozydowe).

Składnik cukrowy

Cukier występujący w kwasach nukleinowych jest pentozą należącą do aldoz. Wśród aldo-pentoz istnieje szereg izomerów przestrzennych. Pentoza występująca w kwasach nukleinowych jest rybozą.

W RNA ryboza występuje w formie niezmienionej, natomiast w DNA składnikiem cukrowym jest ryboza pozbawiona atomu tlenu przy węglu drugim cząsteczki, czyli 2-dezoksyryboza. Przykłady poniżej.

Nukleotydy

Niżej przedstawiono wzory nukleotydów występujących w kwasach nukleinowych.

Związki te zawierają resztę kwasu fosforowego związanego estrowo z rybozą lub dezoksyrybozą. Znaczenie biologiczne mają przede wszystkim estry w pozycji 5', w których kwas fosforowy związany jest z grupą CH₂OH reszty cukrowej.

Struktury kwasów nukleinowych

Podobnie jak w białkach, również i w kwasach nukleinowych wyróżniamy struktury;

• strukturę pierwszorzędową

• strukturę drugorzędową

Struktura pierwszorzędowa - podaje sekwencję nukleotydów w łańcuchu, natomiast struktura drugorzędowa - przestrzenne ukształtowanie cząsteczki.

Struktura pierwszorzędowa

Budowa łańcucha kwasu dezoksyrybonukleinowego - jest wielkocząsteczkowy polinukleotyd; liczne nukleozydy połączone są ze sobą za pomocą kwasu fosforowego wiązaniami dwuestrowymi.

Kwasy rybonukleinowe - zbudowane są zupełnie podobnie jak kwasy dezoksyrybonukleinowe. Składają się one z licznych nukleozydów połączonych resztami kwasu fosforowego. Wycinek łańcucha kwasu rybonukleinowego przedstawia poniższy wzór:

Sekwencja nukleotydów w łańcuchu nazywana jest inaczej strukturą pierwszorzędową kwasu nukleinowego. Zwykle sekwencję podaje się używając tylko pierwszych liter występujących w nukleotydach zasad.
I tak, na przykład dla fragmentu, w którym występują kolejno nukleotydy zawierające: adeninę, tyminę, guaninę, cytozynę, tyminę, adeninę - sekwncję można zapisać; ATGCTA

Struktura drugorzędowa

Struktura drugorzędowa (przestrzenna) kwasu dezoksyrybonukleinowego Na podstawie danych rentgenograficznych, otrzymanych przez Wilkinsona i współpracowników, Watson i Crick zaproponowali model strukturalny, który następnie potwierdzono licznymi badaniami.

Podstawą tego modelu jest założenie, że poszczególne zasady łączą się ze sobą parami za pomocą wiązań wodorowych. Jest to możliwe dla par adenina - tymina i guanina-cytozyna - patrz rysunki niżej.

Przypuszczenie o łączeniu się parami zasad znajduje silne poparcie we wspomnianych już danych analitycznych.

Wskutek takiego wiązania się parami następuje łączenie dwóch łańcuchów polinukleotydowych. Jednocześnie każda z zasad determinuje swój odpowiednik w drugim łańcuchu, tak że jeden łańcuch określa już sekwencję zasad w drugim łańcuchu. Pokazano to na rysunku poniżej (część A). Każda z figur odpowiada tylko określonemu partnerowi i w ten sposób determinuje go.

Jeżeli teraz wyobrazimy sobie, że taka dwułańcuchowa wstęga ulegnie skręceniu, to otrzymamy przybliżony obraz modelu Watsona i Cricka dla kwasu dezoksyrybonukleinowego. Polega on na tym, że dwie cząsteczki okręcają się śrubowo dookoła siebie na kształt podwójnej liny. Widzimy to na przedstawionym wyżej (cześć B) i niżej rysunku.

Struktura drugorzędowa DNA

Struktura przestrzenna kwasu rybonukleinowego Struktura drugorzędowa RNA jest mniej poznana niż struktura DNA. RNA zbudowany jest z pojedyńczej nici polinukleotydowej. Niektóre jej odcinki mogą być jednak komplementarne. Powstają wtedy charakterystyczne pętle.

Struktura drugorzędowa DNA i RNA

Komórki życiowe zawierają trzy podstawowe rodzaje RNA;

• informacyjny RNA (tzw. mRNA od angielskiego messenger RNA)

• przenośnikowy RNA (tzw. tRNA od angielskiego transfer RNA)

• rybosomalny RNA (tzw. rRNA od angielskiego ribosomal RNA)

Nazwy te wskazują na różne funkcje odpowiednich kwasów nukleinowych, Z chemicznego punktu widzenia te trzy rodzaje RNA różnią się przede wszystkim ciężarem cząsteczkowym i składem zasad. Rybosomalny RNA ma ciężar cząsteczkowy ok. 500000 lub ok. 1000000. Informacyjne kwasy rybonukleinowe charakteryzują się ciężarem cząsteczkowym kilkuset tysięcy, a pod względem składu zasad upodobniają się do nici DNA. Natomiast przenośnikowe kwasy rybonukleinowe mają niższe ciężary cząsteczkowe, w granicach 25000 - 30000. Są one rozpuszczalne w cytoplazmie i dlatego nazywane są również rozpuszczalnym RNA.

Porównanie DNA i RNA

cecha	DNA	RNA
cukier	Deoksyryboza (-H) odtlenowana ryboza	Ryboza (-OH)
Reszta fosforanowa	P04^3-
Zasady azotowe wspólne	puryny: adenina (A), guanina(G); pirymidyny: cytozyna(C)
Zasady azotowe różne	pirymidyna: tymina (T)	pirymidyna: uracyl (U)
Struktura molekularna	Podwójna helisa ( u niektórych wirusów wyjątkowo pojedyncza) liniowy u Eucaryota, kolisty u Procaryota, w chloroplastach i mitochondrium (teoria endosymbiozy)	Pojedyncza helisa (wyjątkowo u niektórych wirusów podwójna) Struktura tzw. „spinki do włosów” (mRNA), „koniczynki” lub litery „L” (t RNA)
Rodzaje i funkcje	-unikalnyDNA czyli aktywny genetycznie w postaci luźnej euchromatyny, - rDNA (rybosomalny) skupiony w przewężeniu wtórnym, jąderkotwórczym, sam nie podlega transkrypcji (NOR), tylko na prerybosomowy RNA, nie ulega translacji - satDNA (satelitarny, milczący)w postaci heterochromatyny, współtworzy centromer i satelitę , czytany tylko przy replikacji. Nie podlega transkrypcji. Ilość satDNA jest stałą cechą gatunkową , np. dla człowieka 0,5%, żab 60% mitochondrialny (mtDNA) jest podobny do DNA komórek prokariotycznych. Posiada kolistą cząsteczkę i jest pozbawiony histonów, a układ naprawy DNA skutkuje mniej sprawnie niż w jądrze komórkowym. Tak więc liczba mutacji w porównaniu z jądrowym DNA jest 10- krotnie większa. W genomie mitochondrialnym nie ma sekwencji niekodujących - intronów, lub ograniczają się one do kilku nukleotydów. Chloroplastowy DNA (chl. DNA)podobnie jak mt DNA jest kolisty i pozbawiony histonów. Oba kodują rRNA i tRNA działające w tych organellach, ale należy podkreślić , że większość (około 90%) białek mitochondrialnych i chloroplastowych jest kodowane przez DNA jądra komórkowego.	- mRNA (informacyjny, matrycowy) 2 -5%, bardzo krótki czas połowicznego rozpadu, przekazuje informację genetyczną z jądra na rybosomy. Długość - kilkaset do kilku tysięcy nukleotydów. - tRNA(transportujący) do 15% podczas translacji dporowadza aminokwasy z cytoplazmy do rybosomów. Długość 75 - 85 nukleotydów - rRNA(rybosomalny), wraz z białkami buduje rybosomy, nie występuje w stanie wolnym, , największa zawartość w komórce. Długość - 120 - 4500 nukleotydów. Wchodzi w skład rybosomów, powstaje na matrycy DNA w przewężeniu wtórnym chromosomów jąderkotwórczych. -snRNA (small nuclear) u Eucaryota biorą udział w usuwaniu intronów i składaniu eksonów, inaczej rybozymy. Przykład katalizy z udziałem RNA. RNAi (interferencyjny) odkryty w 1998r. Stosowany np. do wyciszania zmutowanych genów. RNAi jest używany przez komórki wielu organizmów do identyfikowania wirusowego RNA, które wnika do komórki często w formie dwuniciowej. Własne RNA organizmu opuszcza jądro komórkowe (gdzie było wytworzone na podstawie DNA) w formie jednoniciowej, aby być następnie użyte przez rybosomy w produkcji białek w procesie translacji. Interferencyjny RNA rozpoznaje dwuniciową formę wirusowego RNA jako inną i powoduje włączenie mechanizmów niszczących komórki. Mechanizm polega na cięciu dwuniciowego RNA, rozdzielaniu go na pojedyncze nici i niszczeniu jednoniciowych cząsteczek RNA, które są komplementarne do małych cząstek interferujacego RNA (siRNAs) .
Miejsce występowania	- komórka eukariotyczna: jądro (chromosomy), mitochondria, chloroplasty - komórka prokariotyczna: genofor; plazmidy i episomy	- komórka eukariotyczna:jądro komórkowe, jąderko, cytoplazma, rybosomy, mitochondria, chloroplasty - komórka prokariotyczna:cytoplazma, rybosomy

3

---