Kwasy nukleinowe są najważniejszymi makrocząsteczkami dla ciągłości życia. Przenoszą one plan genetyczny komórki i przenoszą instrukcje dotyczące jej funkcjonowania.

DNA i RNA

Dwa główne typy kwasów nukleinowych to kwas dezoksyrybonukleinowy (DNA) i kwas rybonukleinowy (RNA). DNA to materiał genetyczny wszystkich organizmów żywych, od bakterii jednokomórkowych po ssaki wielokomórkowe. Znajduje się w jądrze eukariontów oraz w organellach, chloroplastach i mitochondriach. U prokariontów DNA nie jest zamknięte w błoniastej otoczce.

Cała zawartość genetyczna komórki to jej genom, a badanie genomów to genomika. W komórkach eukariotycznych, ale nie u prokariontów, DNA tworzy kompleks z białkami histonowymi, tworząc chromatynę, substancję chromosomów eukariotycznych. Chromosom może zawierać dziesiątki tysięcy genów. Wiele genów zawiera informacje potrzebne do wytwarzania białek. Inne geny kodują produkty RNA. DNA kontroluje wszystkie czynności komórkowe poprzez włączanie lub wyłączanie genów.

Drugi rodzaj kwasu nukleinowego, RNA, bierze udział głównie w syntezie białek. Cząsteczki DNA nigdy nie opuszczają jądra, ale zamiast tego używają pośrednika do komunikowania się z resztą komórki. Tym pośrednikiem jest informacyjny RNA (mRNA). Inne typy RNA - takie jak rRNA, tRNA i mikroRNA - biorą udział w syntezie białek i jej regulacji.

DNA i RNA składają się z monomerów zwanych nukleotydami. Każdy nukleotyd składa się z trzech składników: zasady azotowej, cukru pentozowego (pięciowęglowego) i grupy fosforanowej. Każda zasada azotowa w nukleotydzie jest przyłączona do cząsteczki cukru, która jest przyłączona do jednej lub więcej grup fosforanowych. Zasady azotowe, ważne składniki nukleotydów, są cząsteczkami organicznymi i są tak nazwane, ponieważ zawierają węgiel i azot. Są zasadami, ponieważ zawierają grupę aminową, która ma potencjał wiązania dodatkowego wodoru, a tym samym zmniejszania stężenia jonów wodorowych w jego otoczeniu, czyniąc go bardziej zasadowym. Każdy nukleotyd w DNA zawiera jedną z czterech możliwych zasad azotowych: adeninę (A), guaninę (G), cytozynę (C) i tyminę (T). Adenina i guanina są klasyfikowane jako puryny. Podstawową strukturą puryny są dwa pierścienie węglowo-azotowe. Cytozyna, tymina i uracyl są klasyfikowane jako pirymidyny, których podstawową strukturą jest pojedynczy pierścień węglowo-azotowy. Każdy z tych podstawowych pierścieni węglowo-azotowych ma przyłączone do niego różne grupy funkcyjne. W skrócie biologii molekularnej znamy zasady azotowe 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.

Cukier pentozowy w DNA to dezoksyryboza, a w RNA cukier to ryboza. Różnica między cukrami polega na obecności grupy hydroksylowej na drugim węglu rybozy i wodoru na drugim węglu dezoksyrybozy. Reszta fosforanowa przyłącza się do grupy hydroksylowej węgla 5′ jednego cukru i grupy hydroksylowej węgla 3′ cukru następnego nukleotydu, co tworzy wiązanie fosfodiestrowe 5′–3′.

Struktura podwójnej helisy DNA

DNA ma strukturę podwójnej helisy. Cukier i fosforan leżą na zewnątrz helisy, tworząc szkielet DNA. Azotowe podstawy są ułożone we wnętrzu, jak para stopni schodów. Wiązania wodorowe wiążą pary ze sobą. Każda para zasad w podwójnej helisie jest oddzielona od następnej pary zasad o 0,34 nm. Dwa pasma helisy biegną w przeciwnych kierunkach, co oznacza, że 5′ węglowy koniec jednego pasma będzie zwrócony w stronę 3′ węglowego końca pasującego pasma. Dozwolone są tylko niektóre rodzaje parowania zasad - A może sparować się z T, a G może sparować z C. Jest to komplementarna zasada podstawowa. Innymi słowy, nici DNA są względem siebie komplementarne.

RNA

Kwas rybonukleinowy, czyli RNA, bierze głównie udział w procesie syntezy białek pod kierunkiem DNA. RNA jest zwykle jednoniciowy i składa się z rybonukleotydów, które są połączone wiązaniami fosfodiestrowymi.

Istnieją cztery główne typy RNA: informacyjny RNA (mRNA), rybosomalny RNA (rRNA), transferowy RNA (tRNA) i mikroRNA (miRNA). Pierwsza, mRNA, przenosi wiadomość z DNA, które kontroluje wszystkie czynności komórkowe w komórce. Jeśli komórka wymaga określonego białka, gen dla niego włącza się, a informacyjny RNA jest syntetyzowany w jądrze. Sekwencja zasad RNA jest komplementarna do sekwencji kodującej DNA, z której została skopiowana. W cytoplazmie mRNA oddziałuje z rybosomami i innymi maszyneriami komórkowymi.

mRNA jest odczytywane w zestawach trzech zasad zwanych kodonami. Każdy kodon koduje pojedynczy aminokwas. W ten sposób odczytywane jest mRNA i wytwarzany jest produkt białkowy. Rybosomalny RNA (rRNA) jest głównym składnikiem rybosomów, na których wiąże się mRNA. rRNA zapewnia prawidłowe wyrównanie mRNA i rybosomów. rRNA rybosomu ma również aktywność enzymatyczną (transferazę peptydylową) i katalizuje tworzenie wiązań peptydowych między dwoma wyrównanymi aminokwasami. Transferowy RNA (tRNA) jest jednym z najmniejszych z czterech typów RNA, zwykle o długości 70–90 nukleotydów. Przenosi właściwy aminokwas do miejsca syntezy białek. Jest to parowanie zasad między tRNA i mRNA, które pozwala właściwemu aminokwasowi na wstawienie się do łańcucha polipeptydowego. MikroRNA są najmniejszymi cząsteczkami RNA, a ich rola polega na regulacji ekspresji genów poprzez zakłócanie ekspresji niektórych wiadomości mRNA.

Mimo że RNA jest jednoniciowe, większość typów RNA wykazuje rozległe wewnątrzcząsteczkowe parowanie zasad między komplementarnymi sekwencjami, tworząc przewidywalną trójwymiarową strukturę niezbędną dla ich funkcji.

Ten tekst jest adaptacją z Openstax, Biology 2e, Rozdział 3.5: Kwasy nukleinowe.