Ciekawostka

Na tyle długa, że dałoby się ją po rozwinięciu zobaczyć gołym okiem - gdyby tylko była grubsza Podwójna helisa kwasu dezoksyrybonukleinowego (DNA) teoretycznie może mieć nieskończoną długość. W rzeczywistości jednak cząsteczka ta składa się najczęściej z milionów „cegiełek”, czyli tzw. nukleotydów. Największy ludzki chromosom - ten oznaczony numerem 1 - zawiera DNA złożone z ok. 220 mln takich elementów. Po całkowitym „rozwinięciu” mierzyłby aż 7,2 cm. Warto przy tym pamiętać, że „grubość” nici DNA to zaledwie 2,2-2,6 nanometra (stumilionowej części centymetra).

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(cukier i zasady azotowe), połączonych ze sobą wiązaniami fosfodiestowymi pomiędzy 5' a 3' atomami węgla sąsiadujących reszt cukrowych.

Nukleotydy są cząsteczkami składającymi się z trzech grup: zasady azotowej, cukru i grup fosforanowych. W nukleotydach występuje preferencja do tworzenia wiązania N-glikozydowego

Wiązanie fosfodiestrowe - wiązanie chemiczne powstające w wyniku połączenia dwóch grup hydroksylowych przez grupę fosforanową. Wiązanie to występuje w kwasach nukleinowych i łączy kolejne nukleotydy w łańcuchu DNA i RNA^[1]. Enzymem rozkładającym to wiązanie jest endonukleaza.

• DNA jest liniowym, nierozgałęzionym biopolimerem, dla którego monomerem są nukleotydy. Nukleotydy zbudowane są z: pięciowęglowego cukru deoksyrybozy, którego grupa hydroksylowa znajdująca się przy ostatnim atomie węgla jest zestryfikowana resztą fosforanową, a pierwszy atom węgla połączony jest wiązaniem N-glikozydowym z jedną z czterech zasad azotowych.

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.

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.

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.

RNA

• Kwas rybonukleinowy zbudowany jest z rybonukleotydów połączonych wiązaniami fosfodiestrowymi. Występuje w jądrach komórkowych i cytoplazmie.

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.

mRNA - (ang. messenger RNA) - jest pojedynczą cząsteczką RNA (ssRNA), która jest nośnikiem informacji genetycznej, zawartej w postaci sekwencji zasad azotowych w cząsteczce. Na jej podstawie polimeryzowane są aminokwasy wg określonej kolejności - dzięki temu procesowi powstaje produkt końcowy ekspresji informacji genetycznej - białko. Bezpośredni produkt transkrypcji - prekursorowy RNA ("pierwotny transkrypt") podlega późniejszym obróbkom potranskrypcyjnym. Szczególnie w przypadku organizmów Eukariotycznych (jądrowych) w procesie splicingu, (wycinania intronów) są wycinane niekodujące części RNA oraz dołączane elementy stabilizujące - od końca 5' "czapeczkę" (ang. cap - będącą zmodyfikowanym nukleotydem guanylowym) oraz na 3' końcu - "ogon poli-(A)" zawierający 200-250 nukleotydów adenylowych. Taka operacja zapobiega degradacji mRNA przez enzymy tnące łańcuch kwasu rybonukleinowego - RNA-zy.

tRNA - zwany transferowym RNA, związany z enzymem - syntetazą aminoacylo-tRNA, służy do odczytywania kodu genetycznego i transportu odpowiednich aminokwasów do - rybosomu, w trakcie procesu translacji. Cząsteczki tRNA zbudowane są z ok. 75 nukleotydów, podobnie jak mRNA wytwarzane są one w wyniku obróbki cząsteczki pierwotnego transkryptu. W skład cząsteczki wchodzą również zmodyfikowane zasady azotowe (np.: dihydrourydyna, pseudourydyna). W każdej komórce znajduje się przynajmniej 20 rodzajów cząsteczek tRNA i przynajmniej jedna odpowiada swoistemu aminokwasowi. Cząsteczki tRNA posiadają cztery dwuniciowe obszary pozwalające wytworzyć drugorzędową strukturę podobną do liścia koniczyny. W cząsteczce tRNA można wyróżnić 4 główne ramiona. Ramię akceptorowe składa się z szypuły utworzonej ze sparowanych zasad, które kończy się sekwencją CCA (5'-3'). Grupa 3'-hydroksylowa reszty adenylowej wiąże się z grupą karboksylową odpowiednich dla danej cząsteczki tRNA aminokwasów wiązaniem estrowym. Pozostałe ramiona posiadają szypuły ze sparowanych zasad i na końcu pętle zawierające zasady niesparowane. Pętla ramienia antykodonowego posiada sekwencję antykodonową, decydującą o specyficzności cząsteczki tRNA w procesie translacji. Sekwencja antykodonowa rozpoznaje komplementarny tryplet nukleotydów tworzących kodon, na cząsteczce mRNA - w taki sposób następuje odczyt informacji genetycznej. Ramiona DHU i T C zostały nazwane od sekwencji, w których występują nietypowe nukleotydy wchodzących w skład ich końcowych pętli.

rRNA , czyli rybosomalne RNA - to grupa kwasów rybonukleinowych wchodzących w skład rybosomu, a więc kompleksu enzymatycznego odpowiedzialnego za syntezę polipeptydu - translację. Odkryto kilka klas rRNA, które w większości przypadków przyjmują złożoną strukturę drugorzędową łącząc się z polipeptydami wchodzącymi w skład poszczególnych podjednostek rybosomu. Przykładem może posłużyć 16S rRNA, które rozpoznaje miejsce "start" w cząsteczce mRNA, natomiast 23S rRNA oddziałuje z ramieniem akceptorowym cząsteczki tRNA. Inne cząsteczki L7 i L12 rRNA, wchodzące w skład rybosomu posiadają zdolności autokatalityczne - mogą prowadzić reakcje enzymatyczne nawet bez udziału innych białek oraz rRNA rybosomu.

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 fos foranowych. W polu elektrycznym (elektroforezie) migrują w kierunku elektrody dodatniej. Zniszczenie struktury drugorzędowej (denaturacja) zachodzi podczas działania wysokiej temperatury, działaniu mocnych kwasów i z asad 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 temperat ury 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 możliw a w środowisku zasadowym.

Zakończenie

Kwasy nukleinowe odgrywają kluczową rolę w życiu każdego organizmu. Są nośnikiem puli informacji genetycznej, zawartej w genach i specyficznej dla danego organizmu, która jest przekazywana potomstwu. Mechanizmy dziedziczenia, odczytu i r egulacji tej informacji są uzależnione od wielu czynników związanych z rodzajem organizmu, jego stanu fizjologicznego i warunków, w których żyje.

---