Kwasy nukleinowe

Tutaj kliknij

Pojęcia ogólne
Ogólny schemat budowy kwasów nukleinowych
Zasady azotowe
Struktury kwasów nukleinowych
Chemia a dziedziczność. Kod genetyczny

Pojęcia ogólne

Kwasy nukleinowe odkrył w roku 1869 Miescher. Znalazł je on w komórkach ropnych, w spermie ryb i w innym materiale biologicznym. Dokładne badania wykazały, że w każdej żywej komórce stwierdza się obecność nukleoproteidów - substancji zbudowanych z białek połączonych z innymi naturalnymi polimerami - kwasami nukleinowymi.>

Prawidłową strukturę DNA określili po raz pierwszy w 1953 r. dwaj młodzi naukowcy, pracujący wówczas na Uniwersytecie w Cambridge - biochemik J. Watson i biofizyk F. Crick. Dokonali oni tego, wykorzystując zdjecia rentgenowskie DNA. Kwasy te są wielkocząsteczkowymi substancjami złożonymi, dającymi po całkowitej hydrolizie heterocykliczne zasady azotowe, węglowodan (pentozę) i kwas fosforowy. W organizmach żywych występują dwa rodzaje kwasów nukleinowych: kwasy dezoksyrybonukleinowe - których składnikami są; cukier - dezoksyryboza zasady azotowe: adenina, cytozyna, guanina i tymina reszta kwasu fosforowego kwasy rybonukleinowe - których składnikami są: cukier - ryboza zasady azotowe: adenina, cytozyna, guanina i uracyl reszta kwasu fosforowego

W literaturze przyjęto powszechnie używać równorzędnie z nazwą kwas dezoksyrybonukleinowy - skrótu DNA (od ang. deoxyribonucleic acid) oraz równorzednie z nazwą kwas rybonukleinowy - skrótu RNA (od ang. ribonucleic acid).

DNA na terenie komórki występuje głównie w jądrze. Znacznie mniejsze ilości DNA występują na terenie mitochondriów i plastydów. Zarówno DNA jądrowy, jak i występujący w strukturach cytoplazmatycznych - jest zródłem informacji genetycznej w komórce.
RNA występuje w jądrze (głównie na terenie jąderka) oraz cytoplazmie. RNA w komórce służy do wykorzystania informacji zawartych w DNA dla biosyntezy białka ( w procesie tym, oprócz RNA biorą udział liczne enzymy białkowe).

Ogólny schemat budowy kwasów nukleinowych

Kwasy nukleinowe są, podobnie jak białka, heteropolimerami. Na rysunku poniżej przedstawiono ogólny schemat budowy kwasów nukleinowych.

Ogólny schemat budowy kwasów nukleinowych

Podstawowy szkielet kwasów nukleinowych zbudowany jest z połączonych liniowo, za pośrednictwem reszt kwasu fosforowego, cząsteczek pentozy. Do każdej cząsteczki pentozy dołączona jest zasada azotowa, tworząc jak gdyby boczne odgałęzienie.
Nietrudno więc zauważyć, że podstawowym monomerem łańcucha kwasów nukleinowych jest następujące połączenie; zasada azotowa - pentoza - reszta kwasu fosforowego.

Budowa nukleotydu

Połączenie przedstawione na rysunku zwane jest nukleotydem.
Natomiast jednostka typu zasada-cukier nazywana jest nukleozydem

Kwasy nukleinowe w istotny sposób przypominają białka, chociaż pod wzgledem chemicznym są od nich załkowicie różne. Wszystkie cząsteczki kwasu nukleinowego zawierają długi łancuch (szkielet); łańcuchy te różnią się jedynie długością. Do tego szkieletu przyłączone są różne grupy, których rodzaj oraz sekwencja są charakterystyczne dla każdego kwasu nukleinowego.

Podczas gdy szkieletem cząsteczki białka jest łańcuch poliamidowy (polipeptydowy), szkieletem cząsteczki kwasu nukleinowego jest łańcuch poliestrowy, nazywany łańcuchem polinukleotydowym.

Zasady azotowe

W kwasach nukleinowych występują cykliczne, jedno- i dwupierścieniowe związki zawierające atomy azotu wbudowane w pierścień (atomy azotu nadają całej cząsteczce charakter zasady). Związki te, zwane zasadami azotowymi, można wyprowadzić albo od jednopierścieniowej pirymidyny, jak cytozyna, uracyl i tymina,

Zasady pirymidynowe

lub zbudowanej z dwóch pierscieni puryny, jak adenina, guanina

Zasady purynowe

Zasady pirymidynowe zawierają sześcioczłonowy pierścień o dwóch atomach azotu. W zasadach, wchodzących w skład kwasów nukleinowych, pierścień ten jest podstawiony w pozycji 4 (patrz numeracja na rysunkach wyżej) grupą aminową lub hydroksylową, natomiast w pozycji 2 zawsze grupą zawierającą tlen. Taka konfiguracja umożliwia tautometrię polegającą na tym, że atom wodoru może łączyć się z atomem tlenu, bądz z atomem azotu w pierścieniu. Ilustruje to na przykładzie poniżej wzór.

Z tych form tautometrycznych interesuje nas ta, w ktorych atom azotu w pozycji 1 związany jest z atomem wodoru. W nukleotydach ten właśnie atom wodoru zastąpiony jest resztą cukrową, która związana jest N-glikozydowo.

Zasady purynowe W odróżnieniu od zasad pirymidynowych w zasadach purynowych do połączeń z resztą cukrową wykorzystywana jest ta odmiana tautometryczna, która w pozycji 9 posiada wodór. W tym miejscu następuje połączenie węgiel-azot wiązaniem -C-N (wiązanie N-glikozydowe).

Składnik cukrowy

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. Przykłady poniżej.

Nukleotydy

Niżej przedstawiono wzory nukleotydów występujących w kwasach nukleinowych.

Związki te zawierają resztę kwasu fosforowego związanego estrowo z rybozą lub dezoksyrybozą. Znaczenie biologiczne mają przede wszystkim estry w pozycji 5', w których kwas fosforowy związany jest z grupą CH₂OH reszty cukrowej.

Struktury kwasów nukleinowych

Podobnie jak w białkach, również i w kwasach nukleinowych wyróżniamy struktury;

• strukturę pierwszorzędową

• strukturę drugorzędową

Struktura pierwszorzędowa - podaje sekwencję nukleotydów w łańcuchu, natomiast struktura drugorzędowa - przestrzenne ukształtowanie cząsteczki.

Struktura pierwszorzędowa

Budowa łańcucha kwasu dezoksyrybonukleinowego - jest wielkocząsteczkowy polinukleotyd; liczne nukleozydy połączone są ze sobą za pomocą kwasu fosforowego wiązaniami dwuestrowymi.

Kwasy rybonukleinowe - zbudowane są zupełnie podobnie jak kwasy dezoksyrybonukleinowe. Składają sie one z licznych nukleozydów połączonych resztami kwasu fosforowego. Wycinek łańcucha kwasu rybonukleinowego przedstawia poniższy wzór:

Sekwencja nukleotydów w łańcuchu nazywana jest inaczej strukturą pierwszorzędową kwasu nukleinowego. Zwykle sekwencję podaje się używając tylko pierwszych liter występujących w nukleotydach zasad.
I tak, na przykład dla fragmentu, w którym występują kolejno nukleotydy zawierające: adeninę, tyminę, guaninę, cytozynę, tyminę, adeninę - sekwncję można zapisać; ATGCTA

Struktura drugorzędowa

Struktura drugorzędowa (przestrzenna) kwasu dezoksyrybonukleinowego 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 - patrz rysunki niżej.

Przypuszczenie o łączeniu się parami zasad znajduje silne poparcie we wspomnianych już danych analitycznych.

Wskutek takiego wiązania się parami następuje łączenie dwóch łańcuchów polinukleotydowych. Jednocześnie każda z zasad determinuje swój odpowiednik w drugim łańcuchu, tak że jeden łańcuch określa już sekwencję zasad w drugim łańcuchu. Pokazano to na rysunku poniżej (część A). Każda z figur odpowiada tylko określonemu partnerowi i w ten sposób determinuje go.

Jeżeli teraz wyobrazimy sobie, że taka dwułańcuchowa wstęga ulegnie skręceniu, to otrzymamy przybliżony obraz modelu Watsona i Cricka dla kwasu dezoksyrybonukleinowego. Polega on na tym, że dwie cząsteczki okręcają się śrubowo dookoła siebie na kształt podwójnej liny. Widzimy to na przedstawionym wyżej (cześć B) i niżej rysunku.

Struktura drugorzędowa DNA

Struktura przestrzenna kwasu rybonukleinowego 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.

Struktura drugorzędowa DNA i RNA

Komórki życiowe zawierają trzy podstawowe rodzaje RNA;

• informacyjny RNA (tzw. mRNA od angielskiego messenger RNA)

• przenośnikowy RNA (tzw. tRNA od angielskiego transfer RNA)

• rybosomalny RNA (tzw. rRNA od angielskiego ribosomal RNA)

Nazwy te wskazują na różne funkcje odpowiednich kwasów nukleinowych, co będzie opisane w dalszej części. Z chemicznego punktu widzenia te 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.

Chemia a dziedziczność. Kod genetyczny

W jaki sposób struktura kwasów nukleinowych jest związana z ich rolą w procesie dziedziczenia? Otóż kwasy nukleinowe kontrolują dziedziczność na poziomie cząsteczkowym.

Podwójny heliks 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 określonnego organizmu

Proces powielania przebiega w ten sposób, że dwa łańcuchy tworzące cząsteczkę rozkręcają się, po czym każdy z nich dobudowuje sobie łańcuch komplementarny, tzn. taki sam, z jakim poprzednio był połączony. Schemat powielania przedstawia poniższy rysunek.

Druga właściwość dotyczy istoty kierowania procesem syntezy białek. Otóż udowodniono, że określona sekwencja zasad w łańcuchu polinukleotydowym prowadzi do określonej sekwencji reszt aminokwasowych w łańcuchu polipeptydowym.
I tutaj pojawia się pytanie - w jaki sposób to się odbywa? Wyjaśnienie poniżej.

Cząsteczkę białka można porównać z długim zdaniem napisanym w języku zawierającym 20 liter, odpowiadająca dwudziestu różnym resztom aminokwasowym. Informacja odpowiedzialna za dziedziczenie jest jednak zapisana w języku zawierającym tylko cztery litery (A, T, C, G) - jest zakodowana, a każde słowo kodu odpowiada określonemu aminokwasowi.

Kod genetyczny został roszyfrowany, ale kontynuuje się badania w celu wyśledzenia dalszych dróg przekazywania informacji.
Otóż wykazano, że substancją, z której zbudowane są czynniki dziedziczenia, czyli geny, jest kwas dezoksyrybonuleinowy (DNA). Każdy pojedyńczy gen ma swój odpowiednik chemiczny w przynależnym mu DNA o określonej sekwencji zasad. Sekwencja zasad w cząsteczce DNA stanowi właśnie w tę "informację", jaką niesie ze zobą gen i która uzewnętrznia się w wywołaniu określonej cechy.
Sekwencja zasad determinuje strukturę białek. Zachodzi to w ten sposób, że odpowiednia grupa trzech zasad określa odpowiednie aminokwasy.

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).
Imformacyjny 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).
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.

Zsyntetyzowany na matrycy DNA mRNA w cytoplazmie łączy się w swoiste kompleksy z rybosomami. Kompleksy te, zbudowane w sposób zilustrowany na poniższym rysunku noszą nazwę polisomów.

W rybosomie każda grupa zasad mRNA łączy się z odpowiednim przenośnikowym RNA (tRNA) związanym z aminokwasem - patrz rysunek niżej.

W tym momencie zaktywowane aminokwasy wiążą sie w łańcuch peptydowy.
Ten proces biosyntezy białka zachodzący na rybosomach, z wykorzystaniem informacji genetycznej zawartej w mRNA, nazywa się translacją. Patrz rysunek

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. W ten sposób UCU jest kodem dla seryny, UAC - dla tyrozyny, GUC - dla waliny.

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 następnie cząsteczkę mRNA przesuwa o jeden kodon. Kodon to trzy sąsiadujące ze sobą zasady zwane "trypletem" a tryplet powstaje w wyniku różnych kombinacji czterech zasad (adeniny, guaniny, cytozyny i uracylu).

Takie zestawienie umożliwia wykonanie 64 możliwych kombinacji, wystarczające do określenia dwudziestu aminokwasów.
W tabeli przedstawiono całkowite rozszyfrowanie kodu.

Kod informacyjny kwasu rybonukleinowego

Pierwsza zasada	Druga zasada	Trzecia zasada
	U	C
U	Fen Fen Leu Leu	Ser Ser Ser Ser
C	Leu Leu Leu Leu	Pro Pro Pro Pro
A	Ileu Ileu Ileu Met	Tre Tre Tre Tre
G	Wal Wal Wal Wal	Ala Ala Ala Ala

Z tabeli widzimy, że ten sam aminokwas może zostać "wywołany" przez więcej niż jeden kodon, np. CUU i CUC są kodonami leucyny, a GAA i GAG - kwasu glutaminowego.

Na rysunku poniżej przedstawiono pełny schemat syntezy łańcucha peptydowego.

tRNA z dołączonymi aminokwasami wędruje do rejonu polisomów. Teraz następuje łączenie się komplementarnych trójek nukleotydowych tRNA i mRNA. Odpowiednie tRNA zajmują swoje miejsca w rybosomie, łącząc się komplemantarnie w opisany wyżej sposób z mRNA. Jednocześnie strczące w przeciwnym kierunku aminokwasy wytwarzają przy udziale enzymu wiązanie peptydowe między odpowiednią grupą aminową a karboksylową. Powstaje zatem dwupeptyd. Krańcowy aminokwas uwalnia się od swego tRNA, zaś rybosom przesuwa się o jedną trójkę na mRNA zwalniając miejsce dla następnego tRNA.
Do jednego tRNA dołączony jest teraz dwupeptyd, który z kolei przechodzi na następną cząsteczkę tRNA. Proces ten może się w ten sposób powtarzać wielokrotnie, aż do zsyntetyzowania określonego białka, które odłącza się od rybosomu.

Różnica jednej zasady w cząsteczce DNA lub jeden błąd w "odczytywaniu" kodu może spowodować zmianę sekwencji aminokwasów. Ma to praktyczne zastosowanie w leczeniu antybiotykami. Antybiotyki poprzez wpływ na strukturę rybosomu powodują błędny odczyt kodu i śmierć organizmu bakterii.

Wniosek Struktura cząsteczek kwasu nukleinowego określa w ten sposób strukturę cząsteczek białka, a ta określa w jaki sposób będą one kontrolowały procesy życiowe.