Kwasy nukleinowe, budowa chemiczna, struktura, formy DNA.
Kwasy nukleinowe są nośnikiem informacji genetycznej. Główna rolę odgrywa tu informacyjna makromolekuła, występująca prawie u wszystkich organizmów żywych, czyli DNA. Informacja w niej zawarta determinuje możliwości rozwoju gatunków oraz poszczególnych osobników. Ogólnie rzecz ujmując DNA występuje w komórkach jądrzastych i bezjądrzastych. Informacja z DNA jest przepisywana za pośrednictwem RNA na białko.
DNA składa się z czterech podstawowych jednostek zwanych nukleotydami. Każdy nukleotyd składa się z zasady azotowej połączonej wiązaniem N-glikozydowym z cukrem (pentoza) oraz grupy fosforanowej. Zasady azotowe utworzone z sześcioczłonowego pierścienia pirymidynowego to zasady pirymidynowe, a zbudowane z pięcio i sześcioczłonowego pierścienia to zasady purynowe.
To zasada azotowa różnicuje nukleotydy. Zawierają one:
- adeninę (A), zasada purynowa, występuje w DNA i RNA
- tyminę (T), zasada pirymidynowa, w RNA zamiast T jest uracyl (U)
- cytozynę (C), zasada pirymidynowa,
- guaninę (G), zasada purynowa, występuje w DNA i RNA
Uracyl od tyminy różni się grupą metylową w pozycji C5 heterocyklicznego pierścienia tyminy. W cząsteczkach kwasów nukleinowych znajdują się dwa typy pentoz: ryboza i deoksyryboza. W skład RNA wchodzi ryboza, która w pozycji 2' ma grupę hydroksylową, natomiast w skład DNA deoksyryboza, różniąca się od rybozy brakiem grupy hydroksylowej w 2' pozycji pierścienia.
Struktura: Kwasy nukleinowe są odpowiedzialne za przechowywanie i przekazywanie informacji genetycznej. Pełnia funkcję centralnego źródła o budowie i funkcjach organizmu.
DNA-jest podstawowym nośnikiem informacji genetycznej bo zawiera geny, samopowiela się w procesie replikacji i przekazuje informację genetyczna z pokolenia na pokolenie.
Cząsteczka DNA zbudowana jest z 2 nici polinukleotydowych, które w podwójnej heliksie łączą się z wiązaniem wodorowym (H) miedzy zasadami azotowymi. Adenina tworzy parę z tyminą, a guanina z cytozyną (pary komplementarne). Łańcuchy polinukleotydowe ułożone są antyrównolegle, jedna nić DNA ułożona jest w kierunku 5'-3', a druga 3'-5'. Na zewnątrz znajduję się szkielet cukrowo-fosforanowy, a wewnątrz znajdują się zasady azotowe.
Struktura przestrzenna DNA obejmuje cztery poziomy: Struktura 1-rzędowa jest to sekwencja nukleotydów w łańcuchu polinukleotydowym, 2-rzędową reprezentują dwa heliksowo zwinięte łańcuchy polinukleotydowe utrzymywane wspólnie wiązaniami wodorowymi między komplementarnymi zasadami azotowymi oraz wiązaniami hydrofobowymi. Strukturę 3-rzędową stanowiłyby być może oddziaływanie wzajemne cząsteczek DNA, mających określona strukturę 1-,2-,3-rzędową.
Model podwójnej helisy zaproponowany przez Watsona i Cricka znany jest jako heliksa B- DNA Późniejsze badania doprowadziły do uzyskania bardziej precyzyjnych danych opisujących struktury DNA. Dzięki metodom cięcia DNA w roztworze i poprzez zastosowanie analizy badań krystalograficznych na cząsteczkach DNA została ujawniona zmienność struktury podwójnej helisy DNA, która może przybierać formy A, B i Z.
Forma B- DNA powszechnie występuje w żywych komórkach. Na powierzchni helisy B- DNA występuje większa bruzda i mała bruzda. Bruzdy te w heliksie DNA są obszarami najbardziej dostępnymi do oddziaływań z ligandami. Wnętrze bruzd prezentuje charakterystyczne układy atomów, które mogą być rozpoznawane przez określona białka przyłączające się do DNA. Klasyczny model opisujący formę B zakłada, że na jeden skok spirali DNA przypada 10,0 par zasad.
Forma A jest dwuniciową prawoskrętną helisą, która staje się krótsza i szersza niż heliksa B. Na całkowity skręt helisy A przypada 11 par zasad. Duży rowek będzie trudniej dostępny gdyż jest bardzo głęboki i wąski. Mniejszy rowek ulega prawie całkowitemu zanikowi i osiąga kształt bardzo szeroki i płytki. Formę A przybierają również dwuniciowe regiony RNA.
Forma Z- DNA w porównaniu do klasycznej formy B uwidacznia wiele różnic: jest lewoskrętna , ma więcej par zasad przypadających na pełen skręt, staje się długa i wąska. Nazwano ją Z- DNA ze względu na szkielet cukrowo- fosforanowy, kształtem przypominający literę Z. Heliksa typu Z ma tylko jeden rowek.
Formy DNA:
-superhelikalne- powstają w wyniku skrócenia helisy w przestrzeni dookoła własnej osi. Analogiczna sytuacja występuje gdy skręcimy kilkakrotneie1 koniec taśmy wokół podłużnej osi uprzednio unieruchamiając 2 koniec. Po połączeniu obu końców taśma ulegnie zwinięciu w przestrzeni. Dodatkowe skręty w cząsteczce superheliksy są powodem powstania napięć torsyjnych. Ta forma występuje w zamkniętych cząsteczkach DNA, ponieważ otwarcie jej może powodować relaksację napięć torsyjnych przez odwinięcie.
-koliste- Kolista forma DNA nie wykazuje żadnych splotów jest zrelaksowana, natomiast im liczba super-skrętów jest większa, tym większe jest napięcie torsyjne w cząsteczce.
-podwójna heliksa-
RNA- Odpowiada za syntezę białek , warunkuje ekspresję informacji genetycznej zapisanej w DNA. RNA jest zazwyczaj jednoniciowy; postać dwuniciowa, analogiczna do dwuniciowego DNA, występuje głównie jako materiał genetyczny niektórych wirusów.
W RNA mogą powstawać pary zasad: A łączy się z U podwójnym wiązaniem wodorowym, a G z C potrójnym wiązaniem wodorowym.
Rodzaje RNA:
-m RNA- informacyjny, przenosi informacje genetyczną z jądra do cytoplazmy
-t RNA- transportujący, transportuje aminokwasy z cytoplazmy do rybosomów
-r RNA- współtworzy rybosomy
Porównania DNA i RNA:
Cecha DNA RNA
Pentoza deoksyryboza ryboza
Reszta fosforanowa
Zasady azotowe wspólne adenina, guanina, cytozyna
Zasady azotowe różne tymina uracyl
Struktura molekularna podwójna heliksa (rzadko poj.) poj. heliksa (rzadko
podwójna)
Miejsce występowania -kom.eukariotyczna- jądro kom; -kom.eukariotycza:jądro
mitochondria,chloroplasy. kom:cytoplazma,
-kom.prokariotyczna rybosmoby,mitochondria,
- genofor,plazmidy chloroplasty
-kom.priokariotyczna:
cytoplazma,rybosomy.
Replikacja zachodzi tylko w fazie S cyklu komórkowego. Jest to podwojenie materiału genetycznego przed podziałem mitotycznym lub mejotycznym. Replikacja polega na rozerwaniu wiązań wodorowych między obiema niciani DNA i dobudowanie do nici macierzystych nowych na zasadzie komplementarności. U organizmów eukariotycznych replikacja jest dwukierunkowa Replikacja podzielona jest na trzy etapy:
Elongacja- to dobudowywanie nowych nici na matrycy nici macierzystych. Replikacja zawsze zachodzi w kierunku 5'®3', w wyniku czego, na jednej z nich replikacja zachodzi w sposób ciągły, natomiast na drugiej w sposób nieciągły, fragmentami Okazaki. Jest to nić opóźniona. Fragmenty łączone są przez enzym- ligazę.
Terminacja- czyli zakończenie replikacji zachodzi w miejscu zetknięcia się widełek replikacyjnych przebiegających w przeciwnym kierunku. W tym czasie zachodzi również naprawa błędów jakie zaszły podczas elongacji przez jedną z polimeraz DNA.
Jest to replikacja semikonserwatywna.
widełki replikacyjne- to miejsce jednoczesnego rozwijania cząsteczki DNA i syntezowania nowych nici podczas replikacji.
nić wiodąca- W procesie replikacji DNA, terminem nić wiodąca (ang. leading strand), określa się nowosyntetyzowaną nić DNA, która powstaje w sposób ciągły
nić opóźniona-jest syntetyzowana w postaci krótkich fragmentów, zwanych fragmentami Okazaki, które następnie są łączone w jedną całość.
fragmenty okazaki- krótkie fragmenty nici DNA, dobudowywane przez polimerazę DNA do startera w procesie replikacji DNA podczas syntezy nici opóźnionej. Po usunięciu starterów przez endonukleazy fragmenty Okazaki są zlepiane przez enzym ligazę w jedną całość.