Kwasy nukleinowe są kluczowymi makrocząsteczkami w ciągłości życia. Niosą one genetyczny schemat komórki i instrukcje dotyczące jej funkcjonowania. Dwa główne rodzaje kwasów nukleinowych to kwas dezoksyrybonukleinowy (DNA) i kwas rybonukleinowy (RNA). DNA jest materiałem genetycznym występującym we wszystkich żywych organizmach, od jednokomórkowych bakterii po wielokomórkowe ssaki. Drugi rodzaj kwasu nukleinowego, RNA, jest głównie zaangażowany w syntezę białek. Cząsteczki DNA nigdy nie opuszczają jądra, ale zamiast tego korzystają z pośrednictwa RNA, aby komunikować się z resztą komórki. Inne rodzaje RNA są również zaangażowane w syntezę białek i jej regulację. Będziemy iść do bardziej szczegółowo o kwasów nukleinowych w późniejszej sekcji.
DNA i RNA składają się z monomerów znanych jako nukleotydy połączone razem w łańcuchu z wiązaniami kowalencyjnymi. Każdy nukleotyd składa się z trzech elementów: zasady azotowej, pięciowęglowego cukru i grupy fosforanowej (rysunek 1). Baza azotowa w jednym nukleotydzie jest przyłączona do cząsteczki cukru, która jest przyłączona do grupy fosforanowej.
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 możliwość 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). RNA zawiera zasadę uracylu (U) zamiast tyminy. Kolejność zasad w kwasie nukleinowym determinuje informację, jaką niesie cząsteczka DNA lub RNA. Dzieje się tak dlatego, że kolejność zasad w genie DNA określa kolejność, w jakiej aminokwasy będą składane razem, tworząc białko.
Cukrem pentozowym w DNA jest deoksyryboza, a w RNA – 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′ (szczególny rodzaj wiązania kowalencyjnego). Polinukleotyd może mieć tysiące takich wiązań fosfodiestrowych.
DNA ma strukturę dwuhelikalną (rysunek 2). Składa się z dwóch nici, lub łańcuchów, nukleotydów. Podwójna helisa DNA jest często porównywana do skręconej drabiny. Nici (zewnętrzne części drabiny) są utworzone przez połączenie fosforanów i cukrów sąsiadujących nukleotydów silnymi wiązaniami chemicznymi, zwanymi wiązaniami kowalencyjnymi. Szczeble skręconej drabiny składają się z dwóch zasad połączonych ze sobą słabym wiązaniem chemicznym, zwanym wiązaniem wodorowym. Dwie zasady połączone ze sobą wiązaniem wodorowym nazywamy parą zasad. Drabina skręca się wzdłuż swojej długości, stąd określenie „podwójna helisa”, co oznacza podwójną spiralę.
Naprzemienne grupy cukrowe i fosforanowe leżą na zewnątrz każdej nici, tworząc szkielet DNA. Zasady azotowe są ułożone we wnętrzu, jak stopnie schodów, i te zasady parują się; pary są związane ze sobą wiązaniami wodorowymi. Zasady parują się w taki sposób, że odległość między szkieletami dwóch nici jest taka sama w całej cząsteczce.
W cząsteczce DNA, adenina (A) zawsze paruje się z tyminą (T), a cytozyna (C) zawsze paruje się z guaniną (G). Oznacza to, że sekwencja jednej nici podwójnej helisy DNA może być zawsze użyta do określenia drugiej nici.
Jak struktura kwasów nukleinowych determinuje funkcję?
Główną funkcją zarówno DNA, jak i RNA jest przechowywanie i przenoszenie informacji genetycznej. Specyficzna kolejność nukleotydów w cząsteczce DNA lub RNA jest tym, co określa informację genetyczną, którą ona przenosi. Można o tym myśleć jak o literach w książce – gdyby kolejność liter została zmieniona, książka nie zawierałaby już tej samej (lub prawidłowej) informacji.
.