Zasady azotowe, ważne składniki nukleotydów, są cząsteczkami organicznymi i są tak nazwane, ponieważ zawierają węgiel i azot. Są one zasadami, ponieważ zawierają grupę aminową, która ma potencjał wiązania dodatkowego wodoru, a tym samym zmniejsza stężenie jonów wodorowych w swoim otoczeniu, czyniąc je bardziej zasadowymi. Każdy nukleotyd w DNA zawiera jedną z czterech możliwych zasad azotowych: adeninę (A), guaninę (G), cytozynę (C) i tyminę (T). Nukleotydy RNA również zawierają jedną z czterech możliwych zasad: adeninę, guaninę, cytozynę i uracyl (U) zamiast tyminy.
Adenina i guanina są klasyfikowane jako puryny. Pierwotna struktura puryny jest dwa pierścienie węgiel-azot. Cytozyna, tymina i uracyl są klasyfikowane jako pirymidyny, które mają jeden węgiel pierścień azotu jako ich podstawowej struktury (rysunek 1). Do każdego z tych podstawowych pierścieni węglowo-azotowych przyłączone są różne grupy funkcyjne. W skrócie biologii molekularnej, zasady azotowe są po prostu znane pod ich symbolami A, T, G, C i U. DNA zawiera A, T, G i C, podczas gdy RNA zawiera A, U, G i C.
Cukrem pentozowym w DNA jest deoksyryboza, a w RNA, cukrem jest ryboza (rysunek 1). Różnica między tymi cukrami polega na obecności grupy hydroksylowej na drugim węglu rybozy i wodoru na drugim węglu deoksyrybozy. Atomy węgla w cząsteczce cukru są ponumerowane jako 1′, 2′, 3′, 4′ i 5′ (1′ oznacza „jeden pierwiastek”). Reszta fosforanowa jest przyłączona do grupy hydroksylowej 5′ węgla jednego cukru i do grupy hydroksylowej 3′ węgla cukru następnego nukleotydu, co tworzy wiązanie fosfodiestrowe 5′-3′. Wiązanie fosfodiestrowe nie powstaje w wyniku prostej reakcji dehydratacji, jak inne wiązania łączące monomery w makrocząsteczkach: jego utworzenie wymaga usunięcia dwóch grup fosforanowych. Polinukleotyd może mieć tysiące takich wiązań fosfodiestrowych.
Struktura podwójnej helisy DNA
Rysunek 2. DNA jest antyrównoległą podwójną helisą. Szkielet fosforanowy (linie krzywe) znajduje się na zewnątrz, a zasady wewnątrz. Każda zasada oddziałuje z zasadą z przeciwległej nici. (credit: Jerome Walker/Dennis Myts)
DNA ma strukturę podwójnej helisy (Rysunek 2). Cukier i fosforan leżą na zewnątrz helisy, tworząc szkielet DNA. Zasady azotowe są ułożone we wnętrzu, jak stopnie schodów, w parach; pary są połączone ze sobą wiązaniami wodorowymi. Każda para zasad w podwójnej helisie jest oddzielona od następnej pary zasad o 0,34 nm.
Dwie nici helisy biegną w przeciwnych kierunkach, co oznacza, że 5′ węglowy koniec jednej nici będzie zwrócony w stronę 3′ węglowego końca jej pasującej nici. (Jest to określane jako orientacja antyrównoległa i jest ważne dla replikacji DNA oraz w wielu interakcjach kwasów nukleinowych.)
Dozwolone są tylko niektóre rodzaje parowania zasad. Na przykład, pewna puryna może łączyć się w pary tylko z pewną pirymidyną. Oznacza to, że A może łączyć się w pary z T, a G z C, jak pokazano na Rysunku 3. Jest to znane jako reguła komplementarności zasad. Innymi słowy, nici DNA są względem siebie komplementarne. Jeśli sekwencja jednej nici wynosi AATTGGCC, to nić komplementarna będzie miała sekwencję TTAACCGG. Podczas replikacji DNA, każda nić jest kopiowana, w wyniku czego powstaje córka podwójnej helisy DNA zawierająca jedną rodzicielską nić DNA i nowo zsyntetyzowaną nić.
Practice Question
Rysunek 3. W dwuniciowej cząsteczce DNA obie nici biegną do siebie antyrównolegle, tak że jedna z nich biegnie od 5′ do 3′, a druga od 3′ do 5′. Szkielet fosforanowy znajduje się na zewnątrz, a zasady w środku. Adenina tworzy wiązania wodorowe (lub pary zasad) z tyminą, a guanina pary zasad z cytozyną.
Następuje mutacja, a cytozyna zostaje zastąpiona adeniną. Jak myślisz, jaki wpływ będzie to miało na strukturę DNA?
RNA
Kwas rybonukleinowy, lub RNA, jest głównie zaangażowany w proces syntezy białek pod kierunkiem DNA. RNA jest zwykle jednoniciowy i zbudowany z rybonukleotydów, które są połączone wiązaniami fosfodiestrowymi. Rybonukleotyd w łańcuchu RNA zawiera rybozę (cukier pentozowy), jedną z czterech zasad azotowych (A, U, G i C) oraz grupę fosforanową.
Istnieją cztery główne typy RNA: RNA posłańca (mRNA), RNA rybosomalny (rRNA), transferowy RNA (tRNA) i mikroRNA (miRNA). Pierwszy z nich, mRNA, przenosi wiadomości z DNA, które kontroluje wszystkie czynności komórkowe w komórce. Jeśli komórka wymaga syntezy określonego białka, gen dla tego produktu zostaje włączony i w jądrze komórkowym syntetyzowane jest posłańcowe RNA. Sekwencja zasad RNA jest komplementarna do sekwencji kodującej DNA, z którego została skopiowana. W RNA nie występuje jednak zasada T, a zamiast niej obecne jest U. Jeśli nić DNA ma sekwencję AATTGCGC, sekwencja komplementarnego RNA to UUAACGCG. W cytoplazmie mRNA oddziałuje z rybosomami i innymi mechanizmami komórkowymi (rysunek 4).
Rysunek 4. Rybosom składa się z dwóch części: dużej podjednostki i małej podjednostki. MRNA znajduje się pomiędzy tymi dwiema podjednostkami. Cząsteczka tRNA rozpoznaje kodon na mRNA, wiąże się z nim przez komplementarne parowanie zasad i dodaje właściwy aminokwas do rosnącego łańcucha peptydowego.
MRNA jest odczytywane w zestawach trzech zasad zwanych kodonami. Każdy kodon odpowiada jednemu aminokwasowi. W ten sposób mRNA jest odczytywany i powstaje produkt białkowy. Ribosomalny RNA (rRNA) jest głównym składnikiem rybosomów, na których wiąże się mRNA. RRNA zapewnia prawidłowe ułożenie mRNA i rybosomów; rRNA rybosomów posiada również aktywność enzymatyczną (peptydylotransferaza) i katalizuje tworzenie wiązań peptydowych pomiędzy dwoma ułożonymi w jednej linii aminokwasami. Transferowy RNA (tRNA) to jeden z najmniejszych spośród czterech rodzajów RNA, zwykle o długości 70-90 nukleotydów. Przenosi on właściwy aminokwas do miejsca syntezy białka. To właśnie parowanie zasad między tRNA a mRNA umożliwia wprowadzenie prawidłowego aminokwasu do łańcucha polipeptydowego. mikroRNA są najmniejszymi cząsteczkami RNA, a ich rola polega na regulacji ekspresji genów poprzez zakłócanie ekspresji niektórych komunikatów mRNA.