3.5: Kwasy Nukleinowe

admin

DNA i RNA

Dwa główne typy kwasów nukleinowych to kwas dezoksyrybonukleinowy (DNA) i kwas rybonukleinowy (RNA). DNA jest materiałem genetycznym znajdującym się we wszystkich żywych organizmach, od jednokomórkowych bakterii po wielokomórkowe ssaki. Znajduje się on w jądrze komórkowym eukariotów oraz w organellach, chloroplastach i mitochondriach. U prokariotów DNA nie jest zamknięte w błoniastej otoczce.

Cała zawartość genetyczna komórki nazywana jest jej genomem, a badanie genomów to genomika. W komórkach eukariotycznych, ale nie u prokariotów, DNA tworzy kompleks z białkami histonowymi, tworząc chromatynę, substancję, z której zbudowane są chromosomy eukariotyczne. Chromosom może zawierać dziesiątki tysięcy genów. Wiele genów zawiera informacje potrzebne do wytworzenia produktów białkowych; inne geny kodują produkty RNA. DNA kontroluje wszystkie czynności komórkowe, włączając lub wyłączając geny.”

Inny rodzaj kwasu nukleinowego, RNA, jest głównie zaangażowany w syntezę białek. Cząsteczki DNA nigdy nie opuszczają jądra, ale zamiast tego używają pośrednika do komunikacji z resztą komórki. Tym pośrednikiem jest posłańczy RNA (mRNA). Inne rodzaje RNA – rRNA, tRNA i mikroRNA – biorą udział w syntezie białek i jej regulacji.

DNA i RNA składają się z monomerów zwanych nukleotydami. Nukleotydy łączą się ze sobą, tworząc polinukleotyd, DNA lub RNA. Każdy nukleotyd składa się z trzech elementów: zasady azotowej, pentozowego (pięciowęglowego) cukru i grupy fosforanowej (rysunek \). Każda zasada azotowa w nukleotydzie jest przyłączona do cząsteczki cukru, która jest przyłączona do jednej lub więcej grup fosforanowych.

Przedstawiona jest struktura molekularna nukleotydu. Rdzeń nukleotydu jest pentozą, której reszty węglowe są ponumerowane od jednej pierwszej do pięciu pierwszych. Baza jest dołączony do jednego pierwszorzędowego węgla, a fosforan jest dołączony do pięciu pierwszorzędowych węgli. W nukleotydach występują dwa rodzaje pentoz: ryboza i deoksyryboza. Dezoksyryboza ma H zamiast OH w pozycji dwupierwiastkowej. W nukleotydach występuje pięć rodzajów zasad. Dwie z nich, adenina i guanina, to zasady purynowe z dwoma pierścieniami połączonymi razem. Pozostałe trzy, cytozyna, tymina i uracyl, mają jeden sześcioczłonowy pierścień.
Rysunek \(\): Nukleotyd składa się z trzech składników: zasady azotowej, cukru pentozowego oraz jednej lub więcej grup fosforanowych. Reszty węglowe w pentozie są ponumerowane od 1′ do 5′ (liczba pierwsza odróżnia te reszty od reszt w bazie, które są ponumerowane bez użycia notacji liczby pierwszej). Zasada jest przyłączona do pozycji 1′ rybozy, a fosforan jest przyłączony do pozycji 5′. Kiedy powstaje polinukleotyd, fosforan 5′ wchodzącego nukleotydu przyłącza się do grupy hydroksylowej 3′ na końcu rosnącego łańcucha. W nukleotydach występują dwa rodzaje pentoz: deoksyryboza (występująca w DNA) i ryboza (występująca w RNA). Deoksyryboza jest podobna w budowie do rybozy, ale ma H zamiast OH w pozycji 2′. Zasady można podzielić na dwie kategorie: puryny i pirymidyny. Puryny mają strukturę dwupierścieniową, a pirymidyny jednopierścieniową.

Zasady azotowe, ważne składniki nukleotydów, są cząsteczkami organicznymi i noszą taką nazwę, ponieważ zawierają węgiel i azot. Są one zasadami, ponieważ zawierają grupę aminową, która ma możliwość wiązania dodatkowego wodoru, a tym samym zmniejsza stężenie jonów wodorowych w swoim otoczeniu, czyniąc je bardziej zasadowymi. Każdy nukleotyd w DNA zawiera jedną z czterech możliwych zasad azotowych: adeninę (A), guaninę (G), cytozynę (C) i tyminę (T).

Adenina i guanina są klasyfikowane jako puryny. Podstawowa struktura puryny to dwa pierścienie węglowo-azotowe. Cytozyna, tymina i uracyl są klasyfikowane jako pirymidyny, które mają pojedynczy pierścień węglowo-azotowy jako swoją podstawową strukturę (rysunek \). Do każdego z tych podstawowych pierścieni węglowo-azotowych przyłączone są różne grupy funkcyjne. W skrócie biologii molekularnej zasady azotowe znane są po prostu pod symbolami A, T, G, C i U. DNA zawiera A, T, G i C, podczas gdy RNA zawiera A, U, G i C.

Cukrem pentozowym w DNA jest deoksyryboza, a w RNA – ryboza (rysunek \). Różnica między tymi cukrami polega na obecności grupy hydroksylowej na drugim węglu rybozy i wodoru na drugim węglu deoksyrybozy. Atomy węgla w cząsteczce cukru są ponumerowane jako 1′, 2′, 3′, 4′ i 5′ (1′ oznacza „jeden pierwiastek”). Reszta fosforanowa jest przyłączona do grupy hydroksylowej 5′ węgla jednego cukru i do grupy hydroksylowej 3′ węgla cukru następnego nukleotydu, co tworzy wiązanie fosfodiestrowe 5′-3′. Wiązanie fosfodiestrowe nie powstaje w wyniku prostej reakcji dehydratacji, jak inne wiązania łączące monomery w makrocząsteczkach: jego utworzenie wymaga usunięcia dwóch grup fosforanowych. Polinukleotyd może mieć tysiące takich wiązań fosfodiestrowych.