A nukleinsavak kulcsfontosságú makromolekulák az élet folyamatosságában. Ezek hordozzák a sejt genetikai tervrajzát és a sejt működéséhez szükséges utasításokat. A nukleinsavak két fő típusa a dezoxiribonukleinsav (DNS) és a ribonukleinsav (RNS). A DNS a genetikai anyag, amely minden élő szervezetben megtalálható, az egysejtű baktériumoktól kezdve a többsejtű emlősökig. A nukleinsavak másik típusa, az RNS többnyire a fehérjeszintézisben vesz részt. A DNS-molekulák soha nem hagyják el a sejtmagot, hanem egy RNS közvetítő segítségével kommunikálnak a sejt többi részével. Az RNS más típusai is részt vesznek a fehérjeszintézisben és annak szabályozásában. A nukleinsavakkal egy későbbi fejezetben részletesebben foglalkozunk.
A DNS és az RNS olyan monomerekből, úgynevezett nukleotidokból épül fel, amelyek kovalens kötésekkel láncba kapcsolódnak egymáshoz. Minden nukleotid három összetevőből áll: egy nitrogénbázisból, egy öt szénatomos cukorból és egy foszfátcsoportból (1. ábra). Egy nukleotidban a nitrogénbázis a cukormolekulához kapcsolódik, amely a foszfátcsoporthoz kapcsolódik.
A nitrogénbázisok, a nukleotidok fontos összetevői, szerves molekulák, és azért kapták ezt a nevüket, mert szenet és nitrogént tartalmaznak. 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 a timin helyett az uracil (U) bázist tartalmazza. A nukleinsavban lévő bázisok sorrendje határozza meg, hogy a DNS- vagy RNS-molekula milyen információt hordoz. Ez azért van így, mert a DNS-génben lévő bázisok sorrendje határozza meg, hogy az aminosavak milyen sorrendben fognak összeállni, hogy fehérjét alkossanak.
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 egy 5′-3′ foszfodiészterkötést (a kovalens kötés egy speciális típusát) képez. Egy polinukleotidnak több ezer ilyen foszfodiészterkötése is lehet.
A DNS kettős héjszerkezetű (2. ábra). Két szálból vagy nukleotidláncból áll. A DNS kettős spirálját gyakran hasonlítják egy csavart létrához. A szálak (a létra külső részei) úgy jönnek létre, hogy a szomszédos nukleotidok foszfátjait és cukrokat erős kémiai kötésekkel, úgynevezett kovalens kötésekkel kötik össze. A csavart létra lépcsőfokai a két bázisból állnak, amelyek gyenge kémiai kötéssel, úgynevezett hidrogénkötéssel kapcsolódnak egymáshoz. Két hidrogénkötéssel összekapcsolt bázist bázispárnak nevezünk. A létra hosszában csavarodik, innen ered a “kettős spirál” elnevezés, amely kettős spirált jelent.
A váltakozó cukor- és foszfátcsoportok mindkét szál külső oldalán helyezkednek el, ezek alkotják a DNS gerincét. A nitrogéntartalmú bázisok a belsejében, mint egy lépcső lépcsőfokai, egymásra vannak halmozva, és ezek a bázisok párosodnak; a párok hidrogénkötésekkel kapcsolódnak egymáshoz. A bázisok úgy párosodnak, hogy a két szál gerincoszlopai közötti távolság a molekula teljes hosszában azonos.
A DNS-molekulában az adenin (A) mindig a timin (T), a citozin (C) pedig mindig a guanin (G) párosa. Ez azt jelenti, hogy a DNS kettős spirál egyik szálának sorrendje mindig felhasználható a másik szál meghatározásához.
Hogyan határozza meg a nukleinsav szerkezete a funkciót?
A DNS és az RNS fő funkciója a genetikai információ tárolása és továbbítása. A DNS- vagy RNS-molekulában a nukleotidok sajátos sorrendje határozza meg a hordozott genetikai információt. Úgy gondolhatsz erre, mint a betűkre egy könyvben – ha a betűk sorrendje megváltozna, a könyv már nem ugyanazt (vagy a helyes) információt tartalmazná.