Budowa kwasów nukleinowych

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 regulacji tej informacji są uzależnione od wielu czynników związanych z rodzajem organizmu, jego stanu fizjologicznego i warunków, w których żyje. 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.

W nukleotydach występuje preferencja do tworzenia wiązania N-glikozydowego typu anty.

Pojedynczy łańcuch polinukleotydowy składa się z rdzenia zbudowanego z reszt pentozofuranozowych połączonych "mostkami" fosfodiestrowymi oraz z zasad azotowychsterczących 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.

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.

Właściwości fizyczno-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 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.

---