A nitrogénbázisok, a nukleotidok fontos összetevői, szerves molekulák, és azért kapták ezt a nevüket, mert szénből és nitrogénből állnak. Azért bázisok, mert tartalmaznak egy aminocsoportot, amely képes egy plusz hidrogén megkötésére, és így csökkenti a környezetében lévő hidrogénion-koncentrációt, így bázikusabbá válik. A DNS minden egyes nukleotidja a négy lehetséges nitrogénbázis egyikét tartalmazza: adenin (A), guanin (G) citozin (C) és timin (T). Az RNS-nukleotidok szintén tartalmazzák a négy lehetséges bázis egyikét: adenin, guanin, citozin és a timin helyett uracil (U).
Adenin és guanin a purinok közé tartoznak. A purin elsődleges szerkezete két szén-nitrogén gyűrű. A citozin, a timin és az uracil a pirimidinek közé sorolhatók, amelyek elsődleges szerkezete egy szén-nitrogéngyűrű (1. ábra). Mindegyik szén-nitrogén alapgyűrűhöz különböző funkciós csoportok kapcsolódnak. A molekuláris biológia rövidírásában a nitrogénbázisokat egyszerűen az A, T, G, C és U szimbólumaikkal ismerjük. A DNS A, T, G és C, míg az RNS A, U, G és C-t tartalmaz.
A DNS-ben a pentózcukor a dezoxiribóz, az RNS-ben pedig a ribóz (1. ábra). A cukrok közötti különbség a ribóz második szénatomján lévő hidroxilcsoport és a dezoxiribóz második szénatomján lévő hidrogén jelenléte. A cukormolekula szénatomjainak számozása 1′, 2′, 3′, 4′ és 5′ (az 1′ jelentése “egy prím”). A foszfátmaradék az egyik cukor 5′ szénatomjának hidroxilcsoportjához és a következő nukleotid cukor 3′ szénatomjának hidroxilcsoportjához kapcsolódik, ami 5′-3′ foszfodiészterkötést képez. A foszfodiészterkötés nem egyszerű dehidratációs reakcióval jön létre, mint a makromolekulák monomerjeit összekötő más kötések: kialakulásához két foszfátcsoport eltávolítása szükséges. Egy polinukleotidnak több ezer ilyen foszfodiészterkötése lehet.
DNS kettős hélix szerkezete
2. ábra. A DNS egy antiparallel kettős spirál. A foszfátgerinc (a görbe vonalak) kívül van, a bázisok pedig belül. Minden bázis kölcsönhatásba lép a szemközti szál egy-egy bázisával. (credit: Jerome Walker/Dennis Myts)
A DNS kettős hélix szerkezetű (2. ábra). A cukor és a foszfát a spirál külső oldalán helyezkedik el, ezek alkotják a DNS gerincét. A nitrogéntartalmú bázisok a belsejében, mint egy lépcső lépcsőfokai, párban helyezkednek el; a párok hidrogénkötésekkel kapcsolódnak egymáshoz. A kettős spirálban minden bázispárt 0,34 nm választ el a következő bázispártól.
A spirál két szála ellentétes irányban fut, ami azt jelenti, hogy az egyik szál 5′ szénatomos vége a hozzá tartozó szál 3′ szénatomos vége felé néz. (Ezt antiparallel orientációnak nevezik, és fontos a DNS-replikációban és számos nukleinsav kölcsönhatásban.)
A bázispárosodásnak csak bizonyos típusai engedélyezettek. Például egy bizonyos purin csak egy bizonyos pirimidinhez párosulhat. Ez azt jelenti, hogy A párosodhat T-vel, és G párosodhat C-vel, amint az a 3. ábrán látható. Ez az úgynevezett báziskomplementer szabály. Más szóval, a DNS-szálak komplementárisak egymással. Ha az egyik szál szekvenciája AATTGGCC, akkor a komplementer szál szekvenciája TTAACCGG. A DNS-replikáció során mindkét szál másolódik, így egy leány DNS-kettős spirál jön létre, amely egy szülői és egy újonnan szintetizált DNS-szálat tartalmaz.
gyakorlati kérdés
3. ábra. A kettős szálú DNS-molekulában a két szál antiparallel fut egymással úgy, hogy az egyik szál 5′-től 3′-ig, a másik 3′-től 5′-ig fut. A foszfátgerinc kívül helyezkedik el, a bázisok pedig középen. Az adenin hidrogénkötést (vagy bázispárt) képez a timinnel, a guanin pedig bázispárt a citozinnal.
Mutáció történik, és a citozin helyébe adenin lép. Ön szerint ez milyen hatással lesz a DNS szerkezetére?
RNS
A ribonukleinsav vagy RNS elsősorban a DNS irányításával zajló fehérjeszintézis folyamatában vesz részt. Az RNS általában egyszálú, és foszfodiészterkötésekkel összekapcsolt ribonukleotidokból áll. Az RNS-láncban egy ribonukleotid ribózt (a pentózcukrot), a négy nitrogénbázis (A, U, G és C) egyikét és a foszfátcsoportot tartalmazza.
Az RNS-nek négy fő típusa van: hírvivő RNS (mRNS), riboszomális RNS (rRNS), transzfer RNS (tRNS) és mikroRNS (miRNS). Az első, az mRNS hordozza a DNS üzenetét, amely a sejt minden sejttevékenységét irányítja a sejtben. Ha egy sejtnek szüksége van egy bizonyos fehérje szintézisére, akkor az adott termék génje “bekapcsol”, és a sejtmagban szintetizálódik a hírvivő RNS. Az RNS bázissorrendje komplementer annak a DNS-nek a kódoló szekvenciájával, amelyről lemásolták. Az RNS-ben azonban a T bázis hiányzik, helyette U van jelen. Ha a DNS-szál szekvenciája AATTGCGC, akkor a komplementer RNS szekvenciája UUAACGCG. A citoplazmában az mRNS kölcsönhatásba lép a riboszómákkal és más sejtgépezetekkel (4. ábra).
4. ábra. A riboszómának két része van: egy nagy alegység és egy kis alegység. Az mRNS a két alegység között helyezkedik el. A tRNS-molekula felismeri az mRNS-en lévő kodont, komplementer bázispárosítással kötődik hozzá, és hozzáadja a megfelelő aminosavat a növekvő peptidlánchoz.
Az mRNS-t három bázisból álló csoportokban, úgynevezett kodonokban olvassuk. Minden kodon egyetlen aminosavat kódol. Ily módon történik az mRNS leolvasása és a fehérjetermék előállítása. A riboszomális RNS (rRNS) a riboszómák egyik fő alkotóeleme, amelyre az mRNS kötődik. Az rRNS biztosítja az mRNS és a riboszómák megfelelő összehangolását; a riboszóma rRNS-e enzimaktivitással is rendelkezik (peptidiltranszferáz), és katalizálja a peptidkötések kialakulását két összehangolt aminosav között. A transzfer RNS (tRNS) a négy RNS-típus közül az egyik legkisebb, általában 70-90 nukleotid hosszúságú. A megfelelő aminosavat szállítja a fehérjeszintézis helyére. A tRNS és az mRNS közötti bázispárosodás teszi lehetővé, hogy a megfelelő aminosav beépüljön a polipeptidláncba. a mikroRNS-ek a legkisebb RNS-molekulák, és szerepük a génexpresszió szabályozásában rejlik azáltal, hogy beavatkoznak bizonyos mRNS-üzenetek kifejeződésébe.