Kwasy nukleinowe - budowa i funkcje

Znane są dwa rodzaje kwasów nukleinowych: kwas deoksyrybonukleinowy (DNA) oraz kwas rybonukleinowy (RNA). Jednostkami budującymi DNA i RNA są nukleotydy.

W budowie DNA występują cztery różne nukleotydy. Każdy z nich składa się z:  

• Nukleozydu, zbudowanego z jednej z zasad azotowych: adeniny (A), guaniny (G), cytozyny (C) lub tyminy (T) połączonej z pierwszym atomem węgla (1′) pięciowęglowego cukru deoksyrybozydeoksyrybozadeoksyrybozy.

R85C9VQVRHX7M

Ilustracja przedstawia wzory strukturalne dwóch zasad purynowych DNA: adeniny i guaniny. Po lewej stronie znajduje się adenina – związek o podwójnym pierścieniu chemicznym zawierającym atomy węgla i azotu oraz grupę aminową. Po prawej stronie pokazana jest guanina – również o podwójnym pierścieniu chemicznym zawierającym atomy węgla i azotu, z grupą aminową oraz grupą karbonylową. Pod wzorami znajdują się podpisy z nazwami zasad.

RETN8CM4UABLV

Ilustracja przedstawia wzory strukturalne dwóch zasad azotowych DNA: cytozyny i tyminy. Po lewej stronie znajduje się cytozyna – pojedynczy pierścień chemiczny zawierający atomy węgla i azotu oraz grupę aminową i karbonylową. Po prawej stronie pokazana jest tymina – pojedynczy pierścień chemiczny zawierający atomy węgla i azotu, z dwoma grupami karbonylowymi oraz grupą metylową. Pod każdym wzorem umieszczono nazwę odpowiedniej zasady.

• Reszty kwasu fosforowego(V) połączonej z grupą hydroksylową piątego atomu węgla (5′) deoksyrybozy.

R2TRO2QSRQLGU

Grafika przedstawia budowę nukleotydu DNA. Składa się on z reszty kwasu fosforowego pięć połączonego wiązaniem estrowym z pierścieniem deoksyrybozy. Pięciowęglowa deoksyryboza połączona jest wiązaniem N‑glikozydowym z zasadą azotową. Zasada azotowa i deoksyryboza są oznaczone jako nukleozyd, a zasada azotowa, deoksyryboza i reszta kwasu fosforowego jako nukleotyd.

W cząsteczce DNA nukleotydy łączą się ze sobą wiązaniem fosfodiestrowym (3′-5′-fosfodiestrowym). Powstaje ono w wyniku przyłączenia reszty fosforanowej znajdującej się przy węglu 5′ deoksyrybozy jednego nukleotydu do węgla 3′ deoksyrybozy drugiego nukleotydu. W wyniku połączenia ze sobą wielu nukleotydów powstaje łańcuch polinukleotydowy DNA. 

R1GQ1H9OTFHFN

Grafika przedstawia budowę polinukleotydu. Pojedynczy nukleotyd składa się z reszty kwasu fosforowego pięć połączonego wiązaniem estrowym z pierścieniem deoksyrybozy. Pięciowęglowa deoksyryboza połączona jest wiązaniem N‑glikozydowym z zasadą azotową. Poszczególne nukleotydy w łańcuchu polinukleotydowym połączone są ze sobą za pomocą wiązania fosfodiestrowego występującego pomiędzy resztą kwasu fosforowego pięć jednego z nich a pierścieniem deoksyrybozy drugiego. Na grafice oznaczono koniec 3 prim łańcucha znajdujący się przy cukrze, oraz koniec 5 prim znajdujący się przy reszcie fosforanowej.

W łańcuchu DNA prawie wszystkie grupy 3′- i 5′-hydroksylowe uczestniczą w tworzeniu wiązań fosfodiestrowych. Wyjątkiem są grupy położone na początku i końcu łańcucha: reszta fosforanowa przy końcu 5′ w pierwszym nukleotydzie nie jest związana z innym, a ostatni nukleotyd w łańcuchu ma wolną grupę 3′-hydroksylową w deoksyrybozie. Stąd każdy łańcuch DNA wykazuje polarność budowy. Przyjęto, że sekwencję (kolejność) zasad w DNA zapisuje się w kierunku od końca 5′ łańcucha DNA do końca 3′, czyli w kierunku 5′→3′.

Cząsteczka DNA zbudowana jest z dwóch łańcuchów polinukleotydowych (nazywanych również nićmi) skręconych helikalnie (śrubowo) wokół wspólnej osi. Strukturę tę nazywa się podwójną helisą. W strukturze podwójnej helisy DNA zasady azotowe skierowane są do jej wnętrza, natomiast szkielet cukrowo‑fosforanowy znajduje się na zewnątrz.

RGLZBEFFPOKD7

Grafika przedstawia nić DNA z zasadami azotowymi rozmieszczonymi pomiędzy dwoma nićmi. Oznaczono pełen skręt helisy równy 3,4 nanometra oraz szkielet cukrowo‑fosforanowy. Pary zasad azotowych połączone są ze sobą przy pomocy wiązań wodorowych: adenina z tyminą dwoma wiązaniami, a cytozyna z guaniną trzema.

Podwójna helisa utrzymywana jest dzięki licznym wiązaniom wodorowym łączącym zasady azotowe obu łańcuchów.

R93RJA5524U42

Na schemacie przedstawiono pary zasad w DNA. Liniami przerywanymi oznaczono wiązania wodorowe. Na pierwszej ilustracji widać fioletowy sześciokąt, którego kąty oznaczone są dużymi, fioletowymi punktami. We wnętrzu sześciokąta znajduje się duża litera G. Do niego przylega mniejszy, fioletowy pięciokąt. Obok znajduje się niebieski sześciokąt, którego kąty oznaczone są dużymi, niebieskimi punktami. We wnętrzu sześciokąta znajduje się duża litera C. Punkty niebieskie i fioletowe połączone są ze sobą trzema przerywanymi liniami. Na drugiej ilustracji widać zielony sześciokąt, którego kąty oznaczone są dużymi, zielonymi punktami. We wnętrzu sześciokąta znajduje się duża litera A. Do niego przylega mniejszy, zielony pięciokąt. Obok znajduje się czerwony sześciokąt, którego kąty oznaczone są dużymi, czerwonymi punktami. We wnętrzu sześciokąta znajduje się duża litera T. Punkty zielone i czerwone połączone są ze sobą dwoma przerywanymi liniami.

Na przełomie lat 40. i 50. XX w. Erwin Chargaff stwierdził, że w DNA danego organizmu ilość adeniny  jest równa ilości tyminy, a ilość guaniny równa ilości cytozyny. Zależność ta jest znana jako reguła (zasada) Chargaffa, a jej odkrycie pozwoliło później sformułować regułę komplementarności zasad azotowychreguła komplementarności zasad azotowychregułę komplementarności zasad azotowych.

Komplementarność zasad sprawia, że oba łańcuchy polinukleotydowe są względem siebie komplementarne, czyli sekwencja nukleotydów jednej nici wyznacza kolejność nukleotydów drugiej nici. 

RQQVO3AHDQS4S

Schemat przedstawia arcyrównoległość i komplementarność nici DNA. Nici DNA przebiegają w przeciwnych kierunkach względem siebie. Kierunek nici określany jest na podstawie grupy, jaka znajduje się na jej końcu. Pierwsza, wyżej położona linia przebiega w kierunku od 5 indeks górny kreska do 3 indeks górny kreska. Rozpoczyna się ona od ramki z napisem: koniec 5 indeks górny kreska, dalej znajduje się wzór chemiczny: symbol P położony jest w centrum, dookoła niego znajdują się cztery cząsteczki O na planie krzyża. Wzór łączy się z zieloną, grubą nicią i kończy grupą OH. Dalej znajduje się ramka z napisem: koniec 3 indeks górny kreska. Dolna linia jest odbiciem lustrzanym górnej. Rozpoczyna się ramką z napisem: koniec 3 indeks górny kreska, dalej występuje grupa HO, która łączy się z zieloną, grubą nicią i kończy odwróconym do góry nogami wzorem chemicznym: symbol P położony jest w centrum, dookoła niego znajdują się cztery cząsteczki O na planie krzyża i kończy się ramką z napisem: koniec 5 indeks górny kreska. Pod spodem widnieje strzałka od prawej do lewej strony z napisem: Kierunek od 3 indeks górny kreska do 5 indeks górny kreska. Pomiędzy grubymi, zielonymi liniami występują litery połączone ze sobą liniami. Litera G przylegająca do górnej linii łączy się z literą C przylegającą do dolnej linii trzema pomarańczowymi kreskami, litera T przylegająca do górnej linii łączy się z literą A przylegającą do dolnej linii dwoma pomarańczowymi kreskami, dalej litera G przylegająca do górnej linii łączy się z literą C przylegającą do dolnej linii trzema pomarańczowymi kreskami, litera A przylegająca do górnej linii łączy się z literą T przylegającą do dolnej linii dwoma pomarańczowymi kreskami, znów litera A przylegająca do górnej linii łączy się z literą T przylegającą do dolnej linii dwoma pomarańczowymi kreskami i na końcu litera C przylegająca do górnej linii łączy się z literą G przylegającą do dolnej linii trzema pomarańczowymi kreskami.

Funkcje DNA

DNA jest materiałem genetycznym służącym do przechowywania informacji genetycznej, czyli instrukcji o budowie białek (określając rodzaj i sekwencję aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym) oraz różnych rodzajów cząsteczek RNA. Poprzez syntezę białek i aktywność RNA, informacja ta warunkuje konkretne cechy organizmu.    

DNA przekazywany jest również z pokolenia na pokolenie, dzięki czemu informacja genetyczna w nim zawarta jest dziedziczona. 

RNA, podobnie jak DNA, zbudowany jest z długich, nierozgałęzionych łańcuchów polinukleotydowych, złożonych z wielu nukleotydów.

W skład nukleotydów tworzących RNA wchodzą następujące elementy:

• Nukleozyd zbudowany z jednej z zasad azotowych: adeniny (A), cytozyny (C), guaniny (G) lub uracylu (U) połączonej z pierwszym atomem węgla (1′) pięciowęglowego cukru rybozy wiązaniem N‑glikozydowym.

red

Ważne!

Jedną z różnic pomiędzy nukleotydami obecnymi w RNA i DNA jest występowanie uracylu (U) zamiast obecnej w DNA tyminy (T).

RC8N1P4JXHMJ7

Ilustracja przedstawia azotowe zasady zawierające cząsteczki lub atomy azotu w dwóch pięciokątnych pierścieniach. Pod jednym widoczny jest napis adenina, a pod drugim guanina. Wzór sumaryczny adeniny C indeks dolny 5 H indeks dolny 5 N indeks dolny 5. Wzór sumaryczny guaniny C indeks dolny 5 H indeks dolny 5 N indeks dolny 5 O.

RTGLCDFLUL6ES

Ilustracja przedstawia azotowe zasady. Widoczne są dwa pięciokątne pierścienie. Pod jednym znajduje się napis cytozyna, a pod drugim uracyl. W cytozynie widoczny jest jest jeden atom tlenu, a w uracylu, który jest tylko w RNA, widoczne są dwa atomy tlenu. Wzór sumaryczny cytozyny C indeks dolny 4 H indeks dolny 5 N indeks dolny 3 O. Wzór sumaryczny C indeks dolny 4 H indeks dolny 4 N indeks dolny 2 O indeks dolny 2.

• Grupa fosforanowa(V) połączona z nukleozydem wiązaniem estrowym.

W wyniku połączenia wielu nukleotydów powstaje łańcuch polinukleotydowy RNA. Sąsiadujące nukleotydy połączone są ze sobą wiązaniami 3',5'-fosfodiestrowymi, w których grupa fosforanowa przyłączona do węgla 5′ rybozy łączy się z węglem 3′ rybozy drugiego nukleotydu.

Podobnie jak w przypadku DNA, dwa wolne końca polimeru RNA różnią się od siebie. Na jednym końcu znajduje się reszta fosforanowa związana z węglem 5′, natomiast na drugim końcu grupa hydroksylowa przyłączona do węgla 3′. Stąd każdy łańcuch RNA wykazuje polarność budowy. Sekwencję zasad zapisuje się - jak dla DNA - w kierunku od końca 5′ łańcucha do końca 3′, czyli w kierunku 5′→3′.

RNA jest zazwyczaj cząsteczką jednoniciową, która może tworzyć różnorodne struktury przestrzenne, np. strukturę spinki do włosów czy liścia koniczyny. Może jednak przyjmować również postać dwuniciową. W tej formie występuje m.in. jako materiał genetyczny niektórych wirusów (np. wirus mozaiki kalafiora i wiele innych wirusów roślinnych, wirusy zwierzęce, takie jak HIV i wirus grypy).

Rodzaje RNA

Wyróżnia się dwie grupy RNA – kodujące i niekodujące. 

Do kodujących RNA należy informacyjny RNA (mRNA), który stanowi 4‑5% wszystkich RNA w komórce.

Do grupy niekodujących RNA (95‑96% całości RNA), nazywanych również funkcjonalnymi RNA należą: transportujący RNA (tRNA), rybosomalny RNA (rRNA). mały jądrowy RNA (snRNA), mały jąderkowy RNA (snoRNA) oraz mikroRNA (miRNA) i mały interferujący RNA (siRNA). Pełnią one funkcję katalityczną i regulatorową podczas ekspresji genówekspresja genówekspresji genów.

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 transkrypcjitranskrypcjatranskrypcji. 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.

RCFVHDJ4SQ9P7

Ilustracja przedstawia model dwuwymiarowy struktury drugorzędowej cząsteczki tRNA. Jest on usytuowany na planie krzyża, składa się z dwóch rzędów odcinków tworzących wstęgę, która ma kolor biały; dolne oraz boczne ramiona są zakończone okrągłymi przestrzeniami. W górnej części górnego ramienia z prawej strony wystają do góry trzy odcinki zakolorowane na zielono podpisane jako: miejsce przyłączenia aminokwasu z cyfrą 3 indeks górny przecinek; z lewej strony tego ramienia występuje napis: 5 indeks górny kreska. W dolnym ramieniu, na spodniej części zaokrąglonej przestrzeni znajdują się również trzy zielone odcinki z podpisem: trójka nukleotydów komplementarna do trójki nukleotydów mRNA (antykodon). Dwie wstęgi, z których składa się każde ramię krzyża łączą linie – w górnym ramieniu występuje pięć linii, w prawym cztery linie, w lewym trzy linie a w dolnym cztery linie. Prawe ramię krzyża znajduje się trochę wyżej niż lewe, występuje pod nim niewielkie wybrzuszenie.

RLEDD2AUUSOC6

Ilustracja przedstawia model trójwymiarowy struktury trzeciorzędowej tRNA. Jest to zwinięta i poskręcana linia, która swój początek i koniec ma na górze schematu. Składa się ona z jasno- i ciemnozielonych odcinków, które są w niektórych miejscach połączone ze sobą cienkimi liniami. Na dole schematu ciemnozielony odcinek będący dolną częścią pętli podpisany jest jako antykodon, natomiast kolejny, ciemnozielony odcinek na górze podpisany jest jako miejsce przyłączenia aminokwasu.

Cząsteczki tRNA odpowiadają za dostarczenie odpowiednich aminokwasów do syntezy białka z cytoplazmy do rybosomów, gdzie w trakcie translacjitranslacjatranslacji zostają włączone do powstającego peptydu. Każde z czterech ramion pełni inną funkcję i nosi inną nazwę. Najważniejsze ramiona: aminokwasowe (akceptorowe) i antykodonowe.

R1BSPA6EMOQB9

Ilustracja ukazuje, że cząsteczka tRNA złożona jest z czterech charakterystycznych pętli – są to formy przestrzenne jednoniciowego tRNA powstałe w wyniku sparowania nukleotydów wiązaniami wodorowymi u podstawy pętli. Reguła parowania nukleotydów w tRNA jest zgodna z zasadą komplementarności Watsona–Cricka. Model cząsteczki usytuowany na planie krzyża, składa się z dwóch rzędów odcinków tworzących wstęgę, która ma kolor biały; dolne oraz boczne ramiona są zakończone okrągłymi przestrzeniami. W górnej części górnego ramienia z prawej strony wystają do góry trzy odcinki pokolorowane na zielono, podpisane jako: miejsce przyłączenia aminokwasu z cyfrą 3 indeks górny przecinek. Na tych odcinkach znajdują się litery A,C, C; z lewej strony tego ramienia występuje napis: 5 indeks górny kreska. Odcinek pod literami ACC podpisany jest jako mostek akceptorowy. W dolnym ramieniu, na spodniej części zaokrąglonej przestrzeni podpisanej jako pętla antykodonowa znajdują się również trzy zielone odcinki z podpisem: trójka nukleotydów komplementarna do trójki nukleotydów mRNA (antykodon). Dwie wstęgi, z których składa się każde ramię krzyża łączą linie – w górnym ramieniu występuje pięć linii, w prawym cztery linie, w lewym trzy linie a w dolnym cztery linie. Prawe ramię krzyża z okrągłym zakończeniem podpisanym jako pętla T Psi C znajduje się trochę wyżej niż lewe, podpisane jako pętla D. Występuje pod nim niewielkie wybrzuszenie – ramię zmienne.

Funkcje ramion tRNA:

• Ramię aminokwasowe (akceptorowe) – do niego przyłącza się określony aminokwas, który jest transportowany do rybosomu.

• Pętla antykodonowa – rozpoznaje właściwy kodon mRNA i wiąże z nim tRNA.

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.

R4HMR3S7TF59X

Ilustracja przedstawia przykładowy fragment rybosomalnego R N A (r R N A) - jest to mała podjednostka r R N A bakteryjnego. Fragment stanowi nić, utworzona z rybonukleotydów bazujących na reszcie cukrowej - rybozie, resztach fosforanowych, które razem tworzą szkielet cukrowo‑fosforanowy oraz odpowiedniej zasadzie azotowej spośród czterech możliwych: cytozyny, guaniny, adeniny lub uracylu. Pojedynczy łańcuch przedstawiono jako uszeregowane jedna obok drugiej litery odpowiadające poszczególnym zasadom wbudowanym w łańcuch polinukleotydowy, który w tym przypadku jest stosunkowo krótki, około kilkaset rybonukleotydów. łańcuch ten nie stanowi luźnej pojedynczej nici, lecz ma określoną konformację, która jest niezbędna do prawidłowego przebiegu translacji. Konformację podtrzymują wewnątrzcząsteczkowe wiązania wodorowe występujące pomiędzy parami zasad, które to występują, co kilka par, nieregularnie, co z kolei prowadzi do tworzenia tak zwanych pętli przy fragmentach, w których owe parowanie nie występuje. Pary w R N A tworzą odpowiednio adenina z uracylem oraz cytozyna z guaniną.

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.

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 intronówintronintronów (splicingusplicingsplicingu). 

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 są komplementarne do wielu mRNA. Ich funkcja polega na wyciszaniu ekspresji genów.

RMZOUMNP23ZS1

Film nawiązujący do treści skład chemiczny i rodzaje RNA.

Film nawiązujący do treści skład chemiczny i rodzaje RNA.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/RMZOUMNP23ZS1

Film nawiązujący do treści skład chemiczny i rodzaje RNA.

Podsumowanie

1. Ogólna charakterystyka

• Kwasy nukleinowe są zbudowane z powtarzalnych jednostek – nukleotydów

• Wyróżniamy dwa rodzaje: DNA (kwas deoksyrybonukleinowy) i RNA (kwas rybonukleinowy).

2. Budowa DNA

• Składa się z czterech nukleotydów, każdy z nich zawiera cukier deoksyrybozę, resztę kwasu fosforowego oraz jedną z zasad azotowych: adeninę (A), guaninę (G), cytozynę (C) lub tyminę (T).

• Nukleotydy połączone wiązaniami fosfodiestrowymi (3′-5′) tworząc nić (łańcuch polinukleotydowy).

• Nici DNA mają polarność tzn. koniec 5′ i koniec 3′.

• Nici DNA połączone ze sobą wiązaniami wodorowymi między zasadami azotowymi należącymi do dwóch różnych nici tworzą przestrzenną strukturę – podwójną helisę.

• Reguła Chargaffa mówi, że w dwuniciowym DNA stosunek ilości zasad purynowych (adeniny i guaniny) do zasad pirymidynowych (tyminy i cytozyny) jest zawsze równy, co wynika z zasady komplementarności zasad i warunkuje komplementarność nici DNA względem siebie.

3. Funkcje DNA

• Materiał genetyczny – przechowuje informację o budowie białek i RNA.

• Odpowiada za dziedziczenie cech organizmu.

4. Budowa RNA

• Łańcuch polinukleotydowy składający się z nukleotydów: A, G, C, U (uracyl) + ryboza + fosforan.

• Różnice względem DNA: ryboza zamiast deoksyrybozy, uracyl zamiast tyminy.

• RNA ma polarność, tzn. koniec 5′ i koniec 3′).

• Cząsteczki RNA są zwykle jednoniciowe, niekiedy tworzą struktury dwuniciowe (np. spinki do włosów).

5. Rodzaje RNA

• Kodujące RNA:
  - mRNA (informacyjny) – 4–5% RNA w komórce.

• Niekodujące RNA (95–96% RNA):
  - tRNA (transportujący).
  - rRNA (rybosomalny).
  - snRNA, snoRNA, miRNA, siRNA – funkcje katalityczne i regulatorowe w ekspresji genów.

Ćwiczenia utrwalające