KWASY NUKLEINOWE Prof. Krystyna Fabianowska-Majewska KWASY NUKLEINOWE �� biopolimery zbudowane z nukleotydów ; nukleotyd = zasada azotowa (purynowa lub pirymidynowa) + cukier (pentoza: ryboza lub deoksyryboza) + reszta kwasu fosforanowego �� dwa rodzaje kwasów nukleinowych różniących się budową, występowaniem w komórkach i funkcją biologiczną DNA i RNA; �� nośniki informacji genetycznej, pośredniczą w produkcji białek (transkrypcja i translacja); KWASY NUKLEINOWE yródło substratów dla kwasów nukleinowych: - kwasy nukleinowe (oraz potrzebne substraty) są syntetyzowane de novo w komórkach; - zasady purynowe i pirymidynowe zawarte w diecie nie są wbudowywane do kwasów nukleinowych i tkanek; - analogi puryn i pirymidyn (leki przeciwnowotworowe) mogą być wbudowane do kwasów tylko po podaniu dożylnym; - kwasy nukleinowe z pożywienia są degradowane do puryn i pirymidyn. PREKURSORY RNA I DNA pirymidyna - zasady pirymidynowe: DNA RNA cytozyna tymina uracyl 2-oksy-4-aminopirymidyna 2,4-dioksy-5-metylopirymidyna 2,4-dioksypirymidyna - zasady purynowe: puryna adenina guanina 6-aminopuryna 2-amino-6-oksypuryna WAŻNE POCHODNE ZASAD PURYNOWYCH I PIRYMIDYNOWYCH kofeina hipoksantyna ksantyna (1,3,7-trimetyloksantyna) (6-oksypuryna) (2,6-dioksypuryna) oraz: teofilina (1,3-dimetyloksantyna) teobromina (3,7-dimetyloksantyna) kwas moczowy (forma enolowa) (forma ketonowa) końcowy produkt katabolizmu (rozkładu) puryn WAŻNE POCHODNE ZASAD PURYNOWYCH I PIRYMIDYNOWYCH 5-metylocytozyna 5-hydroksymetylocytozyna PREKURSORY RNA I DNA - nukleozydy: zasada + cukier (purynowa lub pirymidynowa) (D-ryboza lub 2 -deoksyryboza) RNA DNA wiązanie � N-glikozydowe adenozyna 2 -deoksytymidyna PREKURSORY RNA I DNA adenina - nukleotydy: wiązanie � N-glikozydowe D-ryboza adenozyno-5 -monofosforan (AMP) adenozyno-5 -difosforan (ADP) c(AMP) adenozyno-5 -trifosforan (ATP) adenozyno-3 , 5 -monofosforan PREKURSORY RNA I DNA - nukleotydy: estry kwasu ortofosforowego i nukleozydów RNA UTP CTP GTP ATP PREKURSORY RNA I DNA - nukleotydy: estry kwasu ortofosforowego i nukleozydów DNA dTTP dCTP dGTP dATP ANALOGI NUKLEOZYDÓW STOSOWNE W LECZENIU INFEKCJI WIRUSOWYCH I NOWOTWORÓW HIV - AZT ddI 5FU 3 -azidotymidyna 2 ,3 -dideoksyinozyna 5-fluorouracyl oraz: ddC 2 ,3 -dideoksycytydyna ddA 2 ,3 -dideoksyadenozyna ANALOGI NUKLEOZYDÓW STOSOWNE W LECZENIU INFEKCJI WIRUSOWYCH I NOWOTWORÓW Ara-C Ara-A 2CdA cytarabina widarabina 2-chlorodeoksyadenozyna arabinozylocytozyna arabinozyloadenozyna Allopurinol BUDOWA KWASÓW NUKLEINOWYCH 1. Struktura I-rzędowa, to kolejność ułożenia nukleotydów (sekwencja); struktura ta jest stabilizowana przez wiązania fosfodiestrowe łączące kolejne cukry: rybozy (deoksyrybozy), wiązanie pomiędzy grupą 3 -OH z jednej 5 zasady z grupą 5 -OH kolejnej zasady; wiązanie fosfodiestrowe 3 BUDOWA KWASÓW NUKLEINOWYCH 2. Struktura II-rzędowa, to przestrzenne ułożenie dwóch łańcuchów polinukleotydów (w DNA), lub struktura liścia koniczyny (fragmenty dwuniciowe RNA); ż� struktura ta jest stabilizowana przez: wiązania wodorowe pomiędzy komplementarnymi A T zasadami dwa wiązania wodorowe pomiędzy i trzy wiązania pomiędzy ; G C oddziaływania typu stacking pomiędzy sąsiadującymi zasadami; KWASY NUKLEINOWE Denaturacja kwasów nukleinowych, to zniszczenie struktury II-rzędowej; czynniki denaturujące: temperatura; obniżenie pH roztworu; niska siła jonowa; Miarą denaturacji jest tzw. temperatura topnienia DNA, czyli temperatura przy której zostaje zniszczona struktura II-rzędowa (czyli dochodzi do zerwania wiązań wodorowych pomiędzy komplementarnymi zasadami). Niższa temperatura topnienia dla DNA z przewagą par A T; Wyższa temperatura topnienia dla DNA z przewagą par G C. Miarą może być także absorbancja wyższa dla zdenaturowanego DNA. Dwuniciowy DNA ma niższą absorbancje o ok. 40 % - efekt hiperchromowy przy denaturacji. KWASY NUKLEINOWE Hybrydyzacja, to termiczne rozdzielenie nici DNA na dwa pasma. Po oziębieniu może dojść do: - renaturacji, czyli odtworzenia nici podwójnej, - połączenia (wiązaniami wodorowymi) z innym pasmem DNA lub RNA. Hybryd DNA RNA jest niewrażliwy na działanie RN-az (enzymów trawiących cząsteczki RNA. BUDOWA DNA �� Liniowy nierozgałęziony polimer, zbudowany z podjednostek nukleotydowych: nukleotyd w DNA = zasada (purynowa: A i G, pirymidynowa: C i T) + cukier (pentoza - deoksyryboza) + reszta fosforanowa; �� Zazwyczaj cząsteczka DNA składa się z dwóch komplementarnych przeciwbieżnych łańcuchów uformowanych w podwójną, prawoskrętną helisę; �� James Watson i Francis Crick w 1953 przedstawili model podwójnej helisy DNA (został on ustalony na podstawie zdjęć krystalografii rentgenowskiej wykonanych przez Rosalind Franklin oraz Maurice'a Wilkinsa). Za odkrycie struktury DNA Watson, Crick i Wilkins otrzymali w 1962 Nagrodę Nobla (Rosalind Franklin zmarła na raka w 1958). STRUKTURA DNA STRUKTURA RÓŻNYCH FORM dsDNA B-DNA A-DNA Z-DNA CECHY RÓŻNYCH FORM PODWÓJNEJ HELISY DNA Konformacja Cecha B-DNA A-DNA Z-DNA Typ helisy prawoskrętna prawoskrętna lewoskrętna Średnica helisy 2,37 nm 2,55 nm 1,84 nm Skok helisy 3,4 nm 3,2 nm 4,5 nm Liczba zasad na 10 11 12 skręt Większy rowek szeroki, głęboki wąski, głęboki płaski Mniejszy rowek wąski, płytki szeroki, płytki wąski, głęboki BUDOWA RNA �� Liniowy nierozgałęziony polimer, zbudowany z podjednostek nukleotydowych: nukleotyd w RNA = zasada (purynowa: A i G, pirymidynowa: C i U) + cukier (pentoza - ryboza) + reszta fosforanowa; �� RNA jest zazwyczaj jednoniciowy (postać dwuniciowa, występuje głównie jako materiał genetyczny niektórych wirusów). Jednak w wypadku cząsteczek jednoniciowych, niekiedy dochodzi do parowania różnych odcinków tej samej nici - tworzenie fragmentów dwuniciowych decyduje to o strukturze całej cząsteczki. �� W komórce występuje wiele rodzajów kwasów rybonukleinowych różniących się pełnioną funkcją, masą cząsteczkową i strukturą, m.in.: RODZAJE RNA �� informacyjne zwane matrycowym mRNA; - heterogenne jądrowe (hnRNA) m. cz. > 107 - głównie produkty transkrypcji DNA i przetwarzania surowego transkryptu do mRNA; - cytoplazmatyczne (mRNA) m. cz. < 106; �� rybosomalne rRNA; �� transferowe, przenośnikowe tRNA; mRNA �� koniec 5 mRNA, zakończony czapeczką , trifosforan 7-metyloguanozyny przyłączony do 2 -O-metylorybonukleozydu, a konkretnie do jego grupy 5 -hydroksylowej przez reszty fosforanowe. Translacja mRNA na białko rozpoczyna się od końca 5 . �� koniec 3 mRNA, hydroksylowy z dołączonym polimerem zbudowanym z 200 250 nukleotydów adenylowych tzw. ogon poli (A). �� synteza mRNA to TRANSKRYPCJA w procesie tym syntetyzowana jest kopia nici bezsensownej DNA, komplementarnej do nici sensownej. Zsyntetyzowana cząsteczka mRNA zawiera informację zawartą w genie (DNA) niezbędną do syntezy białka. �� proces syntezy białka w oparciu o mRNA to TRANSLACJA. mRNA Struktura dojrzałego eukariotycznego mRNA: czapeczka na 5'-końcu(CAP), 5'-obszaru nieulegający translacji (5'UTR), sekwencja kodująca (CDS), 3'-obszar nieulegający translacji (3'UTR) ogon poli-A rRNA �� cytoplazmatyczna nukleoproteina fabryka syntezy białka na matrycach mRNA. tRNA �� transferowy RNA (~75 nukleotydów); �� cząsteczki tRNA biorą bezpośredni udział w procesie syntezy białka TRANSLACJI dostarczając kolejne aminokwasy; �� każda komórka posiada przynajmniej 20 rodzajów cząsteczek tRNA, odpowiadających 20 aminokwasom; �� transportowany aminokwas łączy się do sekwencji końcowej CCA (wiązanie estrowe pomiędzy grupą karboksylową aminokwasu a 3 -hydroksylową reszty adenozylowej; �� ramię antykodonowe rozpoznaje kodon na matrycy mRNA (sekwencje komplementarne) tRNA struktura drugorzędowa Schemat budowy tRNA: ą, ramię antykodonowe A; �, ramię aminokwasowe (akceptorowe); ł, ramię dodatkowe (zmienne); �, ramię dihydrourydynowe D; �, ramię rybotymidowe (pseudourydynowe) T KOD GENETYCZNY TRANSLACJA KODONÓW NA AMINOKWASY SYNTEZA BIAAKA NA MATRYCY mRNA OGÓLNY SCHEMAT TRANSKRYPCJI I TRANSLACJI PODSUMOWANIE - RÓŻNICE W BUDOWIE I WAAŚCIWOŚCIACH DNA I RNA DNA RNA zasada: adenina (A) adenina (A) guanina (G) guanina (G) cytozyna (C) cytozyna (C) tymina (T) uracyl (U) cukier: 2 -deoksyryboza ryboza struktura: dwuniciowy jednoniciowy hydroliza alkaliczna: nie hydrolizuje hydrolizuje (cykliczny 2 ,3 -monofosforan) KATABOLIZM KWASÓW NUKLEINOWYCH W ORGANIZMIE kwasy nukleinowe rybonukleazy, deoksyrybonukleazy mononukleotydy nukleotydazy, fosfatazy nukleozydy fosforylazy puryny i pirymidyny utlenienie kwas moczowy (z puryn) wydalenie z moczem