Nukleotydy i kwasy nukleinowe

Łukasz Urbaniak

Opiekun: dr Piotr Wasiak

Kwasy nukleinowe są obok białek podstawowymi składnikami komórek zwierzęcych, roślinnych i drobnoustrojów. Występują one we wszystkich elementach, zarówno w jądrach jak i w mitochondriach, mikrosomach i w rozpuszczalnych frakcjach komórek. Zainteresowanie kwasami nukleinowymi wzrasta z każdym rokiem. Stwierdzono bowiem, że związki te biorą udział w podstawowych procesach biologicznych. Są to procesy syntezy białka, podziału komórek, przenoszenia cech dziedzicznych z pokolenia na pokolenie. Kwasy nukleinowe są głównym materiałem genetycznym. Znaczne ich ilości występują w wirusach i bakteriofagach. Niektóre z tych tworów zbudowane są wyłącznie z nukleoproteidów – połączeń kwasów nukleinowych z białkami. Zainteresowanie kwasami nukleinowymi wzmogło się jeszcze, gdy stwierdzono, że wolny kwas nukleinowy, wyizolowany z niektórych wirusów, działa jako czynnik zakażający oraz że kwas otrzymany z jednego typu bakterii i dodany do pożywki drugiej odmiany może powodować jej transformację, nadając jej niektóre cechy odmiany pierwszej.

Należy dodać, że niektóre z elementów wchodzących w skład kwasów nukleinowych – nukleotydy mogą występować w organizmie jako składnik enzymów. Mogą występować również w postaci wolnej, jako aktywatory niektórych związków, ułatwiając im udział w procesach biochemicznych. Nukleotydy, zwłaszcza związane z resztami fosforanowymi, służą także do przenoszenia i akumulowania energii.

1.          Budowa kwasów nukleinowych

1.1.                    Kwasy nukleinowe

Kwasy nukleinowe to związki wielkocząsteczkowe, które występują we wszystkich żywych komórkach głównie w postaci nukleoprotein (białka złożonego). Odgrywają one zasadniczą rolę w przekazywaniu cech dziedzicznych i kierowaniu syntezą białek, czyli reakcji podczas której następuje łączenie się prostych substratów, z których powstaje jeden bardziej złożony produkt główny.

Kwasy nukleinowe odkrył w roku 1869 Szwed Friedrich Miescher. Znalazł je on w komórkach ropnych, w spermie ryb i w innym materiale biologicznym. Następnie opublikował w swojej pracy, że nukleina (odkryta substancja) wyróżnia się odpornością na działanie enzymów proteolitycznych (trawiących białka), rozpuszcza się w alkaliach (miała charakter kwasowy) oraz zawiera znaczne ilości fosforu. Późniejsze badania dowiodły, że każda żywa komórka zawiera nukleoproteidy - substancje zbudowane z białek połączonych z kwasami nukleinowymi.

W organizmach żywych występują dwa rodzaje kwasów nukleinowych:
– kwas deoksyrybonukleinowy (od ang. deoxyribonucleic acid – DNA) - którego składnikami są:
            • cukier - deoksyryboza
            • zasady azotowe: adenina (A), cytozyna (C), guanina (G) i tymina (T)
            • reszta kwasu fosforowego
– kwasy rybonukleinowe (od ang. ribonucleic acid - RNA) których składnikami są:
            • cukier - ryboza
            • zasady azotowe: adenina (A), cytozyna (C), guanina (G) i uracyl (U)
            • reszta kwasu fosforowego

Przeprowadzając hydrolizę łańcucha RNA swoistymi esterazami (enzymami rozszczepiającymi wiązania estrowe) otrzymano zarówno nukleozydo-3’-fosforany, jak i nukleozydo-5’-fosforany. A więc głównym wiązaniem miedzy nukleotydowym jest wiązanie estrowe kwasu ortofosforowego z grupą wodorotlenową atomu C-5’ jednego nukleozydu oraz z grupą wodorotlenową atomu C-3’ drugiego nukleotydu:

1.2.                    Skład nukleotydowy RNA

Kwasy RNA mają znacznie mniejsze masy cząsteczkowe od kwasów DNA. Dodatkowo w tych kwasach zamiast tyminy występuje uracyl. W wyniku hydrolizy kwasów RNA w zależności od źródła uzyskano następujące ilości nukleotydów:

gdzie:
AMP = adenozynomonofosforan, GMP = guanazynomonofosforan,
CMP = cytydynomonofosforan, UMP = urydynomonofosforan

1.3.                    Zasady purynowe

W skład kwasów nukleinowych wchodzą heterocykliczne związki dwupierścieniowe. Fisher nazwał te związki „ciałami purynowymi” (po niemiecku purinkörper od łacińskiego purum unicum: acidum unicum to łacińska nazwa kwasu moczowego). W purynie, podstawowym związku tego typu można wyróżnić pierścień pirymidynowy i imidazolowy:

Puryna, pirymidyna i imidazol

Wolnej puryny w przyrodzie nie znaleziono, znane są natomiast pochodne aminowe i hydroksylowe puryny:: 6-aminopuryna nazywana adeniną, otrzymana po raz pierwszy z trzustki przez Koszela oraz 2-amino-6-hydroksypuryna nosząca nazwę guaniny, znaleziona już w 1844 roku w guanie, naturalnym nawozie powstałym głównie z ptasich ekskrementów. Stąd pochodzi nazwa guaniny.

Adenina i Guanina

Innymi występującymi naturalnie w przyrodzie pochodnymi puryn są: hipoksantyna (6-hydroksypuryna), ksantyna (2,6-dihydroksypuryna) i kwas moczowy (2,4,6‑trihydroksy­puryna). Są to między innymi produkty przemian adeniny i guaniny, powstające w procesach dezaminacji (odszczepiania grup aminowych) i utleniania tych związków:

Hipoksantyna, ksantyna i kwas moczowy

Hipoksantyna, ksantyna i kwas moczowy ulegają tautomeryzacji – występują w formie: laktamowej i laktimowej:

forma enolowa i ketonowe kwasu moczowego

Kwas moczowy był pierwszą z odkrytych pochodnych puryny. Otrzymał go K.W. Scheele w 1776 roku z kamieni i osadów moczowych. Jest to również główny azotowy składnik wydalin tzw. urykotelicznych zwierząt: ptaków, owadów i gadów (węży). Kwas moczowy jest bardzo słabo rozpuszczalny w wodzie (0,006g w 100g wody w 37°C), natomiast w środowisku alkalicznym przechodzi w jedno- lub dwuzasadowy, rozpuszczalny moczan:

W świecie roślinnym głównie występują metylowe pochodne puryn. Do najbardziej znanych należą: 1,3-dimetyloksantyna znaleziona w liściach herbaty, teobromina (3,7‑dimetyloksantyna) otrzymana z owoców kakaowych, oraz kofeina (1,3,7‑trimetyloksantyna) zwana również teiną. Występuje ona w liściach i ziarnach kawy, w liściach herbaty, w orzeszkach kola i innych.

3,7-Dimetyloksantyna, teobromina oraz kofeina (teina)

Metylowe pochodne puryn wykryto w niewielkich ilościach również w kwasach nukleinowych zwierząt, a szczególnie w drobnoustrojach. Znaleziono tam głównie metylowaną adeninę (6-metyloadenina, 6‑dimetyloadenina), metylowaną guaninę (1‑metyloguanina), a także inne nietypowe zasady.

6-metyloadenina, 6-dimetyloadeninaa, 1-metyloguanina

1.4.                    Zasady pirymidynowe

W kwasach nukleinowych występują głównie trzy zasady pirymidynowe. Są to: cytozyna, czyli 2‑hydroksy-4-aminopirymidyna, występująca w obu odmianach kwasów nukleinowych, uracyl, będący 2,4-dihydroksypirymidyną, składnik RNA oraz tymina, czyli 5-metylouracyl, występująca tylko w DNA.

Cytozyna, uracyl oraz tymina

Inne zasady pirymidynowe, takie jak 5‑metylocytozyna, czy 5‑hydroksymetylocytozyna (w kiełkach pszenicy) spotykane są o wiele rzadziej:

5-Metylocytozyna oraz 5-hydroksymetylocytozyna

W mleku znaleziono również niewielkie ilości kwasu orotowego, który jest produktem pośrednim w biosyntezie pirymidyn:

Kwas orotowy

Pirymidyny, by mogły tworzyć wiązanie glikozydowe muszą występować w dwu tautomerycznych formach (Tautomeria laktamowo-laktimowa). Grupa aminowa cytozyny wykazuje zbyt niską nukleofilowość by mogła uczestniczyć w wiązaniu glikozydowym, ntomiast uracyl oraz tymina w ogóle nie posiadają grupy aminowej.

Charakterystyczną cechą tych heterocyklicznych zasad, zarówno purynowych jak i pirymidynowych, jest ich silna absorpcja promieniowania w ultrafiolecie. Maksimum pochłaniania występuje w okolicach 260 nm. Te właściwości zasad są wykorzystywane w analityce.

1.5.                    Pentozy

Obecność cukrów w kwasach nukleinowych stwierdzono bardzo dawno. W roku 1909 w pracowni Levena w Nowym Yorku znaleziono w kwasie nukleinowym otrzymanym z drożdży cukier D-rybozę. Tamże w kilkanaście lat po tym odkryciu ustalono, że kwas deoksyrybonukleinowy zawiera 2-deoksyrybozę. Obie odmiany pentoz występują w kwasach nukleinowych w postaci β-furanozowej. Atomy węgla wchodzące w skład pierścienia pentozy numerowane są cyframi ze znaczkiem ‘ (prim) dla odróżnienia od numeracji atomów w zasadach purynowych i pirymidynowych.

D-ryboza posiada grupę hydroksylową przy drugim atomie węgla, natomiast 2-deoksyryboza nie posiada takiej grupy przy tym atomie węgla.