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.