10. Kwasy nukleinowe
Prof.dr hab. inż. Korneliusz Miksch
Silesian University of Technology, Gliwice, Poland
Environmental Biotechnology Department
10. Kwasy nukleinowe
Prof.dr hab. inż. Korneliusz Miksch
Silesian University of Technology, Gliwice, Poland
Environmental Biotechnology Department
http://kbs.ise.polsl.pl
Environmental Biotechnology Department, SUT
Kwasy nukleinowe
Prawidłową strukturę DNA określili po raz
pierwszy w 1953 r. dwaj naukowcy, pracujący
wówczas na Uniwersytecie w Cambridge -
biochemik J. Watson i biofizyk F. Crick.
Dokonali oni tego, wykorzystując zdjecia
rentgenowskie DNA (R.Franklin).
Kwasy te są wielkocząsteczkowymi
substancjami złożonymi, dającymi po
całkowitej hydrolizie heterocykliczne zasady
azotowe, węglowodan (pentozę) i kwas
fosforowy.
http://kbs.ise.polsl.pl
Environmental Biotechnology Department, SUT
Kwasy nukleinowe
Kwasy nukleinowe kontrolują dziedziczność na
poziomie
cząsteczkowym.
Dla
zrozumienia
istoty
dziedziczenia należy
odpowiedzieć na następujące pytania:
1. Jaka podstawowa informacja musi znajdować
się w
genach (aby organizm potomny dziedziczył
cechy organizmu rodzicielskiego) ?
2. W jaki sposób informacja ta jest zapisana ?
3. W jaki sposób jest ona przekazywana ?
4. Jak jest ona odczytywana/realizowana?
5. Jaki mechanizm zapewnia logikę odczytu tej
informacji?
http://kbs.ise.polsl.pl
Environmental Biotechnology Department, SUT
Kwasy nukleinowe
Podstawowa
informacja
genetyczna
obejmuje
zapis
budowy
białek
(enzymatycznych).
Każda
żywa
istota,
posiada swój indywidualny zapis genetyczny
zawarty w podwójnych niciach DNA jądra
komórkowego.
Ten
zapis
nazywamy
genomem. Składa się on z ok. 80 tysięcy
genów, które utworzone są z nukleotydów z
charakterystyczną dla każdego z nich
kolejnością par komplementarnych zasad
purynowych i pirymidynowych
http://kbs.ise.polsl.pl
Environmental Biotechnology Department, SUT
Kwasy nukleinowe
Kwasy nukleinowe są, podobnie jak białka,
heteropolimerami.
Podstawowym
monomerem łańcucha kwasów nukleinowych
jest połączenie:
zasada azotowa - pentoza -
reszta kwasu fosforowego
(nukleotyd)
http://kbs.ise.polsl.pl
Environmental Biotechnology Department, SUT
Kwasy nukleinowe
Szkielet kwasów nukleinowych zbudowany
jest z połączonych liniowo, za
pośrednictwem reszt kwasu fosforowego,
cząsteczek pentozy. Do każdej cząsteczki
pentozy dołączona jest zasada azotowa,
tworząc boczne odgałęzienie.
http://kbs.ise.polsl.pl
Environmental Biotechnology Department, SUT
Kwasy nukleinowe
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.
http://kbs.ise.polsl.pl
Environmental Biotechnology Department, SUT
Kwasy nukleinowe
Budowa łańcucha kwasu
dezoksyrybonukleinowego - jest to
wielkocząsteczkowy polinukleotyd; liczne nukleozydy
połączone są ze sobą za pomocą kwasu fosforowego
wiązaniami dwuestrowymi.
Podobnie jak w białkach, również i w kwasach
nukleinowych wyróżniamy strukturę pierwszorzędową i
strukturę drugorzędową
Struktura pierwszorzędowa - podaje sekwencję
nukleotydów w łańcuchu. Podaje się ją używając
pierwszych liter występujących w nukleotydach zasad.
Przykładowo, fragment w którym występują kolejno
nukleotydy zawierające: adeninę, tyminę, guaninę,
cytozynę i tyminę, można zapisać jako ATGCT
http://kbs.ise.polsl.pl
Environmental Biotechnology Department, SUT
Kwasy nukleinowe
http://kbs.ise.polsl.pl
Environmental Biotechnology Department, SUT
Kwasy nukleinowe
Struktura drugorzędowa określa przestrzenne
ukształtowanie cząsteczki.
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
http://kbs.ise.polsl.pl
Environmental Biotechnology Department, SUT
Kwasy nukleinowe
DNA odpowiada za dziedziczenie informacji
genetycznej w taki sposób, że określona
sekwencja
zasad
w
łańcuchu
polinukleotydowym prowadzi do określonej
sekwencji reszt aminokwasowych w łańcuchu
polipeptydowym.
Sekwencja
zasad
w
cząsteczce DNA stanowi "informację", jaką
niesie ze sobą gen i która uzewnętrznia się w
wywołaniu określonej cechy. Sekwencja zasad
determinuje strukturę białek. Zachodzi to w
ten sposób, że odpowiednia grupa trzech
zasad tzw. kodon, określa odpowiednie
aminokwasy
http://kbs.ise.polsl.pl
Environmental Biotechnology Department, SUT
Kwasy nukleinowe
Pierwsz
a
zasada
Druga zasada
Trzecia
zasada
U
C
A
G
U
Fen
Fen
Leu
Leu
Ser
Ser
Ser
Ser
Tyr
Tyr
Stop
Stop
Cys
Cys
Stop
Try
U
C
A
G
C
Leu
Leu
Leu
Leu
Pro
Pro
Pro
Pro
His
His
Gln
Gln
Arg
Arg
Arg
Arg
U
C
A
G
A
Ileu
Ileu
Ileu
Met
Tre
Tre
Tre
Tre
Asn
Asn
Liz
Liz
Ser
Ser
Arg
Arg
U
C
A
G
G
Wal
Wal
Wal
Wal
Ala
Ala
Ala
Ala
Asp
Asp
Glu
Glu
Gli
Gli
Gli
Gli
U
C
A
G
http://kbs.ise.polsl.pl
Environmental Biotechnology Department, SUT
Kwasy nukleinowe
Podwójna helisa DNA jest zbiorem zakodowanych
informacji genetycznych organizmu. Informacja ta jest
"przechowywana" w sekwencji zasad w łańcuchu
polinukleotydowym, przy czym wiadomości są
"zapisywane" w języku, który ma tylko cztery litery: A,
G, T, C (odpowiednio adenina, guanina, tymina i
cytozyna). DNA musi zatem zarówno przechowywać
informację, jak i ją wykorzystywać. Funkcje te może
spełniać dzięki swoim dwóm właściwościom;
•cząsteczki DNA mogą się powielać (replikacja), tzn.
mogą powodować syntezę innych cząsteczek DNA
identycznych z cząsteczkami wyjściowymi
•cząsteczki DNA mogą dokładnie i w sposób
specyficzny kierować syntezą białek
charakterystycznych dla określonego organizmu.
http://kbs.ise.polsl.pl
Environmental Biotechnology Department, SUT
Kwasy nukleinowe
Komórki zawierają trzy podstawowe rodzaje
RNA:
•informacyjny RNA (tzw. mRNA z angielskiego
messenger RNA)
•przenośnikowy RNA (tzw. tRNA z
angielskiego transfer RNA)
•rybosomalny RNA (tzw. rRNA z angielskiego
ribosomal RNA)
Nazwy te wskazują na różne funkcje
odpowiednich kwasów nukleinowych.
http://kbs.ise.polsl.pl
Environmental Biotechnology Department, SUT
Kwasy nukleinowe
Z chemicznego punktu widzenia 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.
http://kbs.ise.polsl.pl
Environmental Biotechnology Department, SUT
Kwasy nukleinowe
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.
DNA służy jako matryca, na której powstaje cząsteczka
RNA, która jest nośnikiem informacji z jądra do
cytoplazmy. W związku z tym nosi on nazwę
informacyjnego
RNA
(
w
skrócie
mRNA).
Informacyjny RNA (mRNA) powstaje, gdy podwójny
heliks DNA jest częściowo rozwiniety. Wtedy dookoła
pojedyńczych nici DNA tworzą się łańcuchy RNA. W
tym sensie proces ten przypomina samopowielanie
DNA (replikacja) z tą różnicą, że nowy łańcuch zawiera
rybozę zamiast deoksyrybozy (ten proces nazywa się
transkrypcją).
http://kbs.ise.polsl.pl
Environmental Biotechnology Department, SUT
Kwasy nukleinowe
Sekwencja zasad w łańcuchu RNA różni się
od ich sekwencji w matrycy DNA, lecz jest
przez nią ściśle określona:
Zawsze naprzeciw adeniny w
cząsteczce DNA pojawia się uracyl w
cząsteczce RNA, naprzeciw guaninu -
cytozyna, tyminy - adenina i naprzeciw
cytozyny - guanina.
W ten sposób sekwencja AATCAGTT w DNA
determinuje sekwencję UUAGUCAA w RNA.
http://kbs.ise.polsl.pl
Environmental Biotechnology Department, SUT
Kwasy nukleinowe
Zsyntetyzowany na matrycy DNA mRNA w cytoplazmie
łączy się w swoiste kompleksy z rybosomami. Kompleksy
te noszą nazwę polisomów.
http://kbs.ise.polsl.pl
Environmental Biotechnology Department, SUT
Kwasy nukleinowe
Na rybosomie mRNA przyłącza się odpowiednią
liczbę cząsteczek tRNA, z których każda jest
połączona
z
określonym
aminokwasem.
Kolejność, w jakiej przyłączane są cząsteczki
tRNA - tzn. sekwencja, w jakiej aminokwasy są
wbudowywane w łańcuch białkowy - zależy od
sekwencji zasad w łańcuchu mRNA. Ten proces
biosyntezy białka zachodzący na rybosomach, z
wykorzystaniem
informacji
genetycznej
zawartej w mRNA, nazywa się translacją.
http://kbs.ise.polsl.pl
Environmental Biotechnology Department, SUT
Kwasy nukleinowe
http://kbs.ise.polsl.pl
Environmental Biotechnology Department, SUT
Kwasy nukleinowe
Tworzenie
łańcucha
peptydowego,
przebiegające zgodnie ze schematem na
rysunku wyżej, wymaga udziału dwóch
białek: transferazy peptydowej, biorącej
udział w tworzeniu wiązania peptydowego, i
czynnika
przemieszczającego
(translokazy),
który
cząsteczkę
mRNA
przesuwa o jeden kodon.
http://kbs.ise.polsl.pl
Environmental Biotechnology Department, SUT
Kwasy nukleinowe
Struktura
cząsteczek
kwasu
nukleinowego określa jednoznacznie
strukturę
cząsteczek
białka
(enzymów), a ta określa w jaki sposób
będą
one
kontrolowały
procesy
życiowe.
Wymaga
to
jednak
precyzyjnej
logicznej
regulacji
i
integracji poszczególnych procesów
biochemicznych.