Kwasy nukleinowe

Kwasy nukleinowe a w szczególności DNA, są kluczowymi makrocząsteczkami dla ciągłości życia. DNA niesie dziedziczną informację, która jest przekazywana od rodziców do dzieci, dostarczając instrukcji do tego jak (i kiedy) wytwarzać wiele białek potrzebnych do zbudowania i utrzymania funkcjonujących komórek, tkanek i organizmów.

Jak DNA niesie swoją informację i jak jest ona wykorzystywana w komórkach i organizmach, jest to złożone, fascynujące i dość oszałamiające i DNA poznamy w większych szczegółach w dziale o biologii molekularnej. Tutaj tylko rzucimy okiem na kwasy nukleinowe z makromolekularnej perspektywy.

Kwasy nukleinowe, makromolekuły zbudowane z jednostek nazywanych nukleotydami, występują naturalnie w dwóch odmianach: kwasie deoksyrybonukleinowym (DNA) i kwasie rybonukleinowym (RNA). DNA jest materiałem genetycznym znajdującym się organizmach żywych, wszystkich począwszy od jednokomórkowej bakterii do wielkokomórkowych ssaków takich jak Ty i ja. Niektóre wirusy wykorzystują RNA, nie DNA jako ich materiał genetyczny, ale technicznie nie są one uznawane za żywe (ponieważ nie mogą się rozmnażać bez pomocy gospodarza).

U eukariotów, takich jak rośliny i zwierzęta, DNA znajduje się w jądrze komórkowym, wyspecjalizowanym, otoczonym błoną przedziale w komórce, jak również w niektórych innych rodzajach organelli (takich jak mitochondria i chloroplasty roślin). U prokariotów, takich jak bakterie, DNA nie jest obudowany powłoką błonową, chociaż jest umiejscowiony w specjalnym obszarze w komórce nazywanym nukleoidem.

U eukariotów, DNA jest typowo podzielone na szereg bardzo długich, liniowych kawałków nazywanych chromosomami, kiedy w prokariotach takich jak bakterie, chromosomy są dużo mniejsze i często koliste (o kształcie pierścienia, koła). chromosom może zawierać dziesiątki tysięcy genów, w których każdy dostarcza instrukcje na to jak uzyskać poszczególny produkt niezbędny dla komórki.

Wiele genów koduje białka, co znaczy, że określają sekwencję aminokwasów wykorzystywaną do zbudowania danego białka. Zanim ta informacja może zostac użyta do syntezy białka, kopia RNA (transkrypt) genu musi zostac uzyskany jako pierwszy. Ten rodzaj RNA jest nazywany informacyjnym RNA (mRNA), ponieważ służy jako wiadomość poniędzy DNA a rybosomami, molekularnymi maszynami, które odczytują sekwencję mRNA i wykorzystują ją do budowy białek. Ten łańcuch od DNA przez RNA do białka jest nazywany "centralnym dogmatem” biologii molekularnej.

Co ważne, nie wszystkie geny kodują białkowe produkty. Na przykład, niektóre geny określają rybosomalne RNA (rRNA), które służą jako strukturalne elementy rybosomów, czy transportujące RNA (tRNA), molekuły RNA o kształcie koniczynek, które przenoszą aminokwasy do rybosomu do syntezy białek. Jeszcze inne cząsteczki RNA, takie jak małe mikroRNA (miRNA), działają jako regulatory innych genów i nowe rodzaje RNA, które nie kodują białek, są przez cały czas odkrywane.

DNA i RNA są polimerami (w przypadku DNA, często bardzo długimi polimerami), i są zbudowane z monomerów znanych jako nukleotydy. Kiedy połączymy te monomery, powstający łańcuch jest nazywany polinukleotydem (poly- = "wiele").

Każdy nukleotyd jest zbudowany z trzech części: pierścienia zawierającego azot, pięciowęglowego cukru i przynajmniej jednej grupy fosforanowej. Cząsteczka cukru zajmuje centralną pozycję w nukleotydzie, z zasadą przyłączoną do jednego z jej węgli i grupą fosforanową (lub grupami) przyłączoną do drugiego. Spójrzmy po kolei na każdą z części nukleotydu.

Zasady azotowe nukleotydów są organicznymi (węglowymi) cząsteczkami zbudowanymi z pierścieni zawierających azot.

Każdy nukleotyd w DNA zawiera jedną z czterech możliwych zasad azotowych: adeninę (A), guaninę (G), cytozynę (C) i tyminę (T). Adenina i guanina są purynami, co znaczy, że ich struktura zawiera dwa połączone ze sobą pierścienie węglowo-azotowe. Natomiast cytozyna i tymina są pirymidynami i mają pojedynczy węglowo-azotowy pierścień. Nukleotydy w RNA mogą także zawierać adeninę, guaninę i cytozynę, ale zamiast tyminy mają inną zasadę pirymidynową nazywaną uracylem (U). Jak pokazano na powyższym schemacie, każda zasada ma unikalną strukturę, z jej własnym zestawem grup funkcyjnych przyłączonych do struktury pierścienia.

W skrótach biologii molekularnej, zasady azotowe są często tylko określane przez ich symbole jednoliterowe, A, T, G, C i U. DNA zawiera A, T, G i C, kiedy RNA zawiera A, U, G i C (to znaczy, że U jest zamienione na T).

Oprócz posiadania trochę odmiennego zestawu zasad azotowych, nukleotydy w DNA i RNA także mają nieco różne cukry. Pięciowęglowy cukier w DNA jest nazywany deoksyrybozą, kiedy w RNA, cukrem jest ryboza. Te dwa mają bardzo podobną strukturę, z tylko jedną różnicą: drugi węgiel rybozy ma przyłączona grupę hydroksylową, kiedy odpowiadający mu węgiel deoksyrybozy ma natomiast wodór. Atomy węgla cząsteczki cukru w nukleotydzie są ponumerowane jako 1′, 2′, 3′, 4′ i 5′ (1′ jest czytane jako "jeden prim"), jak pokazano na powyższym rysunku. W nukleotydzie, cukier zajmuje centralną pozycję, z zasadą azotową przyłączoną do węgla 1' i grupą fosforanową (lub grupami) przyłączonymi do węgla 5'.

Nukleotydy mogą mieć pojedynczą grupę fosforanową lub łańcuch do trzech grup fosforanowych, przyłączonych do węgla 5' cukru. Niektóre źródła chemiczne używają terminu "nukleotyd" tylko dla przypadku z jedną grupą fosforanową, ale w biologii molekularnej, akceptowane są szersze definicje${}^1$‍.

W komórce, nukleotyd, który ma być dodany do końca łańcucha polinukleotydowego, będzie miał trzy grupy fosforanowe. Kiedy nukleotyd łączący się z wydłużającym się łańcuchem DNA czy RNA, traci swoje dwie grupy fosforanowe. Zatem w łańcuchu DNA i RNA, każdy nukleotyd ma tylko jedną grupę fosforanową.

Konsekwencją wynikająca ze struktury nukleotydów jest to, że łańcuch polinukleotydowy ma kierunkowość - to znaczy, ma dwa końce, które są od siebie różne. Na końcu 5', czyli początku łańcucha, z łańcucha wystaje grupa fosforanowa pierwszego nukleotydu. Na drugim końcu, nazywanym końcem 3', odsłonięta jest grupa hydroksylowa 3' ostatniego nukleotydu w łańcuchu. Sekwencja DNA jest zwykle zapisywana w kierunku od 5' do 3', co znaczy, że nukleotyd z końca 5' występuje jako pierwszy a nukleotyd z końca 3' jest ostatni.

Ponieważ nowe nukleotydy są dodawane do nici DNA lub RNA, nić wydłuża się w kierunku końca 3', z 5'-fosforanem zbliżającego się nukleotydu dołączającym się do grupy hydroksylowej na końcu 3' łańcucha. To tworzy łańcuch z każdym cukrem połączonym ze swoim sąsiadem przez zestaw wiązań nazywanych wiązaniami fosfodiestrowymi.

Kwas deoksyrybonukleinowy, czyli DNA, zwykle znajduje się w podwójnej helisie, strukturze z dwoma pasującymi do siebie (komplementarnymi) łańcuchami sklejonymi ze sobą, co pokazano na schemacie po lewej stronie. Cukry i grupy fosforanowe leżą poza helisą, tworząc szkielet DNA; ta część cząsteczki jest często nazywana szkieletem cukrowo-fosforanowym. Zasady azotowe są skierowane do wnętrza, jak stopnie schodów, w parach; pary zasad są połączone ze sobą przez wiązania wodorowe.

Dwie nici helisy zmierzają w przewległych kierunkach, co znaczy, że koniec 5' jest sparowany z końcem 3' pasującej do niego nici. (Jest to określane jako antyrównoległość i jest ważne dla powielania DNA.)

Zatem, czy dwie zasady mogą zdecydować na połączenie się ze sobą i utworzenie podwójnej helisy? Z powodu rozmiaru i grup funkcyjnych zasad azotowych, ich parowanie jest wysoce specyficzne: A może parować tylko z T i G może parować tylko z C, jak pokazano poniżej. To znaczy, że dwie nici DNA podwójnej helisy mają bardzo przewidywalne połączenia między sobą.

Na przykład, jeśli wiesz, że sekwencją jednej nici jest 5’-AATTGGCC-3’, to komplementarna nić musi mieć sekwencję 3’-TTAACCGG-5’. To pozwala każdej zasadzie azotowej na połączenie ze swoim partnerem:

Kiedy dwie sekwencje DNA łączą się w ten sposób, że mogą utrzymywać się nawzajem w sposób antyrównoległy i tworzyć helisę, są nazywane komplementarnymi.

Kwas rybonukleinowy (RNA), w przeciwieństwie do DNA, jest zwykle jednoniciowy. Nukleotyd w łańcuchu RNA zawiera rybozę (pięciowęglowy cukier), jedną z czterech par zasad azotowych (A, U, G lub C) i grupę fosforanową. Tutaj, spojrzymy na cztery główne rodzaje RNA: informacyjny RNA (mRNA), rybosomalny RNA (rRNA), transportujący RNA (tRNA) i RNA regulatorowe.

Informacyjny RNA (mRNA) jest pośrednikiem między genem kodującym białko i jego produktem białkowym. Jeśli komórka potrzebuje wytworzyć konkretne białko, gen kodujący to białko zostanie "włączony", co dla polimerazy RNA oznacza, że ma "przybyć" i stworzyć kopię RNA, czyli transkrypt, sekwencji DNA genu. Transkrypt niesie tą samą informację, co sekwencja DNA genu. Jednakże, w cząsteczce RNA, zasada azotowa T jest zastępowana przez U. Na przykład, jeśli DNA kodujące nić ma sekwencję 5’-AATTGCGC-3’, sekwencja odpowiadającego mu RNA będzie taka: 5’-AAUUGCGC-3’.

Kiedy mRNA został otrzymany, połączy się z rybosomem, molekularną maszyną, która specjalizuje się w syntetyzowaniu białek z aminokwasów. Rybosom wykorzystuje informację z mRNA do utworzenia białka o określonej sekwencji, "czytając" nukleotydy mRNA w grupach po trzy (nazywanych kodonami) i dodając konkretny aminokwas dla każdego z kodonów.

Rybosomalne RNA (rRNA) jest głównym elementem rybosomów, gdzie pomaga mRNA łączyć się we właściwym miejscu tak, że sekwencja informacyjna może zostać odczytana. Niektóre rRNA także działają jako enzymy, więc mogą pomagać zwiększać (katalizować) reakcje chemiczne - w tym przypadku, tworzenie wiązań które łączą aminokwasy tworzące białko. RNA, które działają jako enzymy są znane jako rybozymy.

Transportujące RNA (tRNA) są także zaangażowane w syntezę białek, ale ich pracą jest działanie jako nośniki - przenoszą aminokwasy do rybosomu, zapewniając to, że aminokwas dodawany do łańcucha jest tym określonym przez mRNA. Transportujące RNA są zbudowane z pojedynczej nici RNA, ale ich nić może mieć fragmenty komplementarne, które łączą się ze sobą tworząc regiony dwuniciowe. To parowanie zasad tworzy kompleksy 3D ważne dla funkcjonowania cząsteczki.

Niektóre rodzaje niekodujących RNA (RNA, które nie kodują białek) pomagają regulować ekspresję innych genów. Takie RNA mogą być nazywane regulatorowymi RNA. Na przykład, mikroRNA (miRNA) i małe inferferujące RNA (siRNA) są małymi cząsteczkami regulatorowych RNA o długości około 22 nukleotydów. Łączą się ze specyficznymi cząsteczkami mRNA (z częściowo lub w pełni komplementarną sekwencją) i zmniejszają jej stabilność lub interferują z jej translacją, umożliwiając komórce zmniejszyć lub uregulować poziomy tych mRNA.

Są to tylko niektóre przykłady z wielu dla niekodujących i regulatorowych RNA. Badacze nadal odkrywają nowe rodzaje niekodujących RNA.

Do you want to learn more about nucleotide base-pairing? Check out this scrollable interactive from LabXchange.