Nukleové kyseliny (NK) sú biomakromolekulové látky, ktoré sa spolu s bielkovinami považujú za najvýznamnejšie zložky živých sústav. V ich molekulách sa uchováva dedičná ( genetická ) informácia bunky a prostredníctvom nich sa prepisuje do špecifickej štruktúry bielkovinových molekúl. Nachádzajú sa najmä v jadre ( nucleus = jadro ) bunky, menšie množstvo NK sa nachádza aj mimo jadra v mitochondriách a centriolách, v rastlinách aj v chloroplastoch. Zloženie NK : kyslá zložka kyselina trihydrogenfosforečná zásaditá zložka purínová (adenín, guanín) alebo pyrimidínová báza (cytozín, tymín, uracyl) monosacharid deoxyribóza alebo ribóza tieto zložky môžeme uvoľniť hydrolýzou silnými kyselinami Nukleotid vzniká vzájomnou kondenzáciou (uvoľnením molekúl vody) dusíkatej (purínovej alebo pyrimidínovej) bázy, pentózy a kyseliny trihydrogenfosforečnej. Tieto tri zložky sú spojené N glykozidovou a fosfoesterovou väzbou. Nukleotid tvorí stavebnú jednotku NK. Odštiepením kyseliny trihydrogenfosforečnej z nukleotidu vzniká nukleozid. Na nasledujúcich obrázkoch sú uvedené príklady nukleotidov a ich spájanie do plynukleotidového reťazca.
Nukleotidy rozdeľujeme podľa druhu purínových alebo pyrimidínových báz, ktoré sa v nukleotide nachádzajú : 1. adenínové (A) 2. guanínové (G) 3. cytozínové (C) 4. uracilové (U) 5. tymínové (T) Nukleozidy delíme na podobnom princípe ako nukleotidy : 1. adenozín 2. guanozín 3. cytidín 4. uridín 5. tymidín Nukleotidy nemajú význam iba ako jednotky NK, ale spolu s nukleozidmi sa nachádzajú v bunkách aj voľné. Voľné nukleotidy a nukleozidy plnia najdôležitejšie funkcie : špecificky sa zúčastňujú biosyntézy bielkovín, polysacharidov a zložitých lipidov, mimoriadnu úlohu má kyselina adenozíntrifosforečná (ATP), ktorá je primárnym zdrojom energie v bunke, táto energia sa uvoľňuje pri hydrolyrickom odštiepení molekuly kyseliny trihydrogenfosforečnej z ATP, uvoľnené množstvo energie je podstatne väčšie ako pri hydrolytickom štiepení iných typov zlúčenín a preto sa tieto zlúčeniny označujú ako makroergické; príslušné miesto štiepenia sa označuje, makroergickou väzbou sú viazané dva fosfáty v substrátoch, z ktorých sa syntetizujú NK; na obrázku je príklad adenozíntrifosfátu: Druhy NK : Chemickým spojením nukleotidov, resp. príslušných nukleoyidtrifosfátov vzniká v jadre reťazec polynukleotidu. Polynukleotid tvorí základ zložitej štruktúry NK, vzniká na ribozómoch a môže obsahovať až milióny základných jednotiek nukleotidov. Sacharidová zložka v DNA a RNA je viazaná N glykozidovou väzbou na dusíkovú bázu, zvyšok kyseliny trihydrogenfosforečnej sa viaže esterovou väzbou. Podľa sacharidovej zložky, ktorá je súčasťou nukleotidov (D ribóza a 2 deoxy D ribóza ), sa NK delia na 2 základné druhy : RNA kyseliny ribonukleové DNA kyseliny deoxyribonukleové 2/8
Oba druhy NK rozlíšime podľa druhu ich: nukleotidu: tymínové nukleotidy sú zabudované len v DNA uracilové nukleotidy sú zabudované len v RNA sacharidu: D ribóza je v kyseline DNA 2 deoxy D ribóza je v kyseline RNA Funkcie DNA a RNA : Každý druh NK má svoje špecifické biologické funkcie. DNA má vo svojom nukleotidovom poradí zapísanú dedičnú informáciu bunky, teda je nositeľom genetickej informácie, ktoré sú obsiahnuté v chromozómoch, patrí medzi biopolyméry a jej primárnu štruktúru tvoria nukleotidy. RNA má niekoľko špecifických druhov. Mediátorová RNA (mrna) (ang. messenger = posol) - alebo informačná (irna), predstavuje 5-10% obsahu RNA v bunke. Jej úlohou je prenos genetickej informácie z DNA na biosyntézu bielkovín. Tvorí sa priamo na polyreťazci DNA na základe komplementarity báz, takže A z DNA sa prepíše ako U do RNA, G sa prepíše ako C, T ako A a C ako G. Má jednovláknovú štruktúru a jej dĺžka samozrejme závisí od množstva informácií, ktoré nesie. Trojice nukleotidov v mrna, nazývané triplety alebo kodóny, pri proteosyntéze kódujú príslušnú aminokyselinu v polypeptidovom reťazci. Relatívna molekulová hmotnosť mrna je 25000 až 10 6. Ribozómová RNA (rrna) tvorí základnú stavebnú zložku ribozómov a predstavuje až 90% obsahu NK v bunke. Má veľký význam pri proteosyntéze bielkovín. Časti makromolekuly RNA môžu mať tvar dvojitej závitnice. Ribozómové NK sa najčastejšie charakterizujú sedimentačným koeficientom S. Čím je väčšia hodnota S, tým má rrna väčšiu molekulovú hmotnosť. Transferová RNA (trna) má veľký význam pri proteosyntéze. Zabezpečuje prenos aktivovaných aminokyselín na miesto tvorby polypeptidového reťazca. Špecifickosť trna pre prenos danej aminokyseliny určuje trojica nukleotidov - antikodón, v strednej časti molekuly. trna nemajú veľkú molekulovú hmotnosť a obsahujú okolo 70 až 80 nukleotidov. V bunke sa nachádzajú rozpustené v cytoplazme. Vírusová RNA (vrna) sa nachádza najmä v rastlinných, ale aj živočíšnych vírusoch. Spája tu funkciu DNA aj mrna. Väčšinou má jednovláknovú štruktúru, niektoré vírusy však majú aj dvojitú závitnicu. Štruktúra nukleových kyselín Primárna štruktúra DNA je daná poradím nukleotidov, ktoré sú do polynukleotidového reťazca viazané už spomínanou 3',5'-fosfodiesterovou väzbou. Relatívna molekulová hmotnosť takejto makromolekuly môže byť rádovo až 10 9, čo predstavuje asi 200 tisíc stavebných jednotiek. Primárna štruktúra DNA určuje poradie aminokyselín v bielkovinách. Sekvencia nukleotidov, ktoré kódujú jednu bielkovinu nazývame gén. Súbor všetkých génov nachádzajúcich sa v bunke sa nazýva genóm. Porucha v sekvencii nukleotidov, teda porucha primárnej štruktúry DNA spôsobuje genetické poruchy živých organizmov. Na rozdiel od primárnej štruktúry bielkovín, kde sa mohlo viazať približne 20 aminokyselín, primárna štruktúra NK obsahuje prakticky iba štyri nukleotidy, pričom pomer adenínu s tymínom (A : T) a guanínu s cytozínom (C : G) je rovnaký 1 : 1.. 3/8
J. Watson a F. Crick na základe röntgenografickej analýzy navrhli roku 1953 priestorový model DNA (Nobelova cena 1962). Sekundárnu štruktúru DNA tvoria dva polynukleotidové reťazce, ktoré sú antiparalelne spletené do pravotočivej dvojzávitnice, tzv. dvojitý α-helix. Sekundárna štruktúra je pomerne stabilná. Stabilitu jej dodávajú vodíkové väzby, ktorými sa viažu dvojice dusíkatých báz na princípe komplementarity - doplnkovosti (obrázok hore), pričom medzi A - T sa tvoria 2 vodíkové väzby a medzi C - G sa tvoria 3 vodíkové väzby. Terciárna štruktúra DNA vzniká stočením dvojzávitnice v priestore do tzv. superhelixu. Takto zvinutá DNA sa nazýva superšpiralizovaná (nasledujúci obrázok). 4/8
Primárna štruktúra RNA je v podstate rovnaká ako u DNA. Rozdiel je len v zložení nukleotidov, v ktorých namiesto deoxyribózy sa nachádza ribóza a z dusíkatých báz namiesto tymínu sa nachádza uracyl. Párovanie báz je potom takéto: A-U a G-C Sekundárna a terciárna štruktúra RNA je oveľa rôznorodejšia ako v prípade DNA. Pri izolácii RNA z bunky dostaneme vzorku, ktorá obsahuje rôzne typy tejto nukleovej kyseliny. Dokonca aj molekula jedného typu RNA nemusí mať rovnakú priestorovú štruktúru. Veľká väčšina RNA je jednovláknová, ale môže byť vytvorená vnútorná dvojzávitnica. Ribonukleové kyseliny sa od seba odlišujú nielen funkciou, miestom výskytu, ale aj molekulovou hmotnosťou a štruktúrou. Na obrázku je štruktúra ďatelinového listu molekuly trna. Proteosyntéza Syntéza nových molekúl bielkovín na základe genetickej informácie sa označuje pojmom proteosyntéza. Ide o zložitý proces, na ktorom sa zúčastňujú viaceré organely, enzýmy, faktory a ďalšie látky. Z praktického hľadiska sa proteosyntéza delí do dvoch základných etáp: Pri transkripcii sa potrebná časť informácie o zložení konkrétnej bielkoviny prepíše z archívnej kópie v DNA do pracovnej kópie, ktorú predstavuje mrna, Pri translácií sa informácia z pracovnej kópie, ktorá je zaznamenaná v jazyku nukleových kyselín (jednotlivé triplety), preloží do jazyka proteínov a podľa nej sa z aminokyselín zostaví molekula príslušnej bielkoviny. Schéma proteosyntézy 5/8
Transkripcia Zjednodušene možno povedať, že informácia uložená v DNA sa prepíše do molekúl RNA, ktoré sa využívajú ako predloha na syntézu nových bielkovín. Primárna štruktúra RNA určuje primárnu štruktúru molekuly bielkoviny. Prepis informácie z DNA do molekuly RNA sa označuje transkripcia. Transkripciou sa vytvárajú tri základné typy RNA: mediátorová (mrna), transferová (trna), a ribozómová (rrna), mrna je nositeľom informácie na syntézu molekuly určitej bielkoviny, trna viaže počas proteosyntézy určitú špecifickú aminokyselinu a transportuje ju na ribozóm a rrna je stavebnou zložkou ribozómov. Syntéza mrna pri prepise informácie z DNA (obr. hore) Molekula trna, ktorá prináša naviazanú aminokyselinu na miesto syntézy bielkoviny na ribozómy (obr. vľavo) Časť molekuly DNA kódujúca konkrétnu vlastnosť (napr. tvorbu určitej bielkoviny, alebo enzýmu) sa označuje pojmom gén. Nie všetky gény sú však nositeľmi informácie potrebnej na syntézu určitej bielkoviny. V molekule DNA sa nachádza celý rad génov, ktoré plnia regulačnú funkciu pri syntéze nukleových kyselín. Gény teda možno deliť do dvoch hlavných skupín, a to na štruktúrne a regulačné. Štruktúrne sú nositeľmi informácie potrebnej na syntézu konkrétnej bielkoviny a prepisujú sa do molekúl mrna. Regulačné gény sú úseky DNA, ktoré sa do RNA neprepisujú, majú však regulačnú úlohu pri prepise štruktúrnych génov. Tvorbu reťazca RNA katalyzuje enzým RNA-polymeráza, ktorá na syntézu RNA využíva ako predlohu dvojvláknovú DNA, pričom na transkripciu je potrebný len jeden reťazec. RNA polymeráza je schopná vybrať správny reťazec z dvojvláknovej DNA, ktorý sa má prepísať do štruktúry RNA. Pri syntéze nového reťazca RNA dosadzuje RNA- polymeráza oproti adenínovému deoxynukleotidu v predlohe DNA uracilový nukleotid. Adenín a uracil teda tvoria komplementárnu dvojicu pri syntéze RNA. Ostatné bázy v DNA (tymín, cytozín a guanín) kódujú v reťazci RNA komplementárne bázy rovnako ako pri syntéze DNA, teda adenín, guanín a cytozín. RNA polymeráza nevyžaduje na rozdiel od DNApolymerázy existenciu priméru, ale začína syntézu nového reťazca od prvého nukleotidu. 6/8
(Prvým krokom pri prepise určitého štruktúrneho génu z DNA do mrna je naviazanie RNA polymerázy na špecifické regulačné miesto v reťazci DNA, ktoré sa nazýva promótor. Transkripcia každého génu je iniciovaná nezávisle vlastným promótorom. Po naviazaní RNA polymerázy sa dvojšpirála DNA lokálne rozvinie a postupne sa účinkom RNA polymerázy syntetizuje molekula RNA podľa predlohy DNA. Posledným stupňom syntézy RNA je ukončenie tvorby reťazca RNA. V každom štruktúrnom géne v molekule DNA je sekvencia deoxynukleotidov, ktorá určuje skončenie syntézy reťazca RNA a vytvorená molekula RNA sa uvoľní a prechádza do cytosólu. Novovytvorená molekula RNA ešte nie plne aktívnou molekulou a musí sa upraviť. Takáto úprava primárnej molekuly RNA do formy plne funkčnej molekuly sa označuje pojmom posttranskripčná úprava.) Translácia Translácia je proces prekladu genetickej informácie uloženej v molekulách mrna do štruktúry polypetidového reťazca bielkoviny. Ide teda o posledný stupeň v systéme prenosu genetickej informácie z DNA cez mrna do molekúl bielkovín. Aby novovytvorená bielkovina mohla správne fungovať, musí mať presne definovanú primárnu štruktúru, t.j. poradie jednotlivých aminokyselín v polypeptidovom reťazci. Informácia o primárnej štruktúre syntetizovanej bielkoviny je uložená v poradí nukleotidov v reťazci mrna a nazýva sa genetický kód. Genetický kód Celá genetická informácia bunky je uložená v molekulách DNA zabudovaných do chromozómov. V bunke sa informácia z DNA prenáša do molekúl RNA, ktoré sprostredkúvajú prenos genetickej informácie z DNA do bielkovín. Poradie nukleotidov v reťazci mrna určuje poradie aminokyselín v polypeptidovom reťazci bielkoviny. Sekvencia nukleotidov v molekulách mrna teda predstavuje genetický kód pre syntézu bielkovín bunky. V molekulách bielkovín jestvuje 20 druhov aminokyselín, z ktorých každá má určitý systém kódovania. Zo štruktúry mrna vidno, že jedinou variabilnou zložkou v jej reťazci sú purínové a pyrimdínové bázy, z čoho vyplýva, že tieto bázy a ich poradie v reťazci vytvárajú jednotlivé slová genetického kódu. Keďže je potrebné kódovať 20 aminokyselín, musí existovať minimálne 20 slov genetického kódu. V molekule RNA sa nachádzajú štyri rôzne bázy, teda jedna báza nemôže kódovať jednu aminokyselinu, a nemôže to byť ani kombinácia dvoch báz, pretože takých kombinácií by bolo len 16, čo ešte stále nestačí. Dostatočný počet znakov poskytuje kombinácia troch báz, čím možno vytvoriť 64 možnosti. Slová genetického kódu sa teda skladajú z poradia troch nukleotidov (ich báz) v reťazci m RNA. 7/8
Takáto trojica báz kódujúca jednu aminokyselinu sa označuje pojmom triplet, alebo kodón. Napríklad kodón pre aminokyselinu fenylalanín je UUU. Pretože kombináciou troch báz zo štyroch rôznych druhov možno vytvoriť 64 kombinácií, prevažná časť aminokyselín je kódovaná viacerými tripletmi. Niektoré aminokyseliny (napr. leucín) sú kódované až siedmimi tripletmi. Zo 64 možných tripletov tri nekódujú nijakú aminokyselinu, sú vlastne len signálom na ukončenie syntézy polypeptidového reťazca. Pre genetický kód je charakteristické, že: je monogamický, čo znamená, že jeden triplet kóduje len jednu aminokyselinu, je degenerovaný, t. j. prevažná časť aminokyselín je kódovaná viacerými tripletmi, je univerzálny, čo znamená, že všetky živé systémy majú rovnaký genetický kód, určitý triplet kóduje tú istú aminokyselinu v bunke baktérie i v bunke človeka, sa neprekrýva, teda v reťazci mrna nemôže byť posledné písmeno predchádzajúceho tripletu súčasne prvým písmenom nasledujúceho tripletu. 8/8