Dusíkaté báze, důležité součásti nukleotidů, jsou organické molekuly a jmenují se tak proto, že obsahují uhlík a dusík. Jsou to báze, protože obsahují aminoskupinu, která má potenciál vázat další vodík, a tím snižuje koncentraci vodíkových iontů ve svém okolí, čímž se stává zásaditější. Každý nukleotid v DNA obsahuje jednu ze čtyř možných dusíkatých bází: adenin (A), guanin (G) cytosin (C) a tymin (T). Nukleotidy RNA také obsahují jednu ze čtyř možných bází: adenin, guanin, cytosin a uracil (U) místo tyminu.
Adenin a guanin se řadí mezi puriny. Základní strukturou purinu jsou dva uhlíkovodíkové kruhy. Cytosin, thymin a uracil jsou klasifikovány jako pyrimidiny, jejichž primární strukturou je jeden uhlíkovodíkový kruh (obrázek 1). Na každý z těchto základních uhlíko-dušičkových kruhů jsou navázány různé funkční skupiny. Ve zkratce molekulární biologie se dusíkaté báze označují jednoduše symboly A, T, G, C a U. DNA obsahuje A, T, G a C, zatímco RNA obsahuje A, U, G a C.
Pentózový cukr v DNA je deoxyribóza a v RNA je to ribóza (obrázek 1). Rozdíl mezi těmito cukry spočívá v přítomnosti hydroxylové skupiny na druhém uhlíku ribózy a vodíku na druhém uhlíku deoxyribózy. Atomy uhlíku v molekule cukru jsou očíslovány jako 1′, 2′, 3′, 4′ a 5′ (1′ se čte jako „jednička“). Fosfátový zbytek je připojen k hydroxylové skupině na 5′ uhlíku jednoho cukru a k hydroxylové skupině na 3′ uhlíku cukru dalšího nukleotidu, čímž vzniká fosfodiesterová vazba 5′-3′. Fosfodiesterová vazba nevzniká jednoduchou dehydratační reakcí jako jiné vazby spojující monomery v makromolekulách: její vznik zahrnuje odstranění dvou fosfátových skupin. Polynukleotid může mít tisíce takových fosfodiesterových vazeb.
Struktura dvojitého helixu DNA
Obrázek 2. DNA je antiparalelní dvojitá šroubovice. Fosfátová páteř (křivky) je na vnější straně a báze jsou uvnitř. Každá báze interaguje s bází z protilehlého vlákna. (kredit: Jerome Walker/Dennis Myts)
DNA má strukturu dvojité šroubovice (obrázek 2). Cukr a fosfát leží na vnější straně šroubovice a tvoří páteř DNA. Dusíkaté báze jsou naskládány uvnitř, jako stupně schodiště, v párech; páry jsou k sobě vázány vodíkovými vazbami. Každý pár bází ve dvojité šroubovici je od dalšího páru bází vzdálen 0,34 nm.
Dvě vlákna šroubovice probíhají v opačných směrech, což znamená, že 5′ uhlíkový konec jednoho vlákna bude směřovat k 3′ uhlíkovému konci odpovídajícího vlákna. (Tato orientace se označuje jako antiparalelní a je důležitá pro replikaci DNA a v mnoha interakcích nukleových kyselin.)
Povoleny jsou pouze určité typy párování bází. Například určitý purin se může párovat pouze s určitým pyrimidinem. To znamená, že A se může párovat s T a G s C, jak je znázorněno na obrázku 3. Toto pravidlo je známé jako pravidlo komplementarity bází. Jinými slovy, vlákna DNA jsou navzájem komplementární. Pokud je sekvence jednoho vlákna AATTGGCC, komplementární vlákno bude mít sekvenci TTAACCGG. Během replikace DNA se každé vlákno zkopíruje, čímž vznikne dceřiná dvojitá šroubovice DNA obsahující jedno rodičovské vlákno DNA a nově syntetizované vlákno.
Praktická otázka
Obrázek 3. Jaké jsou výsledky replikace DNA? Ve dvouvláknové molekule DNA probíhají obě vlákna antiparalelně vůči sobě tak, že jedno vlákno probíhá 5′ až 3′ a druhé 3′ až 5′. Fosfátová páteř se nachází na vnější straně a báze jsou uprostřed. Adenin tvoří vodíkové vazby (neboli páry bází) s thyminem a guanin tvoří páry bází s cytosinem.
Dojde k mutaci a cytosin je nahrazen adeninem. Jaký vliv to podle vás bude mít na strukturu DNA?
RNA
Ribonukleová kyselina neboli RNA se podílí především na procesu syntézy bílkovin pod vedením DNA. RNA je obvykle jednovláknová a skládá se z ribonukleotidů, které jsou spojeny fosfodiesterovými vazbami. Ribonukleotid v řetězci RNA obsahuje ribózu (pentózový cukr), jednu ze čtyř dusíkatých bází (A, U, G a C) a fosfátovou skupinu.
Existují čtyři hlavní typy RNA: messengerová RNA (mRNA), ribozomální RNA (rRNA), transferová RNA (tRNA) a mikroRNA (miRNA). První z nich, mRNA, přenáší zprávu z DNA, která řídí všechny buněčné činnosti v buňce. Pokud buňka vyžaduje syntézu určitého proteinu, gen pro tento produkt se „zapne“ a v jádře se syntetizuje poselská RNA. Sekvence bází RNA je komplementární ke kódující sekvenci DNA, ze které byla zkopírována. V RNA však chybí báze T a místo ní je přítomna báze U. Má-li vlákno DNA sekvenci AATTGCGC, je sekvence komplementární RNA UUAACGCG. V cytoplazmě mRNA interaguje s ribozomy a dalšími buněčnými stroji (obrázek 4).
Obrázek 4. Ribozom má dvě části: velkou podjednotku a malou podjednotku. Mezi oběma podjednotkami se nachází mRNA. Molekula tRNA rozpozná kodon na mRNA, naváže se na něj komplementárním párováním bází a přidá správnou aminokyselinu do rostoucího peptidového řetězce.
MRNA se čte v sadách tří bází známých jako kodony. Každý kodon kóduje jednu aminokyselinu. Tímto způsobem se přečte mRNA a vytvoří se bílkovinný produkt. Ribosomální RNA (rRNA) je hlavní složkou ribosomů, na které se mRNA váže. RRNA zajišťuje správné zarovnání mRNA a ribosomů; rRNA ribosomu má také enzymatickou aktivitu (peptidyltransferáza) a katalyzuje tvorbu peptidových vazeb mezi dvěma zarovnanými aminokyselinami. Transferová RNA (tRNA) je jedním z nejmenších ze čtyř typů RNA, obvykle 70-90 nukleotidů dlouhá. Přenáší správnou aminokyselinu do místa syntézy bílkovin. Právě párování bází mezi tRNA a mRNA umožňuje vložení správné aminokyseliny do polypeptidového řetězce. mikroRNA jsou nejmenší molekuly RNA a jejich úloha spočívá v regulaci genové exprese tím, že zasahují do exprese určitých zpráv mRNA.
.