Nukleiinihapot ovat elämän jatkuvuuden kannalta keskeisiä makromolekyylejä. Ne kantavat solun geneettistä rakennesuunnitelmaa ja välittävät ohjeita solun toimintaan. Nukleiinihappojen kaksi päätyyppiä ovat deoksiribonukleiinihappo (DNA) ja ribonukleiinihappo (RNA). DNA on perintöaines, jota esiintyy kaikissa elävissä organismeissa yksisoluisista bakteereista monisoluisiin nisäkkäisiin. Toinen nukleiinihappotyyppi, RNA, osallistuu pääasiassa proteiinisynteesiin. DNA-molekyylit eivät koskaan poistu ytimestä, vaan ne käyttävät RNA-välittäjää kommunikoidakseen muun solun kanssa. Myös muut RNA-tyypit osallistuvat proteiinisynteesiin ja sen säätelyyn. Käsittelemme nukleiinihappoja tarkemmin myöhemmässä jaksossa.
DNA ja RNA koostuvat monomeereistä, joita kutsutaan nukleotideiksi ja jotka on liitetty toisiinsa ketjuksi kovalenttisilla sidoksilla. Kukin nukleotidi koostuu kolmesta komponentista: typpiemäksestä, viisihiilisestä sokerista ja fosfaattiryhmästä (kuva 1). Yhdessä nukleotidissa typpiemäs on kiinnittynyt sokerimolekyyliin, joka on kiinnittynyt fosfaattiryhmään.
Typpiemäkset, jotka ovat tärkeät nukleotidien komponentit, ovat eloperäisiä molekyylejä, ja ne ovat saaneet nimensä siksi, että niissä on hiiltä ja typpeä. Ne ovat emäksiä, koska ne sisältävät aminoryhmän, joka voi sitoa ylimääräisen vedyn ja siten vähentää vetyionien pitoisuutta ympäristössään tehden siitä emäksisemmän. Jokainen DNA:n nukleotidi sisältää yhden neljästä mahdollisesta typpiperäisestä emäksestä: adeniini (A), guaniini (G), sytosiini (C) ja tymiini (T). RNA sisältää tymiinin sijasta emästä urasiilia (U). Emästen järjestys nukleiinihapossa määrää sen tiedon, jota DNA- tai RNA-molekyyli kuljettaa. Tämä johtuu siitä, että DNA-geenin emästen järjestys määrittää järjestyksen, jossa aminohapot kootaan yhteen proteiiniksi.
DNA:n pentoosisokeri on deoksiriboosi, ja RNA:ssa sokeri on riboosi (kuva 1). Sokereiden erona on hydroksyyliryhmän läsnäolo riboosin toisessa hiilessä ja vedyn läsnäolo deoksiriboosin toisessa hiilessä. Sokerimolekyylin hiiliatomit on numeroitu seuraavasti: 1′, 2′, 3′, 4′ ja 5′ (1′ lukee ”yksi prime”). Fosfaattijäännös on kiinnittynyt yhden sokerin 5′-hiilen hydroksyyliryhmään ja seuraavan nukleotidin sokerin 3′-hiilen hydroksyyliryhmään, mikä muodostaa 5′-3′-fosfodiesterisidoksen (erityyppinen kovalenttinen sidos). Polynukleotidissa voi olla tuhansia tällaisia fosfodiesterisidoksia.
DNA:lla on kaksoiskelikaalinen rakenne (kuva 2). Se koostuu kahdesta säikeestä eli nukleotidiketjusta. DNA:n kaksoiskierrettä verrataan usein kierrettyihin tikkaisiin. Säikeet (tikapuiden ulkopuoliset osat) muodostuvat yhdistämällä vierekkäisten nukleotidien fosfaatit ja sokerit vahvoilla kemiallisilla sidoksilla, joita kutsutaan kovalenttisiksi sidoksiksi. Kierrettyjen tikapuiden askelmat muodostuvat kahdesta emäksestä, jotka on kiinnitetty toisiinsa heikoilla kemiallisilla sidoksilla, joita kutsutaan vetysidoksiksi. Kahta emästä, jotka ovat vetysidoksessa toisiinsa, kutsutaan emäspariksi. Tikkaat kiertyvät pitkin pituuttaan, mistä johtuu ”double helix”-kuvaus, joka tarkoittaa kaksoiskierrettä.
Vuorottelevat sokeri- ja fosfaattiryhmät sijaitsevat kummankin säikeen ulkopuolella ja muodostavat DNA:n selkärangan. Typpeä sisältävät emäkset ovat pinoutuneet sisäpuolelle kuin portaiden askelmat, ja nämä emäkset muodostavat pareja; parit ovat sitoutuneet toisiinsa vetysidoksilla. Emäkset parittuvat siten, että kahden säikeen selkärangan välinen etäisyys on sama koko molekyylin pituudelta.
DNA-molekyylissä adeniini (A) parittuu aina tymiinin (T) kanssa ja sytosiini (C) parittuu aina guaniinin (G) kanssa. Tämä tarkoittaa sitä, että DNA:n kaksoiskierteen toisen säikeen järjestyksen perusteella voidaan aina määrittää toinen säie.
Miten nukleiinihappojen rakenne määrittelee toiminnon?
Kuten DNA:n, niin myös RNA:n päätehtävä on geneettisen informaation tallentaminen ja kuljettaminen. Nukleotidien erityinen järjestys DNA- tai RNA-molekyylissä määrittää sen kuljettaman geneettisen informaation. Voit ajatella sitä kuin kirjainten järjestystä kirjassa – jos kirjainten järjestystä muutettaisiin, kirja ei enää sisältäisi samaa (tai oikeaa) tietoa.