Ogólność
Kwasy nukleinowe to duże cząsteczki biologiczne DNA i RNA, których obecność i prawidłowe funkcjonowanie w żywych komórkach są niezbędne do przetrwania tych ostatnich.
Rodzajowy kwas nukleinowy wywodzi się z połączenia w liniowych łańcuchach dużej liczby nukleotydów.
Rysunek: Cząsteczka DNA.
Nukleotydy to małe cząsteczki, w których skład wchodzą trzy pierwiastki: grupa fosforanowa, zasada azotowa i cukier 5-węglowy.
Kwasy nukleinowe są niezbędne dla przetrwania organizmu, ponieważ współdziałają w syntezie białek, cząsteczek niezbędnych do prawidłowej realizacji mechanizmów komórkowych.
DNA i RNA różnią się od siebie pod pewnymi względami.
Na przykład DNA ma dwa antyrównoległe łańcuchy nukleotydowe i dezoksyrybozę jako cukier 5-węglowy. Z drugiej strony RNA ma zwykle pojedynczy łańcuch nukleotydów i zawiera rybozę jako cukier z 5 atomami węgla.
Czym są kwasy nukleinowe?
Kwasy nukleinowe to biologiczne makrocząsteczki DNA i RNA, których obecność wewnątrz komórek istot żywych jest niezbędna dla ich przetrwania i prawidłowego rozwoju.
Według innej definicji kwasy nukleinowe są biopolimerami powstałymi w wyniku połączenia w długich liniowych łańcuchach dużej liczby nukleotydów.
Biopolimer lub polimer naturalny to duży związek biologiczny składający się z takich samych jednostek molekularnych, zwanych monomerami.
KWASY NUKLEJOWE: KTO JEST W POSIADANIU?
Kwasy nukleinowe znajdują się nie tylko w komórkach organizmów eukariotycznych i prokariotycznych, ale także w bezkomórkowych formach życia, takich jak wirusy oraz w organellach komórkowych, takich jak mitochondria i chloroplasty.
Struktura ogólna
W oparciu o powyższe definicje, nukleotydy są jednostkami molekularnymi tworzącymi kwasy nukleinowe DNA i RNA.
Będą zatem stanowić główny temat tego rozdziału, poświęconego budowie kwasów nukleinowych.
STRUKTURA OGÓLNEGO NUKLEOTYDU
Ogólny nukleotyd to związek o charakterze organicznym, będący wynikiem połączenia trzech elementów:
- Grupa fosforanowa, która jest pochodną kwasu fosforowego;
- Pentoza, czyli cukier o 5 atomach węgla;
- Zasada azotowa, która jest aromatyczną cząsteczką heterocykliczną.
Pentoza stanowi centralny element nukleotydów, ponieważ wiążą się z nią grupa fosforanowa i zasada azotowa.
Rysunek: Elementy tworzące ogólny nukleotyd kwasu nukleinowego. Jak widać, grupa fosforanowa i zasada azotowa wiążą się z cukrem.
Wiązanie chemiczne, które utrzymuje razem pentozę i grupę fosforanową, jest wiązaniem fosfodiestrowym, podczas gdy wiązanie chemiczne, które wiąże pentozę i zasadę azotową, jest wiązaniem N-glikozydowym.
W JAKI SPOSÓB PENTOZA UCZESTNICZY W RÓŻNYCH POWIĄZANIACH Z INNYMI ELEMENTAMI?
Przesłanka: chemicy pomyśleli o numerowaniu węgli, które tworzą cząsteczki organiczne w taki sposób, aby uprościć ich badanie i opis. Tutaj więc 5 węgli pentozy staje się: węgiel 1, węgiel 2, węgiel 3, węgiel 4 i węgiel 5.
Kryterium przypisania liczb jest dość złożone, dlatego uważamy za stosowne pominąć wyjaśnienie.
Spośród 5 atomów węgla, które tworzą pentozę nukleotydów, te zaangażowane w wiązania z zasadą azotową i grupą fosforanową to odpowiednio węgiel 1 i węgiel 5.
- Pentoza węgiel 1 → wiązanie N-glikozydowe → zasada azotowa
- Węgiel pentozowy 5 → wiązanie fosfodiestrowe → grupa fosforanowa
JAKI RODZAJ WIĄZANIA CHEMICZNEGO WIĄŻĄCEGO NUKLEOTYDY KWASÓW NUKLEJOWYCH?
Rysunek: Struktura pentozy, numeracja wchodzących w jej skład węgli i wiązań z zasadą azotową i grupą fosforanową.
Podczas komponowania kwasów nukleinowych nukleotydy organizują się w długie liniowe łańcuchy, lepiej znane jako włókna.
Każdy nukleotyd tworzący te długie nici wiąże się z następnym nukleotydem za pomocą wiązania fosfodiestrowego między węglem 3 jego pentozy i grupą fosforanową następnego nukleotydu.
KOŃCÓWKI
Nici nukleotydowe (lub nici polinukleotydowe), które tworzą kwasy nukleinowe, mają dwa końce, znane jako 5 „koniec” (odczytaj „pięć pierwszych”) i 3” koniec (odczytaj „trzy pierwsze”). Zgodnie z konwencją biolodzy i genetycy ustalili, że „koniec 5” reprezentuje głowę nici tworzącej kwas nukleinowy, podczas gdy „koniec 3” reprezentuje jego ogon.
Z chemicznego punktu widzenia „koniec 5” kwasów nukleinowych pokrywa się z grupą fosforanową pierwszego nukleotydu łańcucha, natomiast „koniec 3” kwasów nukleinowych pokrywa się z grupą hydroksylową (OH) na węglu 3 ostatniego nukleotydu .
To właśnie na podstawie tej organizacji w książkach z dziedziny genetyki i biologii molekularnej nici nukleotydowe kwasu nukleinowego są opisane w następujący sposób: P-5 „→ 3” -OH.
* Uwaga: litera P oznacza atom fosforu grupy fosforanowej.
Stosując koncepcje końca 5 „koniec i 3” do pojedynczego nukleotydu, „koniec 5” tego ostatniego to grupa fosforanowa związana z węglem 5, podczas gdy jego koniec 3 to grupa hydroksylowa połączona z węglem 3.
W obu przypadkach s” zachęca czytelnika do zwrócenia uwagi na powtarzalność liczbową: koniec 5” – grupa fosforanowa na węglu 5 i koniec 3” – grupa hydroksylowa na węglu 3.
Funkcja ogólna
Kwasy nukleinowe zawierają, transportują, rozszyfrowują i wyrażają informację genetyczną w białkach.
Zbudowane z aminokwasów białka są makrocząsteczkami biologicznymi, które odgrywają fundamentalną rolę w regulacji mechanizmów komórkowych żywego organizmu.
Informacja genetyczna zależy od sekwencji nukleotydów, które tworzą nici kwasów nukleinowych.
Wskazówki do historii
Odkrycie kwasów nukleinowych, które miało miejsce w 1869 roku, przypisuje się szwajcarskiemu lekarzowi i biologowi Friedrichowi Miescherowi.
Miescher dokonał swoich odkryć podczas badania jądra komórkowego leukocytów, z zamiarem lepszego zrozumienia ich wewnętrznego składu.
Eksperymenty Mieschera stanowiły punkt zwrotny w dziedzinie biologii molekularnej i genetyki, ponieważ zapoczątkowały serię badań, które doprowadziły do identyfikacji struktury DNA (Watson i Crick, 1953) i RNA, do poznania mechanizmów dziedziczenie genetyczne i identyfikacja precyzyjnych procesów syntezy białek.
POCHODZENIE NAZWY
Kwasy nukleinowe mają tę nazwę, ponieważ Miescher zidentyfikował je w jądrze leukocytów (jądro - nukleinowy) i odkrył, że zawierają grupę fosforanową, pochodną kwasu fosforowego (pochodna kwasu fosforowego - kwasy).
DNA
Wśród znanych kwasów nukleinowych najbardziej znany jest DNA, ponieważ reprezentuje magazyn informacji genetycznej (lub genów), które służą do kierowania rozwojem i wzrostem komórek żywego organizmu.
Skrót DNA oznacza kwas dezoksyrybonukleinowy lub kwas dezoksyrybonukleinowy.
PODWÓJNA HELIKS
W 1953 roku, aby wyjaśnić strukturę „DNA kwasu nukleinowego”, biolodzy James Watson i Francis Crick zaproponowali model – który później okazał się poprawny – tzw. „podwójnej helisy”.
Zgodnie z modelem „podwójnej helisy”, DNA jest dużą cząsteczką powstałą w wyniku połączenia dwóch długich nici antyrównoległych nukleotydów i zwiniętych w siebie.
Termin „antyrównoległy” wskazuje, że dwa włókna mają przeciwną orientację, to znaczy: głowa i ogon jednego włókna oddziałują odpowiednio z ogonem i głową drugiego włókna.
Zgodnie z innym ważnym punktem modelu „podwójnej helisy”, nukleotydy kwasu nukleinowego DNA mają taki układ, że zasady azotowe są zorientowane w kierunku centralnej osi każdej spirali, podczas gdy pentozy i grupy fosforanowe tworzą rusztowanie. ten ostatni.
CZYM JEST PENTOZA DNA?
Pentoza, która tworzy nukleotydy kwasu nukleinowego DNA, to dezoksyryboza.
Ten 5-węglowy cukier zawdzięcza swoją nazwę brakowi tlenu na węglu 2. W końcu deoksyryboza oznacza „wolny od tlenu”.
Rysunek: dezoksyryboza.
Ze względu na obecność dezoksyrybozy nukleotydy kwasu nukleinowego DNA nazywane są deoksyrybonukleotydami.
RODZAJE NUKLEOTYDÓW I BAZ AZOTU
Kwas nukleinowy DNA ma 4 różne typy dezoksyrybonukleotydów.
Aby odróżnić 4 różne typy dezoksyrybonukleotydów, wystarczy zasada azotowa połączona z tworzeniem grupy pentozowo-fosforanowej (która w przeciwieństwie do zasady azotowej nigdy się nie zmienia).
Z oczywistych względów zasadami azotowymi DNA są więc 4, a konkretnie: adenina (A), guanina (G), cytozyna (C) i tymina (T).
Adenina i guanina należą do klasy puryn, dwupierścieniowych aromatycznych związków heterocyklicznych.
Z kolei cytozyna i tymina należą do kategorii pirymidyn, jednopierścieniowych aromatycznych związków heterocyklicznych.
W modelu „podwójnej helisy” Watson i Crick wyjaśnili również, jaka jest organizacja zasad azotowych w DNA:
- Każda zasada azotowa żarnika łączy się za pomocą wiązań wodorowych z zasadą azotową obecną na włóknie przeciwrównoległym, skutecznie tworząc parę, parę zasad.
- Parowanie zasad azotowych dwóch filamentów jest bardzo specyficzne, w rzeczywistości adenina wiąże się tylko z tyminą, podczas gdy cytozyna wiąże się tylko z guaniną.
To ważne odkrycie skłoniło biologów molekularnych i genetyków do ukucia terminów „komplementarność zasad azotowych” i „komplementarne parowanie zasad azotowych”, aby wskazać na wyjątkowość wiązania adeniny z tyminą i cytozyny z guaniną. .
GDZIE ZNAJDUJE SIĘ W ŻYWYCH KOMÓRKACH?
W organizmach eukariotycznych (zwierzęta, rośliny, grzyby i protisty) kwas nukleinowy DNA znajduje się w jądrze wszystkich komórek posiadających taką strukturę komórkową.
Jednak w organizmach prokariotycznych (bakterie i archeony) kwas nukleinowy DNA znajduje się w cytoplazmie, ponieważ komórki prokariotyczne nie mają jądra.
RNA
Pomiędzy dwoma kwasami nukleinowymi występującymi w przyrodzie, RNA reprezentuje makrocząsteczkę biologiczną, która tłumaczy nukleotydy DNA na aminokwasy tworzące białka (proces syntezy białek).
W rzeczywistości RNA kwasu nukleinowego jest porównywalne ze słownikiem informacji genetycznej, opisywanej na DNA kwasu nukleinowego.
Skrót RNA oznacza kwas rybonukleinowy.
RÓŻNICE, KTÓRE ODRÓŻNIAJĄ GO OD DNA
RNA kwasu nukleinowego ma kilka różnic w porównaniu z DNA:
- RNA jest mniejszą cząsteczką biologiczną niż DNA, zwykle składa się z pojedynczej nici nukleotydów.
- Pentoza, która tworzy nukleotydy kwasu rybonukleinowego to ryboza.W przeciwieństwie do dezoksyrybozy, ryboza ma atom tlenu na węglu 2.
To właśnie ze względu na obecność cukru rybozowego biolodzy i chemicy przypisali RNA nazwę kwasu rybonukleinowego. - Nukleotydy RNA są również znane jako rybonukleotydy.
- RNA kwasu nukleinowego ma tylko 3 z 4 zasad azotowych z DNA.W rzeczywistości, zamiast tyminy ma zasadę azotową uracyl.
- RNA może znajdować się w różnych przedziałach komórki, od jądra komórkowego po cytoplazmę.
RODZAJE RNA
Rysunek: ryboza.
W żywych komórkach RNA kwasu nukleinowego występuje w czterech głównych formach: transportowy RNA (lub Transfer RNA lub tRNA), informacyjny RNA (lub Posłaniec RNA lub mRNA), rybosomalny RNA (lub rybosomalny RNA lub rRNA) i mały jądrowy RNA (o małe jądrowe RNA lub snRNA).
Chociaż pełnią różne specyficzne role, cztery wyżej wymienione formy RNA współpracują ze sobą dla wspólnego celu: syntezy białek, począwszy od sekwencji nukleotydowych obecnych w DNA.
Sztuczne modele
W ostatnich dziesięcioleciach biolodzy molekularni zsyntetyzowali w laboratorium kilka kwasów nukleinowych identyfikowanych za pomocą przymiotnika „sztuczny”.
Wśród sztucznych kwasów nukleinowych na szczególną uwagę zasługują: TNA, PNA, LNA i GNA.
