19.pdf

19. KWASY NUKLEINOWE

Kwasy nukleinowe, deoksyrybonukleinowy (DNA) i rybonukleinowy (RNA),

s ą chemicznymi no ś nikami informacji genetycznej w komórkach. Informacj ę gene-

tyczn ą stanowi chemicznie „zapisana” (alfabetem zasad azotowych) kolejno ść

deoksyrybonukleotydów w ła ń cuchach DNA, która przechowywana jest głównie

w j ą drze komórkowym. Informacja genetyczna jest przepisywana (transkrypcja),

po czym przekazywana do cytoplazmy w formie sekwencji polirybonukleotydo-

wej ła ń cuchów RNA. Przepisana informacja genetyczna na jeden z kwasów ry-

bonukleinowych (mRNA) słu Ŝ y do odczytania, przetłumaczenia na nowy „j ę zyk”

(o alfabecie aminokwasowym), tym samym stanowi bezpo ś redni ą matryc ę , na

której „materializuje si ę ” informacja genetyczna w formie specyficznej sekwencji

aminokwasowej polipeptydów (translacja).

W j ą drowym DNA zakodowany został unikatowy program genetyczny ka Ŝ -

dej komórki, kieruj ą cy biosyntez ą enzymów i wszystkich innych białek potrzeb-

nych do funkcjonowania komórek oraz kontroluj ą cych wzrost, rozmna Ŝ anie, tym

samym natur ę ka Ŝ dego Ŝ ywego organizmu.

Kwasy nukleinowe s ą nierozgał ę zionymi ła ń cuchami polinukleotydowymi,

w których kolejne mononukleotydy poł ą czone s ą wi ą zaniami 3 ’ 5 ’ fosfodiestrowymi,

tworz ą cymi obwodowy, ujemnie naładowany rdze ń fosfocukrowy, od którego ster-

cz ą na bok zasady azotowe. Ze specyfiki wi ą zania fosfodiestrowego wynika, Ŝ e

ka Ŝ dy ła ń cuch polinukleotydowy jest polarny, czyli ma dwa ró Ŝ ne ko ń ce, koniec-5 '

i koniec-3 ' . Koniec-5 ' polinukleotydu oznacza, Ŝ e przy pi ą tym atomie w ę gla (C5')

rybozy lub deoksyrybozy znajduje si ę fosforan (lub atom tlenu, gdy jest to tylko

fragment cało ś ci). Z punktu widzenia powstawania polinukleotydu, koniec-5 ' jest

rzeczywistym jego pocz ą tkiem. Koniec-3 ' polinukleotydu oznacza, Ŝ e przy trze-

cim atomie w ę gla (C3') rybozy lub deoksyrybozy znajduje si ę wolna grupa hydrok-

sylowa (lub atom tlenu, gdy jest to tylko fragment cało ś ci). Koniec-3 ' jest rzeczy-

wistym ko ń cem polinukleotydu. Przyj ę to, Ŝ e sekwencj ę nukleotydów, czyli struk-

tur ę pierwszorz ę dow ą polinukleotydów, zapisuje si ę , poczynaj ą c od ko ń ca-5 ' z le-

wej strony, za pomoc ą skrótów jednoliterowych nazw nukleozydów.

325

Iwona ś ak

NH 2

5 '

CH 2

5’

3 '

CH 3

O -

5 '

CH 2

NH 2

3 '

O -

5 '

CH 2

3 '

NH 2

O -

5 '

CH 2

3 '

3 ’

Polinukleotyd polarny o kierunku 5’

3’, z rdzeniem utworzonym z powtarzaj ą cych si ę

reszt fosfodeoksyrybozy, od którego stercz ą na bok zasady azotowe

326

Kwas deoksyrybonukleinowy

Polimer deoksyrybonukleotydów stanowi informacj ę genetyczn ą we wszyst-

kich organizmach Ŝ ywych, z wyj ą tkiem niektórych wirusów typu RNA. Eukario-

tyczny DNA wyst ę puje w postaci ła ń cuchowego dwuniciowego polimeru, nato-

miast prokariotyczny DNA to z reguły struktura zamkni ę ta, kolista. Cz ą steczka

DNA jedynie u bakteriofaga (

10 6

10 6 kilozasad (kb), a długo ść do 12 cm.

Obie nici DNA biegn ą w przeciwnych kierunkach, czyli s ą antyrównoległe

w odniesieniu do ich 5 '

3 ' kierunków i maj ą komplementarn ą sekwencj ę . Kom-

plementarno ść przeciwległych nici wynika ze struktury zasad azotowych i prze-

strzennych ogranicze ń rdzenia fosfocukrowego DNA. Komplementarne pary piry-

midyna – puryna o podobnej geometrii i wymiarach s ą utrzymywane wi ą zaniami

wodorowymi. Tymina tworzy par ę z adenin ą , stabilizowan ą dwoma wi ą zaniami

wodorowymi.

H 3 C

O H

N H

cukier

T ― A

Cytozyna ł ą czy si ę z guanin ą za po ś rednictwem trzech wi ą za ń wodorowych.

N H

cukier

O H

C ― G

W obr ę bie dwuniciowego DNA wyró Ŝ nia si ę tzw. pasmo matrycowe , ina-

czej zwane nonsensownym lub wiod ą cym, które zaczyna si ę ko ń cem 3 ' , zawiera

informacj ę genetyczn ą i jest matryc ą do transkrypcji cz ą steczek RNA. Drugie,

przeciwległe do matrycowego to tzw. pasmo koduj ą ce , inaczej zwane, sensow-

327

174) jest jednoniciowa, lecz w cyklu Ŝ yciowym te-

go faga pojawia si ę struktura dwuniciowa DNA.

Cz ą steczki DNA s ą olbrzymie, ich masy cz ą steczkowe mog ą si ę ga ć 1,9

daltonów, wielko ść 2,6

nym lub opó ź niaj ą cym, które zaczyna si ę ko ń cem 5 ' . Sekwencja tego pasma odpo-

wiada transkryptowi (pocz ą tkowy produkt transkrypcji), który koduje białko (poza

faktem, Ŝ e zamiast T jest U) i st ą d wywodzi si ę jego nazwa.

W latach 1949–1953 Erwin Chargaff wraz z współpracownikami przepro-

wadzili szczegółowe badania z zastosowaniem metod chromatograficznych nad

zale Ŝ no ś ciami ilo ś ciowo-jako ś ciowymi mi ę dzy zasadami azotowymi w hydroliza-

tach DNA, pochodz ą cych z ró Ŝ nych ź ródeł. Wyniki tych analiz chemicznych (zna-

ne jako reguły Chargaffa) nie były zrozumiałe a Ŝ do czasu zaproponowania i zdefi-

niowania modelu dedukcyjnego dwuniciowej, helikalnej struktury drugorz ę dowej

DNA przez Jamesa Watsona i Francisa Cricka w 1953 roku. Zaproponowany prze-

strzenny model Watsona-Cricka wyja ś nił, Ŝ e reguły Chargaffa odzwierciedlaj ą

podstawowe cechy struktury DNA.

Podstawowymi regułami Chargaffa s ą nast ę puj ą ce prawidłowo ś ci:

⇒ zawarto ść molowa A równa si ę T,

⇒ zawarto ść molowa G równa si ę C,

⇒ suma st ęŜ e ń A+G równa si ę sumie st ęŜ e ń C+T.

Z reguł tych wynika, Ŝ e wystarczy zna ć udział procentowy tylko jednego z

czterech nukleotydów (np. A), aby ustali ć udział procentowy wszystkich pozosta-

łych trzech nukleotydów (T, C, G) w analizowanej cz ą steczce DNA.

Natomiast stosunek sumy st ęŜ e ń molowych A+T do sumy st ęŜ e ń G+C jest

gatunkowo specyficzny, w zwi ą zku z tym wszystkie cz ą steczki DNA mo Ŝ na skla-

syfikowa ć w trzy typy, mianowicie:

⇒ cz ą steczki DNA, w których [A] + [T] > [G] + [C],

⇒ cz ą steczki DNA, w których [A] + [T] < [G] + [C],

⇒ cz ą steczki DNA, w których [A] + [T] = [G] + [C].

Cz ą steczki DNA pierwszego typu s ą najbardziej powszechne, z reguły ró Ŝ -

nice mi ę dzy sum ą AT a sum ą GC okazuj ą si ę stosunkowo niewielkie, przedstawi-

cielami ich mog ą by ć zarówno cz ą steczki DNA pochodz ą ce z wirusów ( Polyoma ),

bakterii ( Mycoplasma ), dro Ŝ d Ŝ y, muszek ( Drosophila ), jak i z organizmu człowie-

ka. Przedstawicielem DNA trzeciego typu mog ą by ć cz ą steczki DNA wywodz ą ce si ę

z Echerichia coli . Rzadko wyst ę puj ą cz ą steczki DNA drugiego typu, obecne np.

u Alcaligenes faecalis .

Kwasy deoksyrybonukleinowe lub ich rejony mog ą wyst ę powa ć w trzech

głównych formach przestrzennych (strukturach drugorz ę dowych) zwanych A, B

i Z. Dominuj ą c ą struktur ą drugorz ę dow ą DNA jest forma B, b ę d ą ca regularn ą pra-

woskr ę tn ą helis ą , zgodn ą z modelem Watsona i Cricka. Oba antyrównoległe ła ń cu-

chy B-DNA zwijaj ą si ę helikalnie wokół osi helisy, do której pary zasad azo-

towych układaj ą si ę prostopadle.

328

B-DNA

A-DNA

Z-DNA

Schematyczne diagramy głównych form: A-, B-, Z-DNA. (wg [12], zmodyfikowane)

W centrum helisy DNA znajduj ą si ę zasady azotowe obu nici, których płasz-

czyzny uło Ŝ one s ą jedna nad drug ą w formie charakterystycznych dwóch stosów,

stabilizowanych warstwowo oddziaływaniami hydrofobowymi. Na zewn ą trz helisy

DNA umiejscowione s ą oba rdzenie fosfocukrowe, pomi ę dzy którymi przebiegaj ą

helikalnie dwie bruzdy (rowki): mała o szeroko ś ci 6 Å i du Ŝ a o szeroko ś ci 12 Å .

rdzeń cukrowo-

-fosforanowy

329

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: