KWASY NUKLEINOWE: CHARAKTERYSTYKA, FUNKCJE, STRUKTURA - BIOLOGIA - 2026

Te kwasy nukleinowe są utworzone przez duże cząsteczki biologiczne jednostek lub monomerów nazywanych nukleotydami. Odpowiadają za przechowywanie i przekazywanie informacji genetycznej. Uczestniczą także na każdym z etapów syntezy białek.

Strukturalnie każdy nukleotyd składa się z grupy fosforanowej, pięciowęglowego cukru i heterocyklicznej zasady azotowej (A, T, C, G i U). Przy fizjologicznym pH kwasy nukleinowe są naładowane ujemnie, rozpuszczalne w wodzie, tworzą lepkie roztwory i są dość stabilne.

Źródło: pixabay.com

Istnieją dwa główne typy kwasów nukleinowych: DNA i RNA. Skład obu kwasów nukleinowych jest podobny: w obu znajdujemy szereg nukleotydów połączonych wiązaniami fosfodiestrowymi. Jednak w DNA znajdujemy tyminę (T), aw RNA uracyl (U).

DNA jest dłuższe i ma konformację podwójnej helisy, a RNA składa się z pojedynczej nici. Cząsteczki te są obecne we wszystkich żywych organizmach, od wirusów po duże ssaki.

Perspektywa historyczna

Odkrycie kwasów nukleinowych

Odkrycie kwasów nukleinowych sięga 1869 roku, kiedy to Friedrich Miescher zidentyfikował chromatynę. W swoich eksperymentach Miescher wydobył galaretowaty materiał z rdzenia i odkrył, że substancja ta jest bogata w fosfor.

Początkowo materiał o tajemniczej naturze był określany jako „nukleina”. Późniejsze eksperymenty na nukleinie wykazały, że jest ona nie tylko bogata w fosfor, ale także w węglowodany i zasady organiczne.

Phoebus Levene odkrył, że nukleina jest polimerem liniowym. Chociaż znane były podstawowe właściwości chemiczne kwasów nukleinowych, nie uznano, że istnieje związek między tym polimerem a materiałem dziedzicznym istot żywych.

Odkrycie funkcji DNA

W połowie lat czterdziestych dla ówczesnych biologów nie było przekonujące, że cząsteczka odpowiedzialna za przekazywanie i przechowywanie informacji o organizmie znajduje się w cząsteczce o konformacji tak prostej jak DNA - złożonej z czterech bardzo podobnych monomerów (nukleotydów). każdy.

Białka, polimery złożone z 20 typów aminokwasów, wydawały się wówczas najbardziej prawdopodobnymi kandydatami na cząsteczkę dziedziczności.

Ten pogląd zmienił się w 1928 roku, kiedy badacz Fred Griffith podejrzewał, że nukleina jest zaangażowana w dziedziczenie. Wreszcie, w 1944 roku Oswald Avery zdołał wyciągnąć solidne dowody, że DNA zawiera informację genetyczną.

W ten sposób DNA przeszło od nudnej i monotonnej cząsteczki, składającej się tylko z czterech elementów budulcowych, do cząsteczki, która umożliwia przechowywanie ogromnej liczby informacji i która może je zachować i przekazać w precyzyjny, dokładny i skuteczny sposób.

Odkrycie struktury DNA

Rok 1953 był przełomowy dla nauk biologicznych, ponieważ badacze James Watson i Francis Crick wyjaśnili prawidłową strukturę DNA.

Na podstawie analiz wzorców odbicia promieniowania rentgenowskiego wyniki Watsona i Cricka sugerują, że cząsteczka jest podwójną helisą, w której grupy fosforanowe tworzą szkielet zewnętrzny, a zasady wystają do wnętrza.

Na ogół stosuje się analogię do drabiny, gdzie poręcze odpowiadają grupom fosforanowym, a szczeble - podstawom.

Odkrycie sekwencjonowania DNA

W ciągu ostatnich dwóch dziesięcioleci nastąpił niezwykły postęp w biologii, któremu przewodziło sekwencjonowanie DNA. Dzięki postępowi technologicznemu mamy dziś technologię niezbędną do poznania sekwencji DNA z dość dużą precyzją - przez „sekwencję” rozumiemy kolejność zasad.

Początkowo wyjaśnienie sekwencji było kosztowne i zajęło dużo czasu. Obecnie nie jest problemem poznanie sekwencji całych genomów.

cechy

Ładunek i rozpuszczalność

Jak sama nazwa wskazuje, kwasy nukleinowe mają charakter kwaśny i są to cząsteczki o wysokiej rozpuszczalności w wodzie; to znaczy są hydrofilowe. W fizjologicznym pH cząsteczka jest naładowana ujemnie z powodu obecności grup fosforanowych.

W konsekwencji białka, z którymi związany jest DNA, są bogate w reszty aminokwasowe o ładunkach dodatnich. Prawidłowe połączenie DNA ma kluczowe znaczenie dla jego pakowania w komórkach.

Lepkość

Lepkość kwasu nukleinowego zależy od tego, czy jest to prążek podwójny czy pojedynczy. Dwupasmowe DNA tworzy roztwory o dużej lepkości, ponieważ jego struktura jest sztywna, odporna na odkształcenia. Ponadto są to niezwykle długie cząsteczki w stosunku do ich średnicy.

Natomiast istnieją również jednopasmowe roztwory kwasów nukleinowych, które charakteryzują się niską lepkością.

Stabilność

Inną cechą kwasów nukleinowych jest ich stabilność. Naturalnie cząsteczka, której zadaniem jest tak nieodzowne, jak przechowywanie dziedzictwa, musi być bardzo stabilna.

Dla porównania DNA jest bardziej stabilny niż RNA, ponieważ nie zawiera grupy hydroksylowej.

Możliwe, że ta cecha chemiczna odegrała ważną rolę w ewolucji kwasów nukleinowych i wyborze DNA jako materiału dziedzicznego.

Zgodnie z hipotetycznymi przejściami proponowanymi przez niektórych autorów, RNA zostało zastąpione DNA w procesie ewolucyjnym. Jednak obecnie istnieją wirusy, które wykorzystują RNA jako materiał genetyczny.

Absorpcja światła ultrafioletowego

Absorpcja kwasów nukleinowych zależy również od tego, czy jest to dwupasmowe, czy jednopasmowe. Szczyt absorpcji pierścieni w ich strukturze wynosi 260 nanometrów (nm).

Gdy dwupasmowa nić DNA zaczyna się rozdzielać, absorpcja przy wspomnianej długości fali wzrasta, ponieważ pierścienie tworzące nukleotydy są odsłonięte.

Ten parametr jest ważny dla biologów molekularnych w laboratorium, ponieważ mierząc wychwyt, mogą oszacować ilość DNA znajdującą się w ich próbkach. Ogólnie znajomość właściwości DNA przyczynia się do jego oczyszczania i leczenia w laboratoriach.

Klasyfikacja (typy)

Dwa główne kwasy nukleinowe to DNA i RNA. Obie są składnikami wszystkich żywych istot. DNA oznacza kwas dezoksyrybonukleinowy, a RNA - kwas rybonukleinowy. Obie cząsteczki odgrywają fundamentalną rolę w dziedziczności i syntezie białek.

DNA to cząsteczka, która przechowuje wszystkie informacje niezbędne do rozwoju organizmu i jest pogrupowana w funkcjonalne jednostki zwane genami. RNA jest odpowiedzialne za pobieranie tych informacji i wraz z kompleksami białkowymi tłumaczy informacje z łańcucha nukleotydów na łańcuch aminokwasów.

Nici RNA mogą mieć długość od kilkuset do kilku tysięcy nukleotydów, podczas gdy nici DNA przekraczają miliony nukleotydów i można je wizualizować w świetle mikroskopu optycznego, jeśli zostaną zabarwione barwnikami.

Podstawowe różnice strukturalne między obiema cząsteczkami zostaną szczegółowo omówione w następnej sekcji.

RNA

W komórkach istnieją różne typy RNA, które razem współdziałają, aby koordynować syntezę białek. Trzy główne typy RNA to przekaźnikowy, rybosomalny i transferowy.

Komunikator RNA

Informator RNA jest odpowiedzialny za kopiowanie wiadomości istniejącej w DNA i transportowanie jej do syntezy białek, która zachodzi w strukturach zwanych rybosomami.

RNA rybosomalny lub rybosomalny

Rybosomalne RNA jest częścią tej podstawowej maszynerii: rybosomu. Z rybosomu 60% składa się z RNA rybosomu, a resztę zajmuje prawie 80 różnych białek.

Przenieś RNA

Transfer RNA jest rodzajem adaptera molekularnego, który transportuje aminokwasy (elementy budulcowe białek) do rybosomu, który ma zostać włączony.

Mały RNA

Oprócz tych trzech podstawowych typów istnieje szereg dodatkowych RNA, które niedawno odkryto i odgrywają zasadniczą rolę w syntezie białek i ekspresji genów.

Małe jądrowe RNA, w skrócie snRNA, uczestniczą jako jednostki katalityczne w splicingu (procesie polegającym na usunięciu intronów) informacyjnego RNA.

Małe jąderkowe RNA lub snoRNA biorą udział w przetwarzaniu pre-rybosomalnych transkryptów RNA, które będą stanowić część podjednostki rybosomu. Dzieje się to w jąderku.

Krótkie interferujące RNA i mikroRNA to małe sekwencje RNA, których główną rolą jest modulacja ekspresji genów. MikroRNA są kodowane z DNA, ale ich translacja na białka nie jest kontynuowana. Są jednoniciowe i mogą uzupełniać komunikat RNA, hamując jego translację na białka.

Struktura i skład chemiczny

Kwasy nukleinowe to długie łańcuchy polimerowe zbudowane z jednostek monomerycznych zwanych nukleotydami. Każdy składa się z:

Grupa fosforanowa

Istnieją cztery typy nukleotydów i mają one wspólną strukturę: grupę fosforanową połączoną z pentozą wiązaniem fosfodiestrowym. Obecność fosforanów nadaje cząsteczce kwasowy charakter. Grupa fosforanowa ulega dysocjacji przy pH komórki, więc jest naładowana ujemnie.

Ten ładunek ujemny umożliwia łączenie kwasów nukleinowych z cząsteczkami o ładunku dodatnim.

Niewielkie ilości nukleozydów można znaleźć w komórkach, a także w płynach zewnątrzkomórkowych. Są to cząsteczki zbudowane ze wszystkich składników nukleotydu, ale pozbawione grup fosforanowych.

Zgodnie z tą nomenklaturą nukleotyd to nukleozyd, który ma jedną, dwie lub trzy grupy fosforanowe zestryfikowane na grupie hydroksylowej znajdującej się przy węglu 5 '. Nukleozydy z trzema fosforanami biorą udział w syntezie kwasów nukleinowych, chociaż pełnią również inne funkcje w komórce.

Pentoza

Pentoza to monomeryczny węglowodan składający się z pięciu atomów węgla. W DNA pentoza jest dezoksyrybozą, która charakteryzuje się utratą grupy hydroksylowej przy węglu 2 '. W RNA pentoza jest rybozą.

Zasada azotowa

Pentoza jest z kolei związana z zasadą organiczną. Tożsamość nukleotydu jest zapewniana przez tożsamość zasady. Istnieje pięć typów, w skrócie ich inicjałów: adenina (A), guanina (G), cytozyna (C), tymina (T) i uracyl (U).

W literaturze często stwierdza się, że te pięć liter odnosi się do całego nukleotydu. Jednak, ściśle mówiąc, są to tylko część nukleotydu.

Pierwsze trzy, A, G i C, są wspólne zarówno dla DNA, jak i RNA. Podczas gdy T jest unikalna dla DNA, a uracyl jest ograniczony do cząsteczki RNA.

Strukturalnie zasady są heterocyklicznymi związkami chemicznymi, których pierścienie są zbudowane z cząsteczek węgla i azotu. A i G są utworzone przez parę skondensowanych pierścieni i należą do grupy puryn. Pozostałe zasady należą do pirymidyn, a ich struktura składa się z pojedynczego pierścienia.

Powszechne jest, że w obu typach kwasów nukleinowych znajdujemy szereg zmodyfikowanych zasad, takich jak dodatkowa grupa metylowa.

Kiedy dochodzi do tego zdarzenia, mówimy, że zasada jest metylowana. U prokariotów zwykle spotyka się metylowane adeniny, a zarówno u prokariontów, jak i eukariontów cytozyny mogą mieć dodatkową grupę metylową.

Jak zachodzi polimeryzacja?

Jak wspomnieliśmy, kwasy nukleinowe to długie łańcuchy zbudowane z monomerów - nukleotydów. Aby utworzyć łańcuchy, są one połączone w określony sposób.

Kiedy nukleotydy polimeryzują, grupa hydroksylowa (-OH) znajdująca się na węglu 3 'cukru jednego z nukleotydów tworzy wiązanie estrowe z grupą fosforanową z innej cząsteczki nukleotydu. Podczas tworzenia tego wiązania następuje usunięcie cząsteczki wody.

Ten typ reakcji nazywany jest „reakcją kondensacji” i jest bardzo podobny do tego, który zachodzi, gdy wiązania peptydowe w białkach tworzą się między dwiema resztami aminokwasów. Wiązania między każdą parą nukleotydów nazywane są wiązaniami fosfodiestrowymi.

Podobnie jak w polipeptydach, łańcuchy kwasu nukleinowego mają na swoich końcach dwie orientacje chemiczne: jedna to koniec 5 'zawierający wolną grupę hydroksylową lub grupę fosforanową na węglu 5' końcowego cukru, podczas gdy na końcu 3 ´ znajdujemy wolną grupę hydroksylową węgla 3´.

Wyobraźmy sobie, że każdy blok DNA jest zestawem Lego, z jednym końcem, który jest włożony i wolnym otworem, w którym może nastąpić wstawienie kolejnego bloku. Koniec 5 'z fosforanem będzie końcem do wprowadzenia, a koniec 3' jest analogiczny do wolnego otworu.

Inne nukleotydy

W komórce znajdziemy inny rodzaj nukleotydów o innej budowie niż wspomniany powyżej. Chociaż nie będą one częścią kwasów nukleinowych, odgrywają bardzo ważną rolę biologiczną.

Do najważniejszych należą między innymi mononukleotyd ryboflawiny, znany jako FMN, koenzym A, dinukleotyd adeninowy i nikotynoamina.

Struktura RNA

Liniowa struktura polimeru kwasu nukleinowego odpowiada pierwszorzędowej strukturze tych cząsteczek. Polinukleotydy mają również zdolność tworzenia trójwymiarowych macierzy stabilizowanych siłami niekowalencyjnymi - podobnie do fałdowania występującego w białkach.

Chociaż podstawowy skład DNA i RNA jest dość podobny (z wyjątkiem wspomnianych powyżej różnic), skład ich struktury jest znacznie inny. RNA są powszechnie spotykane jako pojedynczy łańcuch nukleotydowy, chociaż mogą przybierać różne układy.

Na przykład transferowe RNA to małe cząsteczki zbudowane z mniej niż 100 nukleotydów. Jego typowa drugorzędowa struktura ma postać trójramiennej koniczyny. Oznacza to, że cząsteczka RNA znajduje w środku komplementarne zasady i może się zwijać.

Rybosomalne RNA to większe cząsteczki, które przyjmują złożone trójwymiarowe konformacje i wykazują strukturę drugorzędową i trzeciorzędową.

Struktura DNA

Podwójna helisa

W przeciwieństwie do liniowego RNA, układ DNA składa się z dwóch splecionych ze sobą nici. Ta różnica strukturalna ma kluczowe znaczenie dla pełnienia jego określonych funkcji. RNA nie jest zdolne do tworzenia tego typu helis z powodu zawady przestrzennej narzuconej przez dodatkową grupę OH, którą przedstawia jego cukier.

Podstawa komplementarności

Pomiędzy podstawami istnieje komplementarność. Oznacza to, że w wyniku ich wielkości, kształtu i składu chemicznego puryny muszą łączyć się z pirymidyną poprzez wiązania wodorowe. Z tego powodu w naturalnym DNA stwierdzamy, że A jest prawie zawsze sparowany z T i G z C, tworząc wiązania wodorowe ze swoimi partnerami.

Pary zasad między G i C są połączone trzema wiązaniami wodorowymi, podczas gdy para A i T są słabsze i tylko dwa wiązania wodorowe utrzymują je razem.

Nici DNA można oddzielić (dzieje się to zarówno w komórce, jak i podczas procedur laboratoryjnych), a wymagane ciepło zależy od ilości GC w cząsteczce: im jest on większy, tym więcej energii potrzeba do jego rozdzielenia.

Orientacja nici

Inną cechą DNA jest jego przeciwna orientacja: podczas gdy nić biegnie w kierunku 5'-3 ', jej partner biegnie w kierunku 3'-5'.

Naturalne konformacje oraz w laboratorium

Struktura lub konformacja, którą normalnie znajdujemy w przyrodzie, nazywa się DNA B. Charakteryzuje się 10,4 nukleotydami na każdy obrót, oddzielonymi odległością 3,4. DNA B skręca w prawo.

Ten wzór nawijania powoduje pojawienie się dwóch bruzd, jednej większej i jednej mniejszej.

W kwasach nukleinowych powstałych w laboratorium (syntetycznych) można znaleźć inne konformacje, które również pojawiają się w bardzo specyficznych warunkach. To są DNA A i DNA Z.

Wariant A również skręca w prawo, chociaż jest krótszy i nieco szerszy niż naturalny. Cząsteczka przyjmuje ten kształt, gdy spada wilgotność. Obraca się co 11 par zasad.

Ostatnim wariantem jest Z, charakteryzujący się wąską i skręcającą w lewo. Tworzy go grupa heksanukleotydów, które są zgrupowane w dupleks antyrównoległych łańcuchów.

cechy

DNA: cząsteczka dziedziczności

DNA to cząsteczka, która może przechowywać informacje. Życie, jakie znamy na naszej planecie, zależy od umiejętności przechowywania i tłumaczenia takich informacji.

Dla komórki DNA jest rodzajem biblioteki, w której znajdują się wszystkie niezbędne instrukcje dotyczące wytwarzania, rozwoju i utrzymania żywego organizmu.

W cząsteczce DNA znajdujemy organizację odrębnych jednostek funkcjonalnych zwanych genami. Niektóre z nich zostaną przeniesione do białek, inne będą pełnić funkcje regulacyjne.

Struktura DNA, którą opisujemy w poprzedniej sekcji, jest kluczem do pełnienia jego funkcji. Helisa musi mieć możliwość łatwego oddzielania się i łączenia - kluczowa właściwość dla zdarzeń replikacji i transkrypcji.

DNA znajduje się u prokariontów w określonym miejscu ich cytoplazmy, podczas gdy u eukariontów znajduje się w jądrze.

RNA: wielofunkcyjna cząsteczka

Rola w syntezie białek

RNA to kwas nukleinowy, który znajdujemy na różnych etapach syntezy białek oraz w regulacji ekspresji genów.

Synteza białek rozpoczyna się od transkrypcji zaszyfrowanej wiadomości w DNA na cząsteczkę informacyjnego RNA. Następnie posłaniec musi wyeliminować fragmenty, które nie zostaną przetłumaczone, znane pod nazwą intronów.

Do translacji wiadomości RNA na reszty aminokwasowe potrzebne są dwa dodatkowe składniki: rybosomalny RNA będący częścią rybosomów oraz transferowy RNA, który będzie nosił aminokwasy i będzie odpowiedzialny za wstawienie prawidłowego aminokwasu do łańcucha peptydowego. Na treningu.

Innymi słowy, każdy główny typ RNA odgrywa kluczową rolę w tym procesie. To przejście od DNA do informacyjnego RNA i wreszcie do białek jest tym, co biolodzy nazywają „centralnym dogmatem biologii”.

Ponieważ jednak nauka nie może opierać się na dogmatach, istnieją różne przypadki, w których ta przesłanka nie jest spełniona, na przykład retrowirusy.

Rola w regulacji

Wymienione powyżej małe RNA uczestniczą pośrednio w syntezie, koordynując syntezę informacyjnego RNA i uczestnicząc w regulacji ekspresji.

Na przykład w komórce znajdują się różne informacyjne RNA, które są regulowane przez małe RNA, które mają sekwencję komplementarną do tej. Jeśli małe RNA zostanie dołączone do wiadomości, może przeciąć posłańca, uniemożliwiając w ten sposób jego translację. W ten sposób regulowanych jest wiele procesów.

Bibliografia

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2015). Niezbędna biologia komórki. Garland Science.
2. Berg, JM, Tymoczko, JL, Stryer, L. (2002). Biochemia. 5. edycja. WH Freeman.
3. Cooper, GM i Hausman, RE (2000). Komórka: podejście molekularne. Sinauer Associates.
4. Curtis, H. i Barnes, NS (1994). Zaproszenie na biologię. Macmillan.
5. Fierro, A. (2001). Krótka historia odkrycia struktury DNA. Rev Méd Clínica Las Condes, 20, 71–75.
6. Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000–2013) Origin and Evolution of DNA and DNA Replication Machineries. W: Madame Curie Bioscience Database. Austin (Teksas): Landes Bioscience.
7. Karp, G. (2009). Biologia komórkowa i molekularna: koncepcje i eksperymenty. John Wiley & Sons.
8. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L. i Oro, J. (1988). Ewolucyjne przejście od RNA do DNA we wczesnych komórkach. Journal of Molecular evolution, 27 (4), 283-290.
9. Lodish, H., Berk, A., Darnell, JE, Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP,… & Matsudaira, P. (2008). Biologia komórki molekularnej. Macmillan.
10. Voet, D. i Voet, JG (2006). Biochemia. Panamerican Medical Ed.
11. Voet, D., Voet, JG i Pratt, CW (1999). Podstawy biochemii. Nowy Jork: John Willey and Sons.