background image

 

Badanie składników kwasów nukleinowych 

Cel ćwiczenia 

Ćwiczenie ma na celu poznanie niektórych reakcji barwnych charakterystycznych dla 

kwasów nukleinowych. Nukleotydy budujące kwasy nukleinowe zbudowane są z: pentozy – 
deoksyrybozy  lub  rybozy,  zasady  azotowej  purynowej:  guaniny  i  cytozyny  lub 
pirymidynowej:  adeniny,  tyminy  i  uracylu.  Trzecim  elementem  wchodzącym  w  skład 
nukleotydu  jest  reszta  kwasu  ortofosforanowego.  Na  ćwiczeniu  zostaną  wykonane  reakcje 
pozwalające na wykrycie: rybozy (reakcja Biala), deoksyrybozy (reakcja Dischego), tyminy i 
reszty kwasu ortofosforowego. 

Wprowadzenie 

Kwasy nukleinowe są obok białek podstawowymi składnikami komórek zwierzęcych, 

roślinnych  i  drobnoustrojów.  Występują  one  w  jądrze  komórkowym,  chloroplastach, 
mitochondriach,  jak  i  w  cytoplazmie.  Wśród  związków  tych  wyróżnia  się:  kwas 
deoksyrybonukleinowy  (DNA),  który  stanowi  informację  genetyczną  we  wszystkich 
organizmach  żywych  (wyjątek  wirusy  RNA)  oraz  kwasy  rybonukleinowe  (RNA),  które 
realizują informację genetyczną, uczestniczą między innymi w biosyntezie białka.  

Kwasy  nukleinowe  są  biopolimerami  składającymi  się  z  monomerów,  zwanych 

nukleotydami.  Nukleotyd,  składa  się  z:  cząsteczki  cukru  –  pentozy,  zasady  azotowej,  oraz 
reszty kwasu fosforowego.  

Cukier wchodzący w skład nukleotydu to: rybozy (β-D-ryboza), charakterystyczna dla 

nukleotydów  budujących  kwasy  rybonukleotydowe  (RNA)  lub  deoksyryboza  (2-deoksy-D-
ryboza)  występująca  w  cząsteczkach  DNA.  Obie  cząsteczki  cukru  występują  w  formie 
hemiacetalowego  pierścienia.  Deoksyryboza  różni  się  od  rybozy  tylko  brakiem  grupy 
hydroksylowej przy drugim atomie węgla w pierścieniu (rys 1). 

 

ryboza   

2-deoksy-ryboza 

Rys 1. Wzory cukrów występujących w kwasach nukleinowych.

 

 
Zasady  azotowe  występujące  w  kwasach  nukleinowych  są  związkami  organicznymi, 

heterocyklicznymi o charakterze aromatycznym. Zasady te to pochodne purynowe: adenina i 
guanina  lub  pirymidynowe:  cytozyna,  tymina  i  uracyl.  Zarówno  w  DNA,  jak  i  RNA 
występują  zasady  purynowe  –  adenina  (6-aminopuryna)  i  guanina  (2-amino-6-
hydroksypuryna) oraz pochodna pirymidynowa – cytozyna (2-hydroksy-4-aminopirymidyna). 
Poza tym w RNA występuje pochodna pirymidynowa – uracyl (2,4-dihydroksypirymidyna), 
a  w  DNA  pochodna  pirymidynowa  –  tymina  (2,4-dihydroksy-5-metylopirymidyna).  Wzory 
tych  zasad  są  podane  na  rysunku  2.  Zasada  azotowa  połączona  z  pentozą  wiązaniem  N-
glikozydowym
  tworzy  nukleozyd.  Wyróżniamy  następujące  nukleozydy:  adenozyna, 
guanozyna, cytydyna, tymidyna i urydyna. 

background image

 

 

Rys 2. Wzory zasad azotowych występujących w kwasach nukleinowych.

 

 

Nukleotydy należą do grupy estrów fosforanowych. Są to estry nukleozydów i kwasu 

ortofosforowego.  Typowym  miejscem  estryfikacji  jest  grupa  hydroksylowa  przy  atomie 
węgla  C-5  pentozy.  Ze  względu  na  rodzaj  pentozy  wyróżniamy  dwa  typy  nukleotydów: 
rybonukleotydy  zawierają  rybozę,  a  deoksyrybonukleotydy  -  deoksyrybozę.  Natomiast  w 
zależności  od  rodzaju  zasady  azotowej  istnieje  5  typów  nukleotydów:  adenozyno-5'-
monofosforan, 

guanozyno-5'-monofosforan, 

cytydyno-5'-monofosforan, 

tymidyno-5'-

monofosforan, urydyno-5'monofosforan. Na rysunku 3 pokazano przykładowe nukleotydy.  

 

 

Rys 3. Wzory nukleotydów występujących w kwasach nukleinowych. 

 
Sąsiednie  nukleotydy  w  łańcuchach  kwasów  nukleinowych  połączone  są  ze  sobą 

wiązaniem 3’5’fosfodiestrowym. Jest to kowalencyjne wiązanie reszt fosforanowych między 
grupą  5’-hydroksylową  jednej  rybozy  i  3’  hydroksylową  następnej.  W  wiązaniu  tym  reszta 
fosforanowa występuje w formie diestru.  

Wyróżnia  się  dwa  sposoby  badania  składników  kwasów  nukleinowych.  Pierwszy  z 

nich  wymaga  uprzedniej  hydrolizy  tych  związków  do  składników  podstawowych,  tj.  do 
kwasu  fosforowego,  pentozy  oraz  zasady  azotowej.  Hydrolizę  przeprowadza  się  chemicznie 
lub  enzymatycznie.  Degradacja  chemiczna  zachodzi  pod  wpływem  kwasów  i  zasad.  DNA  i 
oligodeoksyrybonukleotydy  ulegają  degradacji  tylko  w  środowisku  kwaśnym,  RNA  i 
oligorybonukleotydy  ulegają  degradacji  zarówno  w  środowisku  kwaśnym  i  zasadowym.  W 
przypadku  środowiska  alkalicznego,  hydrolizie  ulega  jedynie  wiązanie  3’,5’-fosfodiestrowe 
między fosforanem a pozycją 5’ cukru. Ponieważ hydroliza ta wymaga wytworzenia wiązania 
estrowego  między  fosforanem  a  grupą  OH  w  pozycji  2’  cukru,  ulega  jej  tylko  RNA  i 
oligorybonukleotydy.  Chemicznie  najczęściej  wykonuje  się  hydrolizę  traktując  kwasy 
nukleinowe  mocnymi  kwasami  mineralnymi  np.  12  molowym  kwasem  nadchlorowym  w 
temp. 100°C przez 1 godzinę. 

Całkowitą hydrolizę można też przeprowadzić stosując specyficzne enzymy. Nukleazy 

hydrolizują  wiązanie  3’5’-fosfodiestrowe  uwalniając  pojedyncze  nukleotydy,  natomiast 
glikozydazy hydrolizują wiązania N-glikozydowe, prowadząc do odłączenia zasad azotowych 

background image

 

od  szkieletu  cukrowo-fosforanowego.  Fosforan  może  być  uwolniony  od  reszty  cukru  przez 
fosfatazy, które hydrolizują wiązania estrowe. 

Reakcje  barwne,  charakterystycznych  dla  hydrolizowanych  preparatów  kwasów 

nukleinowych to reakcja na obecność: fosforanów oraz tyminy.  

Drugi  sposób  badania  składników  kwasów  nukleinowych  związany  jest  z 

wywoływaniem  reakcji  barwnych  w  preparatach  niehydrolizowanych.  Niehydrolizowany 
preparat  kwasów  nukleinowych  wykazuje  reakcję  na  obecność  pentozy,  tzw.  reakcję  Biala 
oraz reakcję na obecność deoksyrybozy tzw. reakcja Dischego.  

Odczynniki 

Preparat kwasów  nukleinowych  wykorzystany  w  tym  ćwiczeniu został  wyizolowany z grasicy cielęcej  metodą 
Marmura  
Do wykonania reakcji charakterystycznych niezbędne są następujące odczynniki: 
1. Roztwór kwasów nukleinowych 
2. 0,1-molowy wodorotlenek sodowy. 
3. 60% kwas nadchlorowy. 
4. Odczynnik Biala  
5. 1% roztwór difenyloaminy: 1 g difenyloaminy rozpuścić w 100 ml kwasu octowego lodowatego i dodać 2,75 
ml stężonego kwasu siarkowego. 
6.  Roztwór  molibdenianu  amonowego:  10  g  molibdenianu  sodowego  rozpuścić  w  mieszaninie:  14,4  ml  25% 
roztworu  amoniaku  i  27,1  ml  wody;  otrzymany  roztwór  wlać  powoli  (mieszając)  do  mieszaniny:  48,9  ml 
stężonego kwasu azotowego i 114,8 ml wody. 
7. 5-molowy wodorotlenek sodowy. 
8. 1,1% roztwór węglanu sodowego. 
9.  Odczynnik  diazowy:  roztwór  a  –  4,5  g  kwasu  sulfanilowego  rozpuścić  w  45  ml  stężonego  kwasu  solnego  i 
rozcieńczyć do 500 ml wodą, roztwór b – 23 g azotynu sodowego rozpuścić w 500 ml wody; do 15 ml roztworu 
a dodać 15 ml roztworu b, wlać do kolby miarowej na 500 ml i schłodzić w ciągu 5 minut w wodzie z lodem; po 
tym czasie dodać 60 ml roztworu b i trzymać w łaźni z lodem przez 5 min, po czym uzupełnić do kreski wodą; 
odczynnik nadaje się do użycia w ciągu 24 godz. od momentu przygotowania. 
10. 3-molowy wodorotlenek sodowy. 
11. 20%. roztwór hydroksyloaminy. 
12. 96%. alkohol etylowy. 

Wykonanie 

Wszystkie  barwne  reakcje  studenci  wykonują  indywidualnie,  natomiast  wytrącanie 

kwasów nukleinowych z roztworu wodnego oraz ich hydrolizę w grupach czteroosobowych. 
 
1. Wytr
ącanie kwasów nukleinowych z roztworu wodnego.  
Do  cylindra  o  objętości  100  ml  zawierającego  20  ml  wodnego  roztworu  kwasów 
nukleinowych  (1)  wlać  po  bagietce  40  ml  alkoholu  etylowego  (12).  Wytrącony  w  tych 
warunkach  osad  kwasów  nukleinowych  nawinąć  na  bagietkę,  nadmiar  alkoholu  usunąć, 
przyciskając bagietkę z nawiniętą osadem do ścianki cylindra. Delikatnie obracając bagietkę 
rozpuścić preparat kwasów nukleinowych w 3 ml 0,1-molowego wodorotlenku sodowego (2). 
Tak  otrzymany  preparat  kwasów  nukleinowych  podzielić  na  dwie  części.  Do  szklanej 
probówki  odpipetować  2  ml  w  celu  przeprowadzenia  hydrolizy  kwasów  nukleinowych.  Do 
pozostałego  w  probówce  1  ml  roztworu  dodać  8  ml  0,1-molowego  wodorotlenku  sodowego 
(2) w celu przygotowania roztworu do przeprowadzenia reakcji Biala na wykrywanie pentoz i 
reakcji Dischego na obecność deoksyrybozy. 
2. Hydroliza kwasów nukleinowych. 
Hydroliza  kwasów  nukleinowych  zostanie  przeprowadzona  w  środowisku  kwaśnym.  W 
takich  warunkach  w  pierwszej  kolejności  hydrolizie  ulega  wiązanie  N-glikozydowe  miedzy 
puryną  a  pentozą.  Uwalniane  są  wolne  puryny  i  tzw.  kwas  apurynowy.  Dalsza  hydroliza 
prowadzi do rozpadu wiązania estrowego między pentozą a resztą kwasu ortofosforowego w 
efekcie,  czego  uwalniany  jest  cukier  i  fosforan.  Następnie  hydrolizie  ulegają  wiązania 

background image

 

fosfodiestrowe  między  nukleotydami  zawierającymi  zasady  pirymidynowe.  Pełna  hydroliza 
prowadzi  do  rozpadu  wiązania  N-glikozydowego  miedzy  zasadami  pirymidynowymi  a 
pentozą i wiązania estrowego między tym cukrem a fosforanem. 
Do  probówki  zawierającej  2  ml  roztworu  kwasu  nukleinowego  w  0,1-molowym 
wodorotlenku  sodowym  dodać  2  ml  kwasu  nadchlorowego  (3)  (hydrolizat).  Do  drugiej, 
równoległej  probówki  odpipetować  2  ml  0,1-molowego  wodorotlenku  sodowego  (2)  i  2  ml 
kwasu nadchlorowego (3) (próba kontrolna). Zawartość obu probówek dokładnie wymieszać. 
Następnie  obie  probówki  inkubować  we  wrzącej  łaźni  wodnej  przez  godzinę,  do  probówek 
włożyć  chłodniczki,  która  zapobiegają  parowaniu  zawartości  probówek.  Po  zakończonej 
hydrolizie  do  jednej  probówki  odpipetować  2  ml  hydrolizatu,  a  do  drugiej  probówki  2  ml 
roztworu próby kontrolnej, obie próby zobojętnić dodając 1,5 ml 5 molowego wodorotlenku 
sodowego (7). Zobojętniony roztwór powinien wykazywać pH 7–8. Otrzymane zobojętnione 
roztwory  wykorzystać  do  wykonywania  reakcji  na  obecność  tyminy.  Do  pozostałych 
niezobojętnionych 2 ml hydrolizatu i 2 ml próby kontrolnej dodać po 4 ml wody; otrzymane 
zhydrolizowane,  kwaśne  roztwory  wykorzystać  do  wykonania  reakcji  na  obecność  kwasu 
ortofosforowego. 
3. Reakcje wykonywane na preparacie DNA niehydrolizowanym. 
3a. Reakcja na wykrywanie rybozy – reakcja Biala.  
W  reakcji  Biala  pentozy  występujące  w  nukleotydach  purynowych  (lecz  nie 
pirymidynowych)  podczas  ogrzewania  z  odczynnikiem  Biala  przekształcają  się  w  furfural. 
Powstały  furfural  tworzy  z  orcyną  w  obecności  jonów  Fe

3+

  kompleks  o  trwałej  barwie 

zielonej. W tych warunkach deoksyryboza reaguje 10-krotnie słabiej od rybozy.  
 

 

Rys 4. Reakcja Biala 

 
Do dwóch probówek odpipetować po 5 ml odczynnika  Biala (4) i wstawić do wrzącej łaźni 
wodnej na 5 min. Następnie do jednej probówki odpipetować 1 ml rozcieńczonego preparatu 
kwasów nukleinowych (próba pełna), do drugiej probówki odpipetować 1 ml 0,1-molowego 
wodorotlenku  sodowego  (2)  (próba  kontrolna).  Zawartość  obu  probówek  dokładnie 
wymieszać i wstawić do wrzącej łaźni wodnej na 15 minut. 
3b. Reakcja na wykrywanie deoksyrybozy – reakcja Dischego. 
Reakcja  Dischego  pozwala  odróżnić  dwa  typy  kwasów  nukleinowych  (DNA  i  RNA).  W 
środowisku  kwaśnym  deoksyryboza  (wolna  lub  w  nukleotydach  purynowych)  tworzy  z 
difenyloaminą  produkt  kondensacji  o  barwie  niebieskiej.  Ta  barwna  reakcja  jest 
konsekwencją  powstania  aldehydu  hydroksylewulinowego  z  deoksyrybozy  pod  wpływem 
działania  kwasu  siarkowego  i  octowego.  Deoksyryboza  związana  z  zasadami 
pirymidynowymi i ryboza nie dają tego odczynu. 

 

background image

 

 

 

Rys 5. Reakcja Dischego. 

 

Do  jednej  probówki  odpipetować  1  ml  rozcieńczonego  preparatu  kwasów  nukleinowych 
(próba  pełna),  do  drugiej  probówki  1  ml  0,1-molowego  wodorotlenku  sodowego  (2)  (próba 
kontrolna).  Następnie  do  obu  probówek  odpipetować  po  2  ml  roztworu  difenyloaminy  (5), 
dokładnie wymieszać i wstawić do wrzącej łaźni wodnej na 5 min. 
4. Reakcje wykonywane na preparacie DNA hydrolizowanym. 
4a. Reakcja na wykrywanie tyminy. 
Reakcja na obecność tyminy, odróżniająca oba  typy kwasów nukleinowych (DNA i RNA), 
polega na wytworzeniu przez tę zasadę z diazową pochodną kwasu sulfanilowego kompleksu 
o  barwie  czerwonobrunatnej;  a  dodatek  hydroksyloaminy,  w  środowisku  zasadowym 
wzmacnia barwę kompleksu. 
Do  dwóch  probówek  odpipetować  po  2,5  ml  roztworu  węglanu  sodowego  (8)  i  po  1  ml 
odczynnika  diazowego  (9),  zawartość  obu  probówek  dokładnie  wymieszać.  Następnie  do 
jednej  z  tych  probówek  dodać  0,5  ml  zobojętnionego  hydrolizatu  kwasów  nukleinowych 
(próba pełna), a do drugiej 0,5 ml zobojętnionego roztworu próby kontrolnej, zawartość obu 
probówek  dokładnie  wymieszać.  Po  5  minutach  inkubacji  temperaturze  pokojowej  do  obu 
probówek  dodać  po  1  ml  3-molowego  wodorotlenku  sodowego  (10)  i  2-3  krople 
hydroksyloaminy  (11),  zawartość  obu  probówek  dokładnie  wymieszać  i  po  5  min 
obserwować intensywność zabarwienia roztworu. 
4b. Reakcja na wykrywanie kwasu fosforowego 
Reakcja na obecność fosforanów polega na łączeniu się molibdenianu amonowego z jonem 
fosforanowym,  w  wyniku,  czego  powstaje  nierozpuszczalny  fosfomolibdenian  amonu,  żółto 
zabarwiony osad. 
Do  jednej  probówki  odmierzyć  1  ml  kwaśnego  hydrolizatu  kwasów  nukleinowych,  a  do 
drugiej 1 ml kwaśnego roztworu próby kontrolnej. Następnie do obu probówek dodać po 2 ml 
roztworu molidbenianu amonowego (6), zawartość obu probówek dokładnie wymieszać.  

Opracowanie wyników 

W  sprawozdaniu  należy  podać  otrzymane  zabarwienie  po  przeprowadzeniu  poszczególnych 
reakcji.  Opisać  zasady  metod  wykorzystywanych  w  tych  reakcjach.  Wyjaśnić  celowość 
wykonywania prób kontrolnych. 
 
Pytania 

1.

  Napisać  i  podać  wzory  zasad  purynowych  i  pirymidynowych.  Podać  ich  nazwy 

systematyczne. 

2.

  Co to jest nukleozyd, a co nukleotyd? Jakie typy wiązań w nich występują? Nazwać i 

przedstawić wzory nukleozydu i nukleotydu, zawierających odpowiednio β-D-rybozę 
i 2-deoksy-D-rybozę. 

background image

 

3.

  Z  jakich  jednostek  strukturalnych  zbudowany  jest  kwas  deoksyrybonukleinowy,  a  z 

jakich 

kwas 

rybonukleinowy? 

Przedstawić 

fragmenty 

wzorów 

struktury 

pierwszorzędowej obu kwasów. 

4.

  Co  to  jest  hydroliza  kwasów  nukleinowych  i  w  jaki  sposób  była  wykonana  na 

ćwiczeniach? 

5.

  Jakie składniki uwalniają się w wyniku całkowitej hydrolizy DNA i RNA? 

6.

  Jakie  reakcje  charakterystyczne  są  wspólne  dla  DNA  i  RNA,  a  jakie  pozwalają 

odróżnić te związki?