KWASY NUKLEINOWE, BUDOWA CHEMICZNA, STRUKTURA, FORMY DNA, REPLIKACJA

Kwasy nukleinowe - wywodzą swoją nazwę od łacińskiej nazwy jądra komórko­wego - nucleus, gdzie po raz pierwszy stwierdzono ich obecność. W 1869 roku został odkryty przez Mieschera kwas deoksyrybonukleinowy (DNA) w plemnikach łososia. Ogromny postęp badań nad kwasami nukleinowymi datuje się dopiero od połowy XX wieku a w roku 1953 dwaj uczeni J. Watson oraz F. Crick rozszyfrowali budowę DNA, która okazała się być uniwersalna w każdej jego cząsteczce.

Kwasy nukleinowe są bardzo specyficzną grupą organicznych związków chemicznych ze względu na swoje znaczenie biologiczne. Poza chemizmem i fizycznością substancji przy omawianiu tych związków należy zawsze pamiętać o ich znaczeniu w zachowaniu ciągłości życia na Ziemi i ewolucyjnego rozwoju wszystkich organizmów na świecie. Stanowią niejako matrycę, nośnik danych, na którym zapisane są wszystkie informacje o budowie, metabolizmie i funkcjach życiowych organizmów, ich przynależności dodanego garnku, rodziny, a nawet królestwa. Stanowią niejako kod kreskowy każdego jednego organizmu a nawet określają niektóre cechy behawioralne organizmu (jego zachowanie).

Kwasy nukleinowe są polimerami (podobnie jak białka i cukry) składającymi się tylko z czterech typów monomerów (np. białka mają 20 typów monomerów). Monomery te nazywają się nukleotydami( są czymś w rodzaju podstawowych cegiełek budujących wszystkie kwasy nukleinowe ) , nieco różnią się schematem budowy w zależności od typu kwasu nukleinowego. W typowej komórce występują dwa typy kwasów nukleinowych, czyli polinukleotydów DNA (kwas dezoksyrybonukleinowy lub czasem deoksyrybonukleinowy) oraz RNA (kwas rybonukleinowy).

Ze względu na budowę chemiczną, ale również i pełnione funkcje wyróżnia się następujące typy kwasów nukleinowych:

1.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 zródłem informacji genetycznej w komórce.

• DNA jądrowe

• Chromatyna

• Chromatydy

• Chromosomy

• DNA pozajądrowe

2.RNA występuje w jądrze (głównie na terenie jąderka) oraz cytoplazmie. RNA w komórce służy do wykorzystania informacji zawartych w DNA dla biosyntezy białka ( w procesie tym, oprócz RNA biorą udział liczne enzymy białkowe).

• mRNA - matrycowe (informacyjne) RNA

• tRNA - transportowe RNA

• rRNA - RNA rybosomalne

• RNA będące elementem funkcjonalnym i strukturalnym enzymów

Kwasy nukleinowe pod względem chemicznym są polinukleotydami; cząsteczki kwasów nukleinowych mają budowę łańcuchową i składają się z wielu setek podobnych, lecz nieidentycznych, jednostek budulcowych, zwanych nukleotydami. Każdy nukleotyd jest zbudowany z trzech składników :

1. Elementu cukrowego - w przypadku DNA jest to pentoza, a ściślej cząsteczka dezoksyrybozy

2. Zasady azotowej - pierścieniowego związku organicznego, który w węglowym szkielecie ma wbudowane atomy azotu

1. Z grupy dwupierścieniowych puryn

•adeina

•guanina

2. z grupy jednopierścieniowych pirymidyn

• cytozyna

• tymina

3. Reszty fosforanowej

W każdym DNA całkowita ilość puryn jest w przybliżeniu równa całkowitej ilości pirymidyn (A + G = T + C).

Kwasy nukleinowe występują w postaci jedno- lub dwuniciowych makrocząsteczek. Zarówno jedno- jak i dwuniciowe cząsteczki charakteryzują się wieloma wspólnymi cechami. Nić łańcucha polinukleotydowego to liniowy układ nukleozydów, połączonych ze sobą wiązaniami fosfodiestowymi pomiędzy 5' a 3' atomami węgla sąsiadujących reszt cukrowych.

Kolejność (sekwencja) ułożenia zasad azotowych w łańcuchu kwasu nukleinowego determinuje strukturę pierwszorzędową. Dalsze struktury (drugo- i trzeciorzędowe) określają kształt przestrzenny makrocząsteczki.

Najważniejszym czynnikiem stabilizującym strukturę drugorzędową jest komplementarność zasad, czyli ich zdolność łączenia się w pary. Pary zasad są to takie kompleksy, w których zasada purynowa z jednego łańcucha cząsteczki łączy się z pirymidynową , z drugiego łańcucha, za pośrednictwem wiązań wodorowych , Adenina łączy się z tyminą lub uracylem za pomocą dwóch wiązań wodorowych , guanina zaś z cytozyną za pomocą trzech. Odpowiadające wzajemnie zasady azotowe nazywa się komplementarnymi. W dwuniciowej cząsteczce pierścienie par zasad azotowych leżą zasadniczo w jednej płaszczyźnie.

Struktura trzeciorzędowa kwasów nukleinowych występuje w przypadku fałdowania się dwuniciowych odcinków cząsteczki. Może tworzyć struktury, które odgrywają ważną rolę w procesie regulacji ekspresji informacji genetycznej. Np.: struktura "szpilki do włosów" -  terminacja transkrypcji.

DNA - w związku z tym , że posiada cztery rodzaje zasad: dwie puryny: adeninę i guaninę oraz dwie pirymidyny: tyminę i cytozynę. wyróżniamy cztery rodzaje nukleotydów budujących DNA: nukleotyd adeninowy, cytozynowy, guaninowy oraz tyminowy.

- Cząsteczka DNA zbudowana jest z dwóch długich powiązanych bezpośrednio łańcuchów polinukleotydowych, układających się względem siebie w przeciwnych kierunkach (biegną równolegle, ale są przeciwnie zorientowane) i stanowiących komplementarne kopie, ponieważ zasada należąca do jednego łańcucha może łączyć się w parę tylko ze ściśle określoną zasadą z drugiego łańcucha (zawsze adenina z tyminą, a cytozyna z guaniną). Jest to zasada komplementarności zasad azotowych.

• DNA syntetyzowany jest w jądrze komórkowym w procesie replikacji

• Fragment DNA zawierający zakodowaną informację o budowie jednego białka, a dokładnie polipeptydu, nazywa się genem.

2. Formy DNA

J. Watson i F. Crick (1953 r.) opisali budowę najczęściej występującej w przyrodzie postaci DNA - tzw. "helisa B-DNA". Opisano dotychczas 6 postaci cząsteczek DNA (A - E oraz Z), lecz większość z nich odkryto tylko w warunkach doświadczalnych. Cząsteczki te odróżnia: średnica heliksu, liczba par zasad przypadających na każdy zwój helisy, kąt pomiędzy każdą parą zasad,

a także kierunek skrętu helisy. Różnice pomiędzy przykładowymi formami DNA przedstawia poniższa tabela:

	Typy helisy
	A	B	Z
Wzrost długości helisy na parę zasad	0,23 nm	0,34 nm	0,38 nm
Średnica helisy	2,55 nm	2,37 nm	1,84 nm
Kierunek skręcenia	prawoskrętna	prawoskrętna	lewoskrętna
Typ wiązania glikozydowego	anty	anty	anty dla C, T syn dla G
Liczba par zasad na skręt helisy	11	10,4	12
Skok helisy	2,53 nm	3,54 nm	4,56 nm
Odchylenie pary zasad od położenia prostopadłego do osi helisy	19^0	1^0	9^0
Duży rowek	wąski i bardzo głęboki	szeroki i dość głęboki	płaski
Mały rowek	bardzo szeroki i płytki	wąski i dość głęboki	bardzo wąski i głęboki

Pozostałe formy (C, D, E) są prawoskrętne i występują prawdopodobnie tylko w układach doświadczalnych.

REPLIKACJA - Replikacja DNA jest procesem zapewniającym przekazywanie informacji genetycznej z komórek rodzicielskich do komórek potomnych w sposób prawie doskonały. Doskonałość ta jest uzyskiwana nie tylko dzięki precyzyjnemu mechanizmowi samej replikacji, lecz również za sprawa systemów ochronnych, zdolnych do wykrywania i naprawy błedów. Dzięki tym systemom błędy powstałe w procesie replikacji pojawiają się najwyżej raz na miliard nukleotydow.

Replikacja zachodzi tylko w fazie S cyklu komórkowego. Jest to podwojenie materiału genetycznego przed podziałem mitotycznym lub mejotycznym. Replikacja polega na rozerwaniu wiązań wodorowych między obiema niciani DNA i dobudowanie do nici macierzystych nowych na zasadzie komplementarności. U organizmów eukariotycznych replikacja jest dwukierunkowa. Replikacja podzielona jest na trzy etapy:

1. Inicjacja- . Jest to pierwszy etap replikacji, . W nici DNA jest specjalne miejsce - Origin - do którego przyłącza się białko inicjatorowe. W komrce priokariota jest tylko jedno takie miejsce. W początkowej fazie tworzy się oczko replikacyjne. W tym miejscu przyłączany jest starter(RNA)- prymaza. Proces katalizowany jest przez polimerazę DNA

2. Elongacja to dobudowywanie nowych nici na matrycy nici macierzystych. Replikacja zawsze zachodzi w kierunku 5'®3', w wyniku czego, na jednej z nich replikacja zachodzi w sposób ciągły, natomiast na drugiej w sposób nieciągły, fragmentami Okazaki. Jest to nić opóźniona. Fragmenty łączone są przez enzym- ligazę.

3. Terminacja czyli zakończenie replikacji zachodzi w miejscu zetknięcia się widełek replikacyjnych przebiegających w przeciwnym kierunku. W tym czasie zachodzi również naprawa błędów jakie zaszły podczas elongacji przez jedną z polimeraz DNA.

---