Cząsteczki kwasów nukleinowych mają postać długich łańcuchów złożonych z nukleotydównukleotydnukleotydów. W zależności od rodzaju sacharydu w nukleotydach (rybozarybozaryboza lub deoksyrybozadeoksyrybozadeoksyryboza) rozróżnia się kwasy rybonukleinowe (RNA)RNAkwasy rybonukleinowe (RNA) i deoksyrybonukleinowe (DNA)DNAdeoksyrybonukleinowe (DNA).
Specyficzność cząsteczek kwasów nukleinowych jest uwarunkowana przede wszystkim sekwencją różnych nukleotydów purynowych i pirymidynowych w łańcuchu, wpływającą na jego budowę przestrzenną.
RdJE30T1FthHC
R1MgrO7XZ6KFB1
R1D3rhsENqQ8r1
bg‑yellow
Struktura DNA
bg‑gray2
Cechy dwuniciowej cząsteczki DNA
Sekwencja nukleotydów w jednej nici określa sekwencję nukleotydów w drugiej nici.
Nici DNA są antyrównoległenici antyrównoległeantyrównoległe, co oznacza, że przebiegają w przeciwnych kierunkach względem siebie. Kierunek nici określany jest na podstawie grupy, jaka znajduje się na jej końcu, i może przebiegać od końca 5′ do końca 3′ lub od końca 3′ do końca 5′. Na końcu 5′ znajduje się grupa fosforanowa przy węglu 5 deoksyrybozy, natomiast na końcu 3′ – grupa –OH przy węglu 3 cukru. Koniec 5′ jednej nici jest zawsze naprzeciwko końca 3′ drugiej nici.
Rf5a7LGaDeCdB
Zasady azotowe należące do różnych łańcuchów polinukleotydowychłańcuch polinukleotydowyłańcuchów polinukleotydowych znajdują się wewnątrz podwójnej helisypodwójna helisapodwójnej helisy i łączą się wiązaniami zgodnie z regułą komplementarnościreguła komplementarności zasadregułą komplementarności.
RUMi9JXKld1ZH1
Reszty fosforanowe i deoksyrybozowe znajdują się na zewnątrz helisy.
Splecione nici owijają się wokół własnej osi i tworzą helisę. Pomimo że obie nici DNA są komplementarne, to nie są one dokładnie naprzeciwległe. Powoduje to występowanie w budowie przestrzennej DNA dwóch rowków o różnej wielkości, zwanych dużym i małym. Rowki te są miejscami, w których przyłączają się białka regulujące ekspresję genów oraz wzmacniające strukturę helisy DNA.
R12pFuuUXgYHY
Ciekawostka
Poprzez ogrzewanie roztworu DNA można rozdzielić dwa łańcuchy tworzące helisę DNA. Proces ten nazywa się denaturacją lub topnieniem DNA. Natomiast w wyniku szybkiego ochłodzenia roztworu nici DNA ponownie łączą się ze sobą zgodnie z zasadą komplementarności.
Indeks górny Źródło: Wiesława Widłak, Wprowadzenie do biologii molekularnej dla bioinformatyków, Wydawnictwo PJESTK, Warszawa 2010, s. 33–36. Indeks górny koniecŹródło: Wiesława Widłak, Wprowadzenie do biologii molekularnej dla bioinformatyków, Wydawnictwo PJESTK, Warszawa 2010, s. 33–36.
Dla zainteresowanych
Temperatura topnienia DNA (TIndeks dolny mm) jest temperaturą, w jakiej 50% próbki DNA ulega denaturacji. Stwierdzono, że istnieje liniowa zależność pomiędzy TIndeks dolny mm a składem nukleotydowym DNA. Do przerwania potrójnych wiązań występujących pomiędzy parami G:C potrzeba wyższej temperatury niż do rozdzielenia wiązań podwójnych pomiędzy A:T. Dlatego im więcej par G:C, tym wyższa wartość TIndeks dolny mm.
bg‑gray2
Formy helisy DNA
Na podstawie rozmiaru rowków w helisie DNA wyróżnia się kilka form tego kwasu. Najważniejsze z nich to B‑DNA, A‑DNA i Z‑DNA. Forma B‑DNA jest najczęściej występującą postacią. Jej odmianą jest A‑DNA, który występuje w warunkach odwodnienia. Forma B‑DNA przechodzi w formę A‑DNA w wyniku kontaktu z roztworem o dużym stężeniu soli lub alkoholem. Z kolei Z‑DNA stanowi najmniej skręconą formę, a jej struktura może zostać zachowana tylko w warunkach charakteryzujących się wysokim stężeniem jonów sodu (NaIndeks górny ++) i magnezu (MgIndeks górny 2+2+).
1
RqlAI3O54mDFJ
RYbqFQ9yscYSe
Porównanie form B-, A- i Z‑DNA
R1XOGzxmvDmHy
Ciekawostka
Opisany w 1953 r. przez Jamesa Watsona i Francisa Cricka model podwójnej helisy dotyczył formy B‑DNA.
bg‑yellow
Struktury przestrzenne RNA
RNA jest zazwyczaj jednoniciowy, choć fragmenty dwuniciowe stanowią regularne odcinki budowy niektórych rodzajów RNA omówionych poniżej. Nukleotyd będący podstawową jednostką strukturalną RNA inaczej nazywany jest rybonukleotydemrybonukleotydrybonukleotydem. Każdy nukleotyd zawiera rybozę, jedną z zasad azotowych: adeninę (A), guaninę (G), cytozynę (C) lub uracyl (U), a także resztę kwasu fosforowego(V).
bg‑gray2
Główne rodzaje RNA
Informacyjny RNA (mRNA, ang. messenger RNA)
Informacyjny RNA (mRNA, ang. messenger RNA)
Występuje w jądrze komórkowym oraz w cytoplazmie podstawowej. Zbudowany jest z pojedynczego łańcucha polinukleotydowego. Powstaje na matrycy DNA w procesie transkrypcji. Przenosi informację genetyczną zapisaną w DNA z jądra do cytoplazmy, gdzie informacja ta jest następnie wykorzystywana w procesie translacji (w biosyntezie białka).
Transferowy RNA (tRNA, ang. transfer RNA)
Transferowy RNA (tRNA, ang. transfer RNA)
Powstaje w jądrze komórkowym i przechodzi do cytoplazmy podstawowej przez pory w otoczce jądrowej. Przybiera skomplikowaną strukturę drugorzędową podobną do liścia koniczyny. Składają się na nią cztery ramiona, które mają fragmenty o strukturze dwuniciowej. Trzy ramiona zakończone są pętlami z niesparowanych nukleotydów. Czwarte ramię ma wolne końce. Komplementarne zasady azotowe w odcinkach dwuniciowych połączone są ze sobą za pomocą wiązań wodorowych. W trzeciorzędowej strukturze cząsteczki tRNA przypominają kształtem literę L.
R1EoEKqyvTf3l
Rqcvzwh9Ou0qg
Cząsteczki tRNA odpowiadają za dostarczenie odpowiednich aminokwasów do syntezy białka z cytoplazmy do rybosomów, gdzie w trakcie translacji zostają włączone do powstającego peptydu. Każde z czterech ramion pełni inną funkcję i nosi inną nazwę. Są to ramiona: aminokwasowe (akceptorowe), dihydrouracylowe (pętla D, DHU), zmienne (dodatkowe), rybotymidowe (TΨpsiC) i antykodonowe.
R13SzJo54qdT1
Funkcje ramion tRNA:
Ramię aminokwasowe (akceptorowe) – tworzą je sparowane nukleotydy końców 3′ i 5′. Jedynie koniec CCA‑3′ jest niesparowany. Do niego przyłącza się określony aminokwas, który jest transportowany do rybosomu.
Pętla rybotymidowa (TΨpsiC) – zawiera zmodyfikowaną zasadę, tzw. pseudouracyl. Ramię to służy do łączenia się tRNA z rybosomem i umocowania tRNA na matrycy mRNA.
Ramię zmienne (dodatkowe) – występuje w niektórych tRNA.
Pętla antykodonowa – rozpoznaje właściwy kodon mRNA i wiąże z nim tRNA.
Pętla dihydrouracylowa (pętla D, DHU) – zawiera informację o tym, jaki aminokwas może zostać przyłączony do tRNA. Występuje w niej nietypowy dla RNA nukleotyd – dihydroksyuracyl.
Rybosomalny RNA (rRNA, ang. ribosomal RNA)
Rybosomalny RNA (rRNA, ang. ribosomal RNA)
Powstaje w jądrze komórkowym i jest transportowany do cytoplazmy podstawowej. Występuje w rybosomach, do których podczas biosyntezy białka wiążą się mRNA oraz tRNA transportujący odpowiedni aminokwas.
RSdbEk0spOhGK
rRNA stanowi ok. 80% RNA komórki. Składa się głównie z jednoniciowego łańcucha nukleotydowego, który jest mocno poskręcany i miejscami tworzy pętle oraz fragmenty dwuniciowe stabilizowane przez wiązania wodorowe (struktura spinki do włosów). Oprócz typowych zasad azotowych zawiera również niewielką ilość metylowych pochodnych zasad azotowych.
Mały jądrowy RNA (snRNA, ang. small nuclear RNA)
Mały jądrowy RNA (snRNA, ang. small nuclear RNA)
Występuje w jądrach komórkowych. Struktura przestrzenna tego RNA jest podobna do rRNA. snRNA uczestniczy w procesie obróbki potranskrypcyjnejobróbka potranskrypcyjnaobróbki potranskrypcyjnej pre‑mRNA, w którym pełni funkcję katalizatora podczas wycinania intronówintronyintronów (splicingusplicingsplicingu). Jego cechą charakterystyczną jest wysoka zawartość urydynyurydynaurydyny w sekwencji nukleotydowej, dlatego określa się go również jako U‑RNA.
Mały jąderkowy RNA (snoRNA, ang. small nucleoral RNA)
Mały jąderkowy RNA (snoRNA, ang. small nucleoral RNA)
Występuje w rejonie jąderka w jądrach komórkowych organizmów eukariotycznych. Wraz z białkami tworzy rybonukleoproteiny. Ich rola polega na chemicznej modyfikacji rRNA oraz snRNA, związanej z przyłączaniem grup metylowych do specyficznych nukleotydów.
MikroRNA (miRNA) i mały interferujący RNA (siRNA, ang. short interfering RNA)
MikroRNA (miRNA) i mały interferujący RNA (siRNA, ang. short interfering RNA)
miRNA jest krótką (od 21 do 23 nukleotydów), jednoniciową cząsteczką powstającą z krótkiej cząsteczki RNA w kształcie spinki do włosów. Z kolei siRNA jest dwuniciowy i zawiera od 20 do 25 par zasad. Jego prekursorem są dłuższe dwuniciowe RNA (np. wirusowe). Zarówno miRNA, jak i siRNA powstają w wyniku cięcia RNA przez enzym Dicerenzym Dicerenzym Dicer i są komplementarne do wielu mRNA. Ich funkcja polega na wyciszaniu ekspresji genówwyciszanie ekspresji genówwyciszaniu ekspresji genów.
bg‑yellow
Porównanie budowy RNA i DNA
R15xLdgDJ6Zi21
Słownik
deoksyrybonukleotyd
deoksyrybonukleotyd
nukleotyd występujący w DNA; składa się z zasady azotowej (adenina, guanina, tymina lub cytozyna), węglowodanu deoksyrybozy oraz grupy fosforanowej
deoksyryboza
deoksyryboza
pięciowęglowy cukier prosty, składnik nukleotydów DNA
DNA
DNA
kwas deoksyrybonukleinowy, nośnik informacji genetycznej
enzym Dicer
enzym Dicer
endorybonukleaza, która tnie dwuniciowy RNA (dsRNA) na małe interferujące RNA oraz pre‑mikroRNA (pre‑miRNA) na mikroRNA; zarówno interferujące RNA, jak i mikroRNA są krótkimi, dwuniciowymi fragmentami RNA
funkcje katalityczne
funkcje katalityczne
właściwości niektórych cząsteczek umożliwiające przyspieszanie specyficznych reakcji chemicznych przez obniżenie ich energii aktywacji
introny
introny
elementy sekwencyjne genu występujące w komórkach eukariotycznych; introny wyłącznie rozdzielają geny, nie kodują sekwencji aminokwasów polipeptydu
łańcuch polinukleotydowy
łańcuch polinukleotydowy
wiele nukleotydów połączonych ze sobą wiązaniem fosfodiestrowym
nici antyrównoległe
nici antyrównoległe
zgodnie z zasadą dwubiegunowości jedna nić ma niezwiązany węgiel 5′, natomiast równoległa do niej nić ma niezwiązany węgiel 3′ znajdujący się na tym samym biegunie
nukleotyd
nukleotyd
podstawowa jednostka budulcowa kwasów nukleinowych, zbudowana z reszty cukrowej, zasady azotowej i reszty fosforanowej
obróbka potranskrypcyjna
obróbka potranskrypcyjna
wieloetapowy proces obróbki pre‑mRNA polegający na splicingu – wycięciu intronów i połączeniu eksonów oraz zmodyfikowaniu końców mRNA przez dodanie czapeczki guanylowej do końca 5′ oraz ogona poli‑A do końca 3′
oddziaływania warstwowe
oddziaływania warstwowe
oddziaływania powstające pomiędzy dwoma płaskimi układami, w których występują wiązania kowalencyjne; układy te znajdują się w odpowiedniej geometrii jeden pod drugim; w kwasach nukleinowych występują między zasocjowanymi (złączonymi) warstwowo parami zasad, pomiędzy którymi powstają wiązania hydrofobowe
podwójna helisa
podwójna helisa
struktura DNA – dwie nici polinukleotydowe skręcone wokół wspólnej osi, stabilizowana przez wiązania wodorowe
reguła komplementarności zasad
reguła komplementarności zasad
reguła mówiąca o tym, że pary zasad azotowych łączą się ze sobą w określony sposób: cytozyna (C) łączy się tylko z guaniną (G); adenina (A) w RNA łączy się z uracylem (U), a w DNA z tyminą (T)
RNA
RNA
kwas rybonukleinowy, nośnik informacji genetycznej
rybonukleotyd
rybonukleotyd
nukleotyd występujący w RNA; składa się z zasady azotowej (adenina, guanina, uracyl lub cytozyna), węglowodanu rybozy oraz grupy fosforanowej
cząsteczka RNA lub fragment DNA mający właściwości katalizujące
splicing
splicing
proces usuwania/wycinania intronów (sekwencji niekodujących), w wyniku którego dochodzi do połączenia eksonów (sekwencji kodujących) z prekursorowego mRNA eukariontów; zachodzi podczas obróbki potranskrypcyjnej
urydyna
urydyna
organiczny związek chemiczny, nukleozyd, zbudowany z uracylu (zasady pirymidynowej) połączonego z rybozą; występuje w RNA
wyciszanie ekspresji genów
wyciszanie ekspresji genów
wyłączenie ekspresji genu bez jego usuwania z żywego organizmu; polega na zablokowaniu transkrypcji lub translacji genu