Nukleové kyseliny sú biomakromolekulové látky zodpovedné za organizáciu a reprodukciu živej hmoty. Vo svojich makromolekulách uchovávajú a prenášajú genetickú informáciu bunky a ich prostredníctvom sa táto informácia prepisuje do špecifickej primárnej štruktúry bielkovín. Biologická aktivita a správne priestorové usporiadanie nukleových kyselín, podobne ako u bielkovín, sa môže prejaviť len za prítomnosti vody, ktorá tvorí nevyhnutné fyzikálno-chemické prostredie pre funkciu makromolekúl.
Štruktúra nukleotidu link
Nukleové kyseliny sú polynukleotidy, ktorých základnou stavebnou jednotkou (monomérom) sú nukleotidy. Každý nukleotid sa skladá z troch častí:
- zásaditá zložka – heterocyklické dusíkaté purínové alebo pyrimidínové bázy
- neutrálna zložka – päťuhlíkaté cukry (pentózy) D-ribóza alebo 2-deoxy-D-ribóza. Tieto dva cukry sa navzájom líšia tým, že deoxyribóze na druhom uhlíku (2´) chýba atóm kyslíka.
- kyslá zložka – zvyšok kyseliny trihydrogénfosforečnej (H₃PO₄)
Dusíkaté bázy sú heterocyklické zlúčeniny, kde heteroatómom je dusík. Sú odvodené od dvoch základných štruktúr:
- purínu (dvojkruhové) – adenín (A), guanín (G)
- pyrimidínu (jednokruhové) – cytozín (C), tymín (T), uracil (U)
Nukleotid vzniká vzájomnou kondenzáciou zložiek. Dusíkatá báza a pentóza sa spájajú pevnou N-glykozidovou väzbou na prvom uhlíku (1´) cukru, čím vzniká nukleozid. Samotný nukleotid je vlastne nukleozid esterifikovaný kyselinou trihydrogénfosforečnou na piatom uhlíku (5´) cukru.
nukleozid + H₃PO₄ = nukleotid
Nukleotidy a nukleozidy nie sú len stavebnými jednotkami nukleových kyselín. V bunkách môžu plniť viaceré ďalšie funkcie. Zúčastňujú sa napríklad na prenose elektrónov a vodíka (NAD⁺ – nikotínamid-adenín-dinukleotid, FAD – flavín-adenín-dinukleotid) a na prenose charakteristických skupín (napríklad koenzým A).
Obzvlášť dôležitými voľnými nukleotidmi sú AMP (adenozínmonofosfát), ADP (adenozíndifosfát) a hlavne ATP (adenozíntrifosfát). Tie sa zúčastňujú na prenose voľnej chemickej energie a v bunke plnia úlohu takzvaného „univerzálneho energetického platidla“. Energia sa uvoľňuje pri hydrolytickom štiepení koncových zvyškov kyseliny trihydrogénfosforečnej z nukleotidu ATP za vzniku ADP a anorganického fosfátu.
Ďalším významným nukleotidom je cAMP (cyklický adenozínmonofosfát), ktorý slúži ako dôležitá vnútrobunková signálna molekula, takzvaný druhý posol.
Vznik polynukleotidového reťazca link
Polynukleotidový reťazec vzniká tak, že sa jednotlivé nukleotidy navzájom viažu pevnou kovalentnou 3',5'-fosfodiesterovou väzbou (čítaj „tri s čiarou päť s čiarou“). Táto väzba vzniká spojením kyseliny fosforečnej medzi tretím uhlíkom (3´) jedného nukleotidu a piatym uhlíkom (5´) nasledujúceho nukleotidu.
Vytvára sa tak súvislá cukor-fosfátová (pentózofosfátová) kostra vlákna, z ktorej do priestoru vyčnievajú dusíkaté bázy. Touto väzbou sa zároveň dosiahne smerová orientácia reťazca (polarita) – na začiatku vlákna je vždy voľný 5´ koniec s fosfátom a na konci je vždy 3´ koniec s voľnou -OH skupinou. Syntéza nových vlákien preto prebieha vždy v smere 5´ → 3´.
Rozdelenie nukleových kyselín link
Podľa zloženia nukleotidov a cukornej zložky rozlišujeme dva základné typy nukleových kyselín:
- DNA – deoxyribonukleová kyselina
- RNA – ribonukleová kyselina
DNA link
Deoxyribonukleová kyselina (DNA) sa skladá z týchto častí:
- dusíkaté bázy – purínové (adenín, guanín) a pyrimidínové (tymín, cytozín)
- cukor – 2-deoxy-β-D-ribóza
- zvyšok kyseliny – kyselina trihydrogénfosforečná (H₃PO₄)
Makromolekula DNA je podobne ako bielkoviny charakterizovaná primárnou, sekundárnou a terciárnou štruktúrou.
Primárna štruktúra DNA link
Primárna štruktúra DNA je daná presným počtom a poradím, teda sekvenciou nukleotidov, ktoré sú v polynukleotidovom reťazci pospájané kovalentnou 3',5'-fosfodiesterovou väzbou. Relatívna molekulová hmotnosť takejto makromolekuly môže byť obrovská a dĺžka reťazca môže dosahovať od niekoľkých tisíc (napríklad plazmidy, vírusy) až po stovky miliónov stavebných jednotiek (v eukaryotických chromozómoch).
Primárna štruktúra DNA priamo určuje poradie aminokyselín v bielkovinách. Sekvencia nukleotidov, ktorá obsahuje ucelenú informáciu pre syntézu určitého produktu (najčastejšie funkčnej bielkoviny), sa nazýva gén. Gén je taktiež základnou jednotkou dedičnosti z pohľadu genetiky. Akákoľvek zdedená alebo získaná porucha v sekvencii nukleotidov (porucha primárnej štruktúry DNA – mutácia) môže spôsobiť genetické ochorenia.
Sekundárna štruktúra DNA link
Molekulu DNA v skutočnosti tvoria dva polynukleotidové reťazce ležiace tesne nad sebou. Oproti adenínu (A) jedného vlákna sa vždy nachádza tymín (T) na druhom vlákne a oproti cytozínu (C) sa vždy nachádza guanín (G). Toto striktné pravidlo párovania sa označuje ako komplementarita dusíkatých báz. Komplementarita umožňuje tvorbu presnej kópie molekuly DNA a zabezpečuje tak kontinuitu života.
Dva protiľahlé reťazce DNA sa párujú v dôsledku medzimolekulových interakcií v podobe vodíkových mostíkov. Platí pravidlo, že medzi A–T sa tvoria 2 vodíkové mostíky a medzi C–G sa tvoria 3 vodíkové mostíky. Počet vodíkových mostíkov priamo určuje silu tejto väzby, čo má obrovský význam pre metabolizmus DNA. Napríklad v oblastiach bohatých na páry A–T dochádza oveľa ľahšie k rozpletaniu reťazcov pri začiatku replikácie alebo transkripcie DNA, keďže sú spojené len dvomi mostíkmi.
Antiparalelnosť znamená, že reťazce sú orientované presne v opačnom smere. Zatiaľ čo jeden reťazec prebieha v smere 5' → 3', druhý, k nemu komplementárny reťazec, prebieha v smere 3' → 5'.
Terciárna štruktúra DNA link
Pojem terciárna štruktúra DNA označuje jej nadzávitnicové vinutie (superhelix, supercoiling). Vzniká dodatočným priestorovým stočením dvojzávitnice. V eukaryotických bunkách sa takto zvinutá makromolekula za pomoci špecifických bázických bielkovín (histónov) organizuje do štruktúry chromatínu. Vďaka tomu sa obrovské molekuly DNA dokážu priestorovo zmestiť do mikroskopického bunkového jadra. Superšpiralizácia vzniká voľne aj napríklad pri dočasnom rozpletaní DNA počas transkripcie.
RNA link
Ribonukleová kyselina (RNA) sa na rozdiel od DNA vyskytuje v bunkách zvyčajne ako jednovláknová molekula a namiesto bázy tymín obsahuje uracil. V bunkách rozoznávame niekoľko typov RNA, ktoré všetky vznikajú procesom transkripcie katalyzovaným enzýmom RNA-polymeráza.
Molekula RNA sa skladá z týchto častí:
- zásaditá zložka (dusíkaté bázy) – purínové (adenín, guanín) a pyrimidínové (uracil, cytozín)
- neutrálna zložka (cukor) – pentóza D-ribóza
- kyslá zložka – zvyšok kyseliny trihydrogénfosforečnej (H₃PO₄)
Primárna štruktúra RNA je v podstate rovnaká ako u DNA (nukleotidy spojené fosfodiesterovou väzbou). Zásadný rozdiel je len v zložení nukleotidov, v ktorých sa namiesto deoxyribózy nachádza ribóza a z dusíkatých báz sa namiesto tymínu (T) nachádza uracil (U). Párovanie báz na princípe komplementarity pri tvorbe heteroduplexov alebo vnútromolekulových mostíkov RNA je potom takéto: A–U a G–C.
Pojmom heteroduplex sa označuje dočasná dvojzávitnica tvorená kombináciou jednovláknových molekúl DNA–RNA. Vzniká napríklad v priebehu transkripcie, kedy enzým RNA-polymeráza pripája voľné nukleotidy RNA k jednovláknovej matrici DNA. Je dôležité zdôrazniť, že takýto heteroduplexný úsek je len veľmi krátky (cca 18 bázových párov) a za polymerázou sa rýchlo opäť rozpadá na pôvodnú dvojvláknovú DNA a novovznikajúcu voľnú RNA.
Sekundárna a terciárna štruktúra RNA je v porovnaní s DNA oveľa rôznorodejšia. Všeobecne platí, že molekuly RNA sú jednovláknové (výnimku tvorí len genetický materiál niektorých RNA vírusov, napríklad reovírusov, ktoré majú dvojvláknovú dsRNA). Práve vďaka tomu, že je vlákno voľné, často dochádza k jeho ohybu a k vzniku vnútromolekulových vodíkových mostíkov medzi komplementárnymi bázami v rámci toho istého reťazca. Ribonukleové kyseliny sa tak od seba výrazne odlišujú priestorovou štruktúrou, molekulovou hmotnosťou, miestom výskytu a biologickou funkciou.
Podľa biologickej funkcie a lokalizácie delíme RNA na 3 základné typy a množstvo ďalších, minoritných typov:
Mediátorová (messengerová) RNA (mRNA) link
Mediátorová RNA (z angl. messenger – posol) alebo informačná RNA (iRNA) predstavuje 5–10 % celkového obsahu RNA v bunke. Jej kľúčovou úlohou je prenos genetickej informácie z génov v jadre do cytoplazmy, priamo na miesto proteosyntézy – k ribozómom. Tvorí sa na pracovnom reťazci DNA na základe komplementarity báz, takže adenín (A) z DNA sa prepíše ako uracil (U) do RNA, guanín (G) sa prepíše ako cytozín (C), tymín (T) ako adenín (A) a cytozín (C) ako guanín (G).
Molekula mRNA 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 presne jednej aminokyseliny do vznikajúceho polypeptidového reťazca. Relatívna molekulová hmotnosť mRNA je 25 000–10⁶ Da.
Ribozómová RNA (rRNA) link
Ribozómová RNA (rRNA) tvorí spolu s bielkovinami základnú stavebnú a katalytickú zložku ribozómov a predstavuje až 80–90 % celkového obsahu RNA v bunke. Priamo na ribozómoch dochádza k vlastnej syntéze proteínov (translácii). Určité časti makromolekuly rRNA sa môžu navzájom párovať a nadobúdať tvar dvojitej závitnice.
V eukaryotických bunkách sa rRNA syntetizuje v jadierku (nucleolus). Ribozómy a rRNA sa v biochémii najčastejšie charakterizujú sedimentačným koeficientom (Svedbergova jednotka – S). Platí pravidlo, že čím je hodnota S vyššia, tým má konkrétna častica väčšiu hmotnosť. Eukaryotické ribozómy sú väčšie (80S) ako prokaryotické (70S).
Transferová RNA (tRNA) link
Transferové RNA (tRNA) tvoria asi 10–15 % RNA v bunke a zvyčajne obsahujú len okolo 74 až 95 nukleotidov. Zabezpečujú prenos (transfer) aktivovaných aminokyselín z cytoplazmy priamo na miesto tvorby polypeptidového reťazca – do ribozómu. Pre tRNA je typická prítomnosť takzvaných minoritných báz (napríklad inozín, dihydrouridín).
Majú veľmi špecifickú štruktúru danú bohatým vnútromolekulovým párovaním báz. Sekundárna štruktúra pripomína tvar ďatelinového trojlístka, avšak v priestore (terciárna štruktúra) nadobúda molekula tRNA tvar písmena L. Na molekule tRNA sú najdôležitejšie dve miesta:
- antikodónové rameno – stredná časť molekuly s trojicou nukleotidov (antikodónom), ktorá na princípe komplementarity aktívne rozoznáva kodóny na mRNA
- akceptorové rameno – nachádza sa na voľnom 3´-konci molekuly a vždy končí sekvenciou nukleotidov CCA. Práve sem sa esterovou väzbou viaže prenášaná aminokyselina.
Nekódujúce a regulačné RNA link
Predstavujú rôznorodú skupinu menších molekúl s kľúčovými regulačnými funkciami:
- malé jadrové RNA (snRNA) – podieľajú sa na vystrihovaní intrónov z pre-mRNA, pričom sú súčasťou komplexov zvaných spliceozómy
- jadierkové RNA (snoRNA) – majú význam pri úpravách rRNA
- mikroRNA (miRNA) a malé interferujúce RNA (siRNA) – významne sa podieľajú na regulácii a tlmení expresie génov (proces označovaný ako RNA interferencia)
