NUKLEOVÉ KYSELINY: VLASTNOSTI, FUNKCE, STRUKTURA - BIOLOGIE - 2025

Tyto nukleové kyseliny jsou velké biomolekuly tvořené jednotkami nebo monomerů zvané nukleotidy. Mají na starosti ukládání a přenos genetických informací. Účastní se také každého z kroků syntézy proteinů.

Strukturálně je každý nukleotid tvořen fosfátovou skupinou, cukrem s pěti atomy uhlíku a heterocyklickou dusíkovou bází (A, T, C, G a U). Při fyziologickém pH jsou nukleové kyseliny záporně nabité, rozpustné ve vodě, vytvářejí viskózní roztoky a jsou celkem stabilní.

Zdroj: pixabay.com

Existují dva hlavní typy nukleových kyselin: DNA a RNA. Složení obou nukleových kyselin je podobné: v obou najdeme řadu nukleotidů spojených fosfodiesterovými vazbami. V DNA však najdeme tymín (T) a v RNA uracilu (U).

DNA je delší a je ve dvojité spirálové konformaci a RNA je tvořena jediným vláknem. Tyto molekuly jsou přítomny ve všech živých organismech, od virů až po velké savce.

Historická perspektiva

Objev nukleových kyselin

Objev nukleových kyselin sahá až do roku 1869, kdy Friedrich Miescher identifikoval chromatin. Ve svých experimentech Miescher extrahoval z jádra želatinový materiál a zjistil, že tato látka je bohatá na fosfor.

Zpočátku byl materiál záhadné povahy označen jako „nuklein“. Pozdější experimenty na nukleinu dospěly k závěru, že je nejen bohatý na fosfor, ale také na uhlohydráty a organické báze.

Phoebus Levene zjistil, že nuklein je lineární polymer. Přestože byly známy základní chemické vlastnosti nukleových kyselin, nepovažovalo se za vztah mezi tímto polymerem a dědičným materiálem živých věcí.

Objevení funkce DNA

V polovině 40. let bylo pro biology v té době nepřesvědčivé, že molekula odpovědná za přenos a ukládání informací o organismu sídlila v molekule s jednoduchou konformací jako DNA - složená ze čtyř velmi podobných monomerů (nukleotidů) každý.

Proteiny, polymery složené z 20 typů aminokyselin, se zdály v té době nejspolehlivějšími kandidáty na molekulu dědičnosti.

Tento pohled se změnil v roce 1928, když vědec Fred Griffith měl podezření, že nuklein byl zapojen do dědičnosti. Nakonec v roce 1944 se Oswaldovi Averyovi podařilo dospět k důkladnému důkazu, že DNA obsahuje genetické informace.

DNA tak přešla z nudné a monotónní molekuly, sestávající pouze ze čtyř stavebních bloků, na molekulu, která umožňuje ukládání obrovského počtu informací a která je dokáže uchovat a přenášet přesným, přesným a účinným způsobem.

Objev struktury DNA

Rok 1953 byl pro biologické vědy revoluční, protože vědci James Watson a Francis Crick objasnili správnou strukturu DNA.

Na základě analýz rentgenových odrazových vzorců výsledky Watsona a Cricka naznačily, že molekula je dvojitá spirála, kde fosfátové skupiny tvoří vnější páteř a báze vyčnívají dovnitř.

Obecně se používá analogie žebříku, kde zábradlí odpovídá fosfátovým skupinám a příčím k základnám.

Objevení sekvenování DNA

V posledních dvou desetiletích došlo k mimořádným pokrokům v biologii, vedeným sekvenováním DNA. Díky technologickému pokroku máme dnes technologii potřebnou k poznání sekvence DNA s poměrně vysokou přesností - „sekvencí“ máme na mysli pořadí bází.

Zpočátku bylo objasnění posloupnosti nákladnou událostí a její dokončení trvalo dlouho. V současné době není problém znát posloupnost celých genomů.

vlastnosti

Náboj a rozpustnost

Jak již název napovídá, povaha nukleových kyselin je kyselá a jedná se o molekuly s vysokou rozpustností ve vodě; to znamená, že jsou hydrofilní. Při fyziologickém pH je molekula negativně nabita díky přítomnosti fosfátových skupin.

V důsledku toho jsou proteiny, se kterými je DNA spojena, bohaté na aminokyselinové zbytky s kladnými náboji. Správné spojení DNA je zásadní pro její balení do buněk.

Viskozita

Viskozita nukleové kyseliny závisí na tom, zda se jedná o dvojitý nebo jednoduchý pás. Dvojpásmová DNA vytváří roztoky o vysoké viskozitě, protože její struktura je tuhá a odolává deformaci. Dále jde o extrémně dlouhé molekuly ve vztahu k jejich průměru.

Naproti tomu existují také jednopásmové roztoky nukleových kyselin, které se vyznačují nízkou viskozitou.

Stabilita

Další charakteristikou nukleových kyselin je jejich stabilita. Molekula, která má nezbytný úkol, jako je ukládání dědičnosti, musí být přirozeně velmi stabilní.

Ve srovnání s tím je DNA stabilnější než RNA, protože jí chybí hydroxylová skupina.

Je možné, že tato chemická charakteristika hrála důležitou roli při vývoji nukleových kyselin a při výběru DNA jako dědičného materiálu.

Podle hypotetických přechodů navržených některými autory byla RNA v evolučním procesu nahrazena DNA. Dnes však existují viry, které používají RNA jako genetický materiál.

Absorpce ultrafialového světla

Absorpce nukleových kyselin také závisí na tom, zda je dvojpásmový nebo jednopásmový. Absorpční pík prstenů v jejich struktuře je 260 nanometrů (nm).

Jak se dvoupruhový řetězec DNA začíná separovat, absorpce na výše uvedené vlnové délce se zvyšuje, protože jsou vystaveny kruhy, které tvoří nukleotidy.

Tento parametr je důležitý pro molekulární biology v laboratoři, protože měřením vychytávání mohou odhadnout množství DNA, které existuje v jejich vzorcích. Znalost vlastností DNA obecně přispívá k jejímu čištění a zpracování v laboratořích.

Klasifikace (typy)

Dvě hlavní nukleové kyseliny jsou DNA a RNA. Oba jsou součástí všech živých věcí. DNA je zkratka pro deoxyribonukleovou kyselinu a RNA pro ribonukleovou kyselinu. Obě molekuly hrají zásadní roli v dědičnosti a syntéze proteinů.

DNA je molekula, která ukládá všechny informace nezbytné pro vývoj organismu a je seskupena do funkčních jednotek zvaných geny. RNA je zodpovědná za převzetí této informace a společně s proteinovými komplexy převádí informaci z řetězce nukleotidů do řetězce aminokyselin.

Vlákna RNA mohou být dlouhá několik set nebo několik tisíc nukleotidů, zatímco vlákna DNA přesahují miliony nukleotidů a mohou být vizualizovány pod světlem optického mikroskopu, pokud jsou barveny barvivy.

Základní strukturální rozdíly mezi oběma molekulami budou podrobně popsány v následující části.

RNA

V buňkách existují různé typy RNA, které společně pracují na syntéze proteinové syntézy. Tři hlavní typy RNA jsou messenger, ribozomální a přenos.

Messenger RNA

Messenger RNA je zodpovědný za kopírování zprávy, která existuje v DNA, a její transport do syntézy proteinů, ke které dochází ve strukturách nazývaných ribozomy.

Ribozomální nebo ribozomální RNA

Ribozomální RNA se nachází jako součást tohoto základního aparátu: ribozomu. Z ribozomu je 60% tvořeno ribozomální RNA a zbytek je obsazen téměř 80 různými proteiny.

Přenos RNA

Přenosová RNA je druh molekulárního adaptéru, který přenáší aminokyseliny (stavební bloky proteinů) na ribozom, který má být začleněn.

Malá RNA

Kromě těchto tří základních typů existuje v poslední době řada dalších RNA, které hrají zásadní roli při syntéze proteinů a genové expresi.

Malé jaderné RNA, zkrácené jako snRNA, se podílejí jako katalytické entity na sestřihu (procesu odstraňování intronů) messengerové RNA.

Malé nukleární RNA nebo snoRNA jsou zapojeny do zpracování pre-ribozomálních RNA transkriptů, které budou tvořit část ribozomové podjednotky. K tomu dochází v jádru.

Krátké interferující RNA a mikroRNA jsou malé sekvence RNA, jejichž hlavní úlohou je modulace genové exprese. MikroRNA jsou kódovány z DNA, ale jejich translace do proteinů nepokračuje. Jsou jednovláknové a mohou doplnit RNA zprávy a inhibovat její translaci do proteinů.

Struktura a chemické složení

Nukleové kyseliny jsou dlouhé polymerní řetězce tvořené monomerními jednotkami zvanými nukleotidy. Každý z nich se skládá z:

Fosfátová skupina

Existují čtyři typy nukleotidů a mají společnou strukturu: fosfátová skupina spojená s pentózou prostřednictvím fosfodiesterové vazby. Přítomnost fosfátů dává molekule kyselinový charakter. Fosfátová skupina je disociována při pH buňky, takže je negativně nabitá.

Tento záporný náboj umožňuje asociaci nukleových kyselin s molekulami, jejichž náboj je pozitivní.

Malé množství nukleosidů se nachází uvnitř buněk a také v extracelulárních tekutinách. Jedná se o molekuly tvořené všemi složkami nukleotidů, ale postrádající fosfátové skupiny.

Podle této nomenklatury je nukleotid nukleosid, který má jednu, dvě nebo tři fosfátové skupiny esterifikované na hydroxylové skupině umístěné na 5 'uhlíku. Nukleosidy se třemi fosfáty se podílejí na syntéze nukleových kyselin, ačkoli plní také jiné funkce v buňce.

Pentóza

Pentóza je monomerní uhlohydrát tvořený pěti atomy uhlíku. V DNA je pentóza deoxyribóza, která se vyznačuje ztrátou hydroxylové skupiny na uhlíku 2 '. V RNA je pentóza ribózou.

Dusíkatá báze

Pentóza je zase vázána na organickou bázi. Identita nukleotidu je zajištěna identitou báze. Existuje pět typů, zkrácených podle jejich iniciál: adenin (A), guanin (G), cytosin (C), thymin (T) a uracil (U).

V literatuře je běžné, že zjistíme, že těchto pět písmen se používá k označení celého nukleotidu. Nicméně, přísně vzato, jedná se pouze o část nukleotidu.

První tři, A, G a C, jsou společné pro DNA i RNA. Zatímco T je jedinečný pro DNA a uracil je omezen na molekulu RNA.

Strukturálně jsou báze heterocyklické chemické sloučeniny, jejichž kruhy jsou tvořeny molekulami uhlíku a dusíku. A a G jsou tvořeny párem kondenzovaných kruhů a patří do skupiny purinů. Zbývající báze patří do pyrimidinů a jejich struktura je tvořena jediným kruhem.

Je běžné, že v obou typech nukleových kyselin najdeme řadu modifikovaných bází, jako je další methylová skupina.

Když nastane tato událost, říkáme, že báze je methylována. V prokaryotoch se obvykle nacházejí methylované adeniny a v prokaryotoch i eukaryotech mohou mít cytosiny další methylovou skupinu.

Jak probíhá polymerizace?

Jak jsme již zmínili, nukleové kyseliny jsou dlouhé řetězce tvořené monomery - nukleotidy. Pro vytvoření řetězců jsou tyto spojeny zvláštním způsobem.

Když polymerují nukleotidy, hydroxylová skupina (-OH) nalezená na 3 'uhlíku cukru jednoho z nukleotidů vytvoří esterovou vazbu s fosfátovou skupinou z jiné molekuly nukleotidů. Během vytváření této vazby dochází k odstranění molekuly vody.

Tento typ reakce se nazývá "kondenzační reakce" a je velmi podobný té, která nastává, když se peptidové vazby v proteinech tvoří mezi dvěma aminokyselinovými zbytky. Vazby mezi každým párem nukleotidů se nazývají fosfodiesterové vazby.

Stejně jako v polypeptidech mají řetězce nukleových kyselin na svých koncích dvě chemické orientace: jeden je 5 'konec, který obsahuje volnou hydroxylovou skupinu nebo fosfátovou skupinu na 5' uhlíku koncového cukru, zatímco na 3 konci "Najdeme volnou hydroxylovou skupinu uhlíku 3".

Představme si, že každý blok DNA je sada Lego, s jedním koncem, který je vložen a s volnou dírou, kde může dojít k vložení dalšího bloku. 5 'konec s fosfátem bude konec, který má být vložen, a 3' je analogický k volnému otvoru.

Jiné nukleotidy

V buňce najdeme jiný typ nukleotidů s jinou strukturou, než je výše uvedený. Ačkoli tyto nebudou součástí nukleových kyselin, hrají velmi důležité biologické role.

Mezi nejdůležitější patří mimo jiné riboflavinový mononukleotid, známý jako FMN, koenzym A, adenin dinukleotid a nikotinamin.

RNA struktura

Lineární struktura polymeru nukleové kyseliny odpovídá primární struktuře těchto molekul. Polynukleotidy mají také schopnost tvořit trojrozměrná pole stabilizovaná nekovalentními silami - podobné skládání v proteinech.

Ačkoli primární složení DNA a RNA je velmi podobné (s výjimkou výše uvedených rozdílů), složení jejich struktury je výrazně odlišné. RNA jsou běžně nalezeny jako jediný nukleotidový řetězec, i když může mít různá uspořádání.

Přenosové RNA jsou například malé molekuly tvořené z méně než 100 nukleotidů. Jeho typická sekundární struktura je ve formě jetele se třemi rameny. To znamená, že molekula RNA nachází uvnitř komplementární báze a může se složit na sebe.

Ribozomální RNA jsou větší molekuly, které nabývají složitých trojrozměrných konformací a vykazují sekundární a terciární strukturu.

Struktura DNA

Dvojitá spirála

Na rozdíl od lineární RNA sestává uspořádání DNA ze dvou vzájemně propojených vláken. Tento strukturální rozdíl je zásadní pro plnění jeho specifických funkcí. RNA není schopna tvořit tento typ helixů kvůli stérické zábraně vyvolané další skupinou OH, kterou její cukr představuje.

Základová komplementarita

Mezi základnami existuje komplementarita. To znamená, že v důsledku své velikosti, tvaru a chemického složení se puriny musejí spárovat s pyrimidinem prostřednictvím vodíkových vazeb. Z tohoto důvodu v přírodní DNA zjišťujeme, že A je téměř vždy spárována s T a G s C a vytváří vodíkové vazby se svými partnery.

Páry bází mezi G a C jsou spojeny třemi vodíkovými vazbami, zatímco páry A a T jsou slabší a pouze dvě vodíkové vazby je drží pohromadě.

DNA vlákna mohou být oddělena (k tomu dochází jak v buňce, tak v laboratorních postupech) a požadované teplo závisí na množství GC v molekule: čím je větší, tím více energie bude potřebovat k jeho oddělení.

Orientace pramene

Další charakteristikou DNA je její opačná orientace: zatímco řetězec běží ve směru 5'-3 ', jeho partner běží ve směru 3'-5'.

Přirozené konformace a v laboratoři

Struktura nebo konformace, kterou normálně nalézáme v přírodě, se nazývá DNA B. Toto je charakterizováno tím, že má 10,4 nukleotidů pro každý tah, oddělených vzdáleností 3,4. DNA B se otočí doprava.

Tento vzor vinutí má za následek vznik dvou rýh, jedné větší a jedné menší.

U nukleových kyselin vytvořených v laboratoři (syntetických) lze nalézt další konformace, které se také objevují za velmi specifických podmínek. Jedná se o DNA A a DNA Z.

Varianta A také dělá zatáčku doprava, i když je kratší a poněkud širší než ta přirozená. Molekula má tento tvar, když klesá vlhkost. Otáčí se každých 11 párů bází.

Poslední variantou je Z, která se vyznačuje úzkou a otočením doleva. Je tvořena skupinou hexanukleotidů, které jsou seskupeny do duplexu antiparalelních řetězců.

Funkce

DNA: dědičná molekula

DNA je molekula, která dokáže ukládat informace. Život, jak ho známe na naší planetě, závisí na schopnosti ukládat a překládat takové informace.

Pro buňku je DNA druh knihovny, kde se nacházejí všechny potřebné pokyny pro výrobu, vývoj a údržbu živého organismu.

V molekule DNA najdeme organizaci diskrétních funkčních entit nazývaných geny. Některé z nich budou přenášeny na proteiny, zatímco jiné budou plnit regulační funkce.

Struktura DNA, kterou popisujeme v předchozí části, je klíčová pro plnění jejích funkcí. Spirála musí být schopna se snadno oddělit a připojit se - klíčová vlastnost pro události replikace a přepisu.

DNA se nachází v prokaryotech na konkrétním místě v jejich cytoplazmě, zatímco v eukaryotech je umístěna uvnitř jádra.

RNA: multifunkční molekula

Role v syntéze proteinů

RNA je nukleová kyselina, kterou nalézáme v různých stádiích syntézy proteinů a v regulaci genové exprese.

Syntéza proteinu začíná transkripcí šifrované zprávy v DNA do molekuly messenger RNA. Dále musí posel odstranit části, které nebudou přeloženy, známé pod jménem intronů.

Pro translaci zprávy RNA na aminokyselinové zbytky jsou nezbytné dvě další složky: ribozomální RNA, která je součástí ribozomů, a přenosová RNA, která bude nést aminokyseliny a bude odpovědná za vložení správné aminokyseliny do peptidového řetězce. Na tréninku.

Jinými slovy, každý hlavní typ RNA hraje v tomto procesu rozhodující roli. Tato pasáž z DNA k messengerové RNA a konečně k proteinům je to, co biologové nazývají „centrální dogmatem biologie“.

Protože však věda nemůže být založena na dogmatech, existují různé případy, kdy tento předpoklad není splněn, jako jsou retroviry.

Role v regulaci

Malé RNA uvedené výše se nepřímo účastní syntézy, organizují syntézu messengerové RNA a podílejí se na regulaci exprese.

Například v buňce jsou různé messengerové RNA, které jsou regulovány malými RNA, které mají k tomu komplementární sekvenci. Pokud se malá RNA připojí ke zprávě, může rozštěpit posla, čímž zabrání jeho překladu. Tímto způsobem je regulováno více procesů.

Reference

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2015). Základní buněčná biologie. Věnec věnec.
2. Berg, JM, Tymoczko, JL, Stryer, L. (2002). Biochemie. 5. vydání. WH Freeman.
3. Cooper, GM, a Hausman, RE (2000). Buňka: Molekulární přístup. Sinauer Associates.
4. Curtis, H., & Barnes, NS (1994). Pozvánka k biologii. Macmillan.
5. Fierro, A. (2001). Stručná historie objevu struktury DNA. Rev Méd Clínica Las Condes, 20, 71-75.
6. Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) Původ a vývoj replikačních strojů DNA a DNA. In: Databáze Madame Curie Bioscience. Austin (TX): Landes Bioscience.
7. Karp, G. (2009). Buněčná a molekulární biologie: koncepce a experimenty. John Wiley a synové.
8. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). Evoluční přechod z RNA na DNA v časných buňkách. Journal of molekulární evoluce, 27 (4), 283-290.
9. Lodish, H., Berk, A., Darnell, JE, Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP,… & Matsudaira, P. (2008). Biologie molekulárních buněk. Macmillan.
10. Voet, D., & Voet, JG (2006). Biochemie. Panamerican Medical Ed.
11. Voet, D., Voet, JG, & Pratt, CW (1999). Základy biochemie. New York: John Willey a synové.