Nukleové kyseliny jsou klíčové makromolekuly pro kontinuitu života. Jsou nositeli genetického plánu buňky a nesou instrukce pro její fungování. Dva hlavní typy nukleových kyselin jsou deoxyribonukleová kyselina (DNA) a ribonukleová kyselina (RNA). DNA je genetický materiál, který se nachází ve všech živých organismech, od jednobuněčných bakterií až po mnohobuněčné savce. Druhý typ nukleové kyseliny, RNA, se většinou podílí na syntéze bílkovin. Molekuly DNA nikdy neopouštějí jádro, ale ke komunikaci se zbytkem buňky využívají prostředníka RNA. Na syntéze bílkovin a její regulaci se podílejí i další typy RNA. Nukleovým kyselinám se budeme podrobněji věnovat v některém z dalších oddílů.
DNA a RNA se skládají z monomerů známých jako nukleotidy spojených kovalentními vazbami do řetězce. Každý nukleotid se skládá ze tří složek: dusíkaté báze, pětiuhlíkatého cukru a fosfátové skupiny (obrázek 1). Dusíkatá báze v jednom nukleotidu je připojena k molekule cukru, která je připojena k fosfátové skupině.
Dusíkaté báze, důležité složky 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). RNA obsahuje místo thyminu bázi uracil (U). Pořadí bází v nukleové kyselině určuje informaci, kterou molekula DNA nebo RNA nese. Pořadí bází v genu DNA totiž určuje pořadí, v jakém budou aminokyseliny sestaveny dohromady a vytvoří bílkovinu.
Penetózním cukrem v DNA je deoxyribóza a v RNA je tímto cukrem 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′ (specifický typ kovalentní vazby). Polynukleotid může mít tisíce takových fosfodiesterových vazeb.
DNA má dvoušroubovicovou strukturu (obrázek 2). Skládá se ze dvou vláken neboli řetězců nukleotidů. Dvojitá šroubovice DNA se často přirovnává ke stočenému žebříku. Vlákna (vnější části žebříku) jsou tvořena spojením fosfátů a cukrů sousedních nukleotidů pevnými chemickými vazbami, tzv. kovalentními vazbami. Příčky stočeného žebříku tvoří dvě báze spojené slabou chemickou vazbou, tzv. vodíkovou vazbou. Dvě báze spojené vodíkovou vazbou se nazývají bázový pár. Žebřík se po své délce stáčí, odtud popis „dvojitá šroubovice“, což znamená dvojitá spirála.
Střídavé cukerné a fosfátové skupiny leží na vnější straně každého vlákna a tvoří páteř DNA. Dusíkaté báze jsou naskládány uvnitř, jako stupně schodiště, a tyto báze se párují; páry jsou k sobě vázány vodíkovými vazbami. Báze se párují tak, že vzdálenost mezi páteřemi obou vláken je po celé délce molekuly stejná.
V molekule DNA se adenin (A) vždy páruje s thyminem (T) a cytosin (C) se vždy páruje s guaninem (G). To znamená, že ze sekvence jednoho vlákna dvojité šroubovice DNA lze vždy určit druhé vlákno.
Jak struktura nukleové kyseliny určuje její funkci?
Hlavní funkcí DNA i RNA je uchovávat a přenášet genetickou informaci. Konkrétní pořadí nukleotidů v molekule DNA nebo RNA určuje, jakou genetickou informaci nese. Můžete si to představit jako písmena v knize – kdyby se pořadí písmen změnilo, kniha by již neobsahovala stejnou (nebo správnou) informaci.