Nukleové kyseliny

Nukleové kyseliny sú biomakromolekulové látky zodpovedné za organizáciu a reprodukciu živej hmoty. Vo svojich makromolekulách nukleové kyseliny uchovávajú a prenášajú genetickú informáciu bunky a ich prostredníctvom sa táto informácia prepisuje do špecifickej štruktúry bielkovín.

Štruktúra nukleotidu

Nukleové kyseliny sú polynukleotidy, ktorých stavebou jednotkou sú nukleotidy. Nukleotid sa skladá z troch častí:

  1. zásaditá - heterocyklické dusíkaté purínové alebo pyrimidínové bázy,
  2. neutrálna - pentózy D-ribóza alebo 2-deoxy-D-ribóza,
  3. kyslá - kyselina trihydrogénfosforečná H3PO4.

Dusíkaté bázy sú heterocyklické zlúčeniny, kde heteroatómom je dusík. Sú odvodené od:

  • purínu (adenín A, guanín G)
  • pyrimidínu (cytozín C, tymín T, uracil U).

Nukleotid vzniká vzájomnou kondenzáciou všetkých troch zložiek, pričom sa uvoľňujú molekuly vody. Nukleotid je nukleozid esterifikovaný kyselinou trihydrogénfosforečnou. Nukleotidy a nukleozidy nie sú len stavebnou jednotkou nukleových kyselín. V bunkách môžu plniť rôzne funkcie. Zúčastňujú sa napríklad na prenose vodíka (NAD - nikotínamid-adenín-dinukleotid, FAD - flavín-adenín-dinukleotid), na prenose charakteristických skupín (napr. -NH2), na biosyntéze bielkovín, sacharidov a lipidov.

nukleozid + H3PO4 = nukleotid

Obzvlášť dôležitými nukleotidmi sú AMP (adenozín-monofosfát), ADP (adenozín-difosfát) a hlavne ATP (adenozín-trifosfát), ktoré sa zúčastňujú prenosu voľnej chemickej energie. V bunke plnia úlohu tzv. "univerzálneho energetického platidla". ATP predstavuje primárny zdroj energie pre bunku. Energia sa uvoľňuje pri hydrolytickom štiepení molekuly kyseliny trihydrogénfosforečnej z nukleotidu ATP. Takto získaná energia je väčšia ako pri hydrolýze iných typov zlúčenín, preto ATP nazývame makroergickou zlúčeninou a makroergickú väzbu označujeme vlnovkou (nie je to nijako špeciálny typ väzby, je to proste obyčajná kovalentná väzba a vlnovkou zdôrazňujeme len jej energetický význam). cAMP (cyklický adenozín-monofosfát) je dôležitou signálnou molekulou alebo regulátorom génovej expresie.

Polynukleotid vzniká tak, že sa jednotlivé nukleotidy navzájom viažu intranukleotidovou esterovou väzbou pomocou H3PO4 medzi uhlíkmi C3 a C5 dvoch susedných ribóz (ribofuranóz). Medzi nukleotidmi vzniká teda 3',5'-fosfodiesterová väzba (čítaj 'tri s čiarou päť s čiarou...').

Rozdelenie nukleových kyselín

Podľa zloženia nukleotidov a cukornej zložky rozlišujeme dva typy nukleových kyselín:

  1. DNA - deoxyribonukleová kyselina
  2. RNA - ribonukleová kyselina

DNA

Deoxyribonukleová kyselina sa skladá z týchto častí:

  • dusíkaté bázy: purínové (adenín, guanín), pyrimidínové (tymín, cytozín),
  • cukor: 2-deoxy-D-ribóza,
  • kys. trihydrogénfosforečná.

Makromolekula DNA je podobne ako bielkoviny charakterizovaná primárnou, sekundárnou a terciárnou štruktúrou.

Primárna štruktúra DNA

Primárna štruktúra DNA je daná počtom a poradím, t.j. sekvenciou nukleotidov, ktoré sú v polynukleotidovom reťazci pospájané 3',5'-fosfodiesterovou väzbou. Relatívna molekulová hmotnosť takejto makromolekuly môže byť rádovo až 109 Da, čo predstavuje asi 200 tisíc stavebných jednotiek.

Primárna štruktúra DNA určuje poradie aminokyselín v bielkovinách. Sekvencia nukleotidov, ktorá obsahuje informáciu pre syntézu určitého produktu (najčastejšie je ním funkčná bielkovina), sa nazýva gén. Gén je taktiež základnou jednotkou dedičnosti z pohľadu genetiky. Zdedená porucha v sekvencii nukleotidov, teda porucha primárnej štruktúry DNA, spôsobuje genetické choroby.

Sekundárna štruktúra DNA

Molekulu DNA tvoria v skutočnosti dva polynukleotidové reťazce ležiace tesne nad sebou, pričom oproti A jedného vlákna sa vždy nachádza T na druhom vlákne, a oproti C sa vždy nachádza G. Toto párovanie sa označuje ako komplementarita dusíkatých báz. Umožňuje tvorbu presnej kópie molekuly DNA a zabezpečuje kontinuitu života. Dva protiľahké reťazce DNA sa "párujú" v dôsledku medzimolekulových interakcií v podobe vodíkových mostíkov, pričom medzi A-T2 vodíkové mostíky a medzi C-G3 vodíkové mostíky. Počet vodíkových mostíkov určuje silu tejto väzby, ktorá má význam pre mnohé deje súvisiace s metabolizmom DNA (napr. v oblastiach bohatých na A-T dochádza ľahšie k rozpletaniu reťazcov pri začiatku replikácie DNA).

J. WATSON a F. CRICK navrhli na základe špeciálnej röntgenovej (RTG) analýzy v roku 1953 priestorový model DNA (Nobelova cena, r. 1962), ktorým je vyjadrená jej sekundárna štruktúra. Sekundárnu štruktúru DNA tvoria dva polynukleotidové reťazce, ktoré sú antiparalelne spletené do pravotočivej dvojzávitnice, tzv. dvojitý α-helix. Táto štruktúra je pomerne stabilná.

Antiparalelná je taká konštelácia dvojzávitnice DNA, že oproti reťazcu, ktorý má fosfodiesterové väzby v smere 3'-5', je naložený druhý reťazec orientovaný v opačnom smere, tzn. 5'-3'.

Terciárna štruktúra DNA

Terciárna štruktúra DNA vzniká stočením dvojzávitnice v priestore do tzv. superhelixu. Takto zvinutá DNA sa nazýva superšpiralizovaná DNA.

RNA

Ribonukleová kyselina sa skladá z týchto častí:

  • dusíkaté bázy: purínové (adenín, guanín), pyrimidínové (uracil, cytozín),
  • cukor: D-ribóza,
  • kys. trihydrogénfosforečná.

Primárna štruktúra RNA je v podstate rovnaká ako u DNA. Rozdiel je len v zložení nukleotidov, v ktorých namiesto deoxyribózy sa nachádza ribóza a z dusíkatých báz namiesto tymínu T sa nachádza uracil U. Párovanie báz pri tvorbe heteroduplexov alebo dvojzávitnicových molekúl je potom takéto: A-U a G-C.

Pojmom heteroduplex sa označuje dvojzávitnica tvorená kombináciou jednovláknových molekúl DNA-RNA, ktorá vzniká napríklad v priebehu transkripcie, kedy RNA-polymeráza pripája nukleotidy RNA na jednovláknovú matricu DNA. Treba zdôrazniť, že takýto heteroduplexný úsek DNA-RNA je len veľmi krátky a rýchlo sa pôsobením polymerázy rozpadá na DNA a predlžujúcu sa RNA.

Sekundárna a terciárna štruktúra RNA je oveľa rôznorodejšia ako v prípade DNA. Pri izolácii RNA z bunky dostaneme vzorku, ktorá obsahuje rôzne typy tejto nukleovej kyseliny. Dokonca aj molekula jedného typu RNA nemusí mať rovnakú priestorovú štruktúru. Veľká väčšina RNA je jednovláknová, a práve vďaka tomu sa môže stať, že pri ohybe vlákna dôjde k vzniku vnútromolekulových vodíkových mostíkov. Ribonukleové kyseliny sa od seba odlišujú nielen funkciou, miestom výskytu ale aj molekulovou hmotnosťou a štruktúrou.

Podľa biologickej funkcie a lokalizácie delíme RNA na 3 základné typy a množstvo ďalších minoritných typov (malé jadrové a jadierkové RNA, antisense RNA atď.):

  • mRNA
  • rRNA
  • tRNA

Mediátorová (messengerová) RNA (mRNA)

Mediátorová RNA (mRNA) (angl. messenger = posol) - alebo informačná (iRNA), predstavuje 5-10% obsahu RNA v bunke. Jej úlohou je prenos genetickej informácie z DNA do štruktúry bielkovín. Tvorí sa priamo na reťazci DNA na základe komplementarity báz, takže A z DNA sa prepíše ako U do RNA, G sa prepíše ako C, T ako A, a C ako G. Má jednovláknovú štruktúru a jej dĺžka závisí od množstva informácií (dĺžky génu), ktoré nesie. Trojice nukleotidov v mRNA nazývané kodóny predstavujú pri proteosyntéze informáciu pre zaradenie jednej aminokyseliny do polypeptidového reťazca. Relatívna molekulová hmotnosť mRNA je 25000 až 106 Da.

Ribozómová RNA (rRNA)

Ribozómová RNA (rRNA) tvorí základnú stavebnú zložku ribozómov a predstavuje až 90% obsahu RNA v bunke. Priamo na ribozómoch dochádza k vlastnej syntéze proteínov (proteosyntéze). Časti makromolekuly rRNA môžu mať tvar dvojitej závitnice. Ribozómové RNA sa najčastejšie charakterizujú sedimentačným koeficientom S. Čím je väčšia hodnota S, tým má rRNA väčšiu molekulovú hmotnosť.

Transferová RNA (tRNA)

Transferové RNA (tRNA) majú špecifickú sekundárnu a terciárnu štruktúru, ktorá je daná bohatým vnútromolekulovým párovaním báz. Transferová RNA zabezpečuje prenos (transfer) aktivovaných aminokyselín na miesto tvorby polypeptidového reťazca - do ribozómu. Špecifickosť tRNA pre zaradenie danej aminokyseliny určuje trojica nukleotidov v strednej časti molekuly - antikodón, ktorým tRNA rozoznáva kodóny na mRNA. Súhrn pravidiel, podľa ktorých príslušný kodón na mRNA vedie k zaradeniu určitej aminokyseliny do polypeptidového reťazca, sa nazýva genetický kód. Transferové RNA nemajú veľkú molekulovú hmotnosť. Obsahujú okolo 70 až 80 nukleotidov. Nachádzajú sa voľne v bunkovej cytoplazme.