Kwasy nukleinowe - łańcuch polinukleotydowy

zasada - cukier - nukleozyd

zasada - cukier - kwas - nukleotyd

Kwasy nukleinowe jest to jedyna w swoim rodzaju klasa związków organicznych, które pomimo prostoty swej chemicznej budowy, miały tak ogromny wpływ na obraz dzisiejszego świata organizmów żywych. Stało się tak dzięki informacji genetycznej, której odczyt zawsze odbywa się kilkuetapowo na drodze DNA RNA białko i jest regulowany przez wiele czynników.

Budowa kwasów nukleinowych

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.

Pojedynczy łańcuch polinukleotydowy składa się z rdzenia zbudowanego z reszt pentozofuranozowych połączonych "mostkami" fosfodiestrowymi oraz z zasad azotowych sterczących na boki od rdzenia.

Wokół wiązania fosfodiestrowego może zachodzić rotacja jednoniciowej cząsteczki. Poszczególne "cegiełki" łańcucha różnią się od siebie zasadami azotowymi (Adenina, Tymina, Uracyl, Guanina i Cytozyna). Ze względu na liniową budowę łańcucha kwasu nukleinowego można wyróżnić jego 5' i 3' koniec.

Silne oddziaływania z rozpuszczalnikiem (wodą) sprawiają, że pojedyncze łańcuchy kwasu polinukleinowego tworzą bardziej złożone struktury. Poszczególne stopnie komplikacji konfiguracji przestrzennej kwasów nukleinowych zostały określone mianem ich rzędowości.

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

Dla kwasów podobnie jak dla białek definiuje się struktury np. kolejność zasad w łańcuchu to struktura
I rzędowa kwasów. W podwójnej spirali zasady tworzą wiązania wodorowe - obowiązuje ZASADA KOMPLEMENTARNOŚĆI. Ilość zasad purynowych jest równa ilości zasad pirymidynowych ponieważ tworzą wiązania: adenina z tyminą - dwa wiązania wodorowe; cytozyna z guaniną - trzy wiązania wodorowe.

2. Struktura drugorzędowa

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.

Oddziaływania tego rodzaju są możliwe w przypadku, gdy pewien fragment nici polinukleotydowej ustawi się dostatecznie blisko, równolegle i co najważniejsze przeciwbieżnie do drugiego odcinka, a odpowiednie zasady azotowe będą miały naprzeciwko siebie swojego komplementarnego partnera. Struktura taka jest tym stabilniejsza (w danych warunkach środowiska) im więcej par zasad komplementuje (łączy się) ze sobą. Wiązania wodorowe są wiązaniami słabymi, lecz ich ilość na przestrzeni długiej makrocząsteczki powoduje, że oddziaływanie obu nici jest bardzo silne. Taka dwuniciowa cząsteczka przyjmuje szczególną konformację uwarunkowaną dodatkowymi oddziaływaniami z roztworem (środowiskiem). Obie nici są owinięte śrubowo wokół siebie tworząc strukturę helisy.

Pary zasad azotowych są hydrofobowe i znajdują się w środku heliksu, reszty cukrowe oraz fosforanowe tworzą hydrofilową "osłonkę" zewnętrzną.

3. 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

1. Budowa DNA

DNA - jest to angielski skrót od nazwy makrocząsteczki kwasu nukleinowego - deoxyribonucleic acid - po polsku kwas deoksyrybonukleinowy. Zbudowany jest z czterech rodzajów nukleozydów: deoksyadenozyny (dAMP), deoksyguanozyny (dGMP), deoksycytydyny (dCMP) oraz deoksytymidyny (dTMP). Cukrem występującym w tych deoksyrybonukleotydach jest deoksyryboza. Przedrostek deoksy- oznacza brak jednego z atomów tlenu zawartych w cząsteczce wyjściowej - rybozie. DNA występuje najczęściej w postaci dwuniciowej (dsDNA) i ma kształt helisy. Złożona jest z dwóch przeciwbieżnych i komplementarnych do siebie łańcuchów kwasu deoksyrybonukleinowego, skręconych wzdłuż osi helisy. Zasady purynowe i pirymidynowe znajdują się wewnątrz, a fosforany i reszty deoksyrybozy - na zewnątrz helisy. Płaszczyzny ułożenia pierścieni zasad są prostopadłe do osi helisy, natomiast płaszczyzny pierścieni cukrów są ułożone prostopadłe względem zasad. Dwa łańcuchy DNA łączą się sobą wiązaniami wodorowymi pomiędzy zasadami azotowymi, tworząc komplementarne pary.

RNA

1. Budowa RNA

RNA - (ang. ribonucleic acid) Struktura kwasu rybonukleinowego różni się od DNA. Jednostką cukrową
w RNA jest ryboza, a nie deoksyryboza jak w przypadku DNA. Kwas rybonukleinowy, zatem, zbudowany jest
z czterech rodzajów nukleozydów: adenozyny (AMP), guanozyny (GMP), cytydyny (CMP) oraz uracylu (UMP). Istotną różnicą jest to, że jedną z czterech zasad jest uracyl zamiast tyminy. Uracyl paruje komplementarnie
z adeniną, tworząc dwa wiązania wodorowe, różniąc się od tyminy występowaniem grupy metylowej. Cząsteczki RNA występują w formie jedno- i dwuniciowej. Cząsteczki dwuniciowego RNA (dsRNA) nie mogą tworzyć tak regularnej struktury jak w przypadku B-DNA, ze względu na występowanie grupy hydroksylowej przy 2 atomie węgla rybozy.

Zazwyczaj jednak RNA występuje w postaci jednoniciowego (ssRNA), silnie pofałdowanego polinukleotydu zawierającego odcinki dwuniciowe i tworzącego skomplikowane struktury przestrzenne. W przeciwieństwie do DNA stosunek zasad azotowych purynowych do pirymidynowych w cząsteczce jednoniciowego RNA nie jest zachowany.

Właściwości fizyko-chemiczne kwasów nukleinowych

Kwasy nukleinowe rozpuszczają się w wodzie w środowisku zasadowym i obojętnym, natomiast ulegają wytrąceniu z roztworu w środowisku kwaśnym (poniżej wartości pH=5). Powyżej wartości pH=7 ich makrocząsteczki obdarzone są silnym ładunkiem ujemnym, na skutek całkowitej dysocjacji reszt fosforanowych. W polu elektrycznym (elektroforezie) migrują w kierunku elektrody dodatniej. Zniszczenie struktury drugorzędowej (denaturacja) zachodzi podczas działania wysokiej temperatury, działaniu mocnych kwasów
i zasad oraz rozpuszczalników organicznych. Denaturację wywołują także inne substancje, takie jak mocznik, formamid, czy formaldehyd. Termiczna denaturacja w przebiega skokowo i jest uzależniona od stosunku par G-C do A-T(U) (związane jest to z różnicą w ilością wiązań wodorowych pomiędzy zasadami komplementarnymi). Temperatura ta jest charakterystyczna dla cząsteczek dwuniciowych - w szczególności DNA i jest określana mianem temperatury topnienia. Stopniowe obniżanie temperatury prowadzi do renaturacji - odtworzenia struktury dwuniciowej. Całkowita hydroliza (rozpad pod wpływem wody) kwasów nukleinowych zachodzi
w środowisku silnie kwaśnym, przy czym hydroliza RNA jest również możliwa w środowisku zasadowym.

Zasada

Cukier

Kwas

wiązanie ß - N
- glikozydowe

Cukier

Zasada

Zasada

Cukier

Kwas

wiązanie diestrowe

---