19.pdf

(229 KB) Pobierz
19
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
N
C
O
N
5 '
O
CH 2
O
O
5’
H
H
H
3 '
H
HN
CH 3
H
T
O
O
N
O -
P
O
5 '
O
CH 2
O
H
H
NH 2
H
3 '
H
N
N
H
A
O
N
N
O -
P
O
5 '
O
CH 2
O
H
H
O
H
3 '
H
N
NH
H
G
O
N
N
NH 2
O -
P
O
5 '
O
CH 2
O
H
H
H
3 '
H
H
3
O
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
1581365.020.png 1581365.021.png 1581365.022.png 1581365.023.png 1581365.001.png 1581365.002.png 1581365.003.png 1581365.004.png 1581365.005.png 1581365.006.png 1581365.007.png
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 (
f
×
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
H 3 C
O H
N
N
N H
N
N
N
N
cukier
cukier
O
T A
Cytozyna ł ą czy si ę z guanin ą za po ś rednictwem trzech wi ą za ń wodorowych.
H
N
H
O
N
N H
N
N
N
N
cukier
cukier
O H
N
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
1581365.008.png 1581365.009.png
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
1581365.010.png 1581365.011.png 1581365.012.png 1581365.013.png 1581365.014.png 1581365.015.png 1581365.016.png 1581365.017.png 1581365.018.png 1581365.019.png
Zgłoś jeśli naruszono regulamin