3.          DNA i RNA

Skład jakościowy kwasów nukleinowych poznano dość wcześnie. W wyniku stopniowej hydrolizy otrzymano wszystkie podstawowe cegiełki z których zbudowane są te kwasy. Zgodnie z poniższym schematem hydroliza 1 mola nukleotydu daje 1 Mol kwasu fosforowego i 1 mol nukleozydu. Nukleozyd może być dalej hydrolizowany do cukru i zasady azotowej.

3.1.                    Budowa przestrzenna DNA

Badanie przestrzennej budowy łańcuchów kwasów nukleinowych dotyczyły głownie DNA. Pierwsze koncepcje na ten temat wysunął w 1938 roku W.T. Astbury. Na podstawie założeń teoretycznych, uwzględniających dużą gęstość DNA i wymiary atomowe oraz na podstawie zdjęć rentgenowskich Astbury wyraził pogląd, że cząsteczki DNA tworzą sztywne kolumny ściśle nałożonych na siebie nukleotydów, podobne do monet ułożonych w rulon jedna na drugiej. Jednak późniejsze prace S. Furberga z Londynu oraz L. Paulinga i R. B. Coreya z Kalifornii wskazywały na śrubowy kształt łańcuchów DNA. Dwaj ostatni wysunęli w 1953 roku koncepcję, że cząsteczka DNA jest zbudowana z trzech łańcuchów polinukleotydowych splecionych wzajemnie na kształt liny. Koncepcja ta została w tymże roku podważona przez J.D. Watsona i F.H.C. Cricka. Opierając się na badaniach rentgenowskich, szczególnie na zdjęciach wykonanych przez M.H.F. Wilkinsa, doszli oni do wniosku, że cząsteczka DNA jest zbudowana z dwóch łańcuchów wijących się linią śrubową i splecionych wzajemnie. Każdy z tych łańcuchów zbudowany jest z reszt fosforanowych powiązanych estrowym wiązaniem z cząsteczkami deoksyryboz, poprzez atomy C-3’ jednego nukleozydu i C-5’ następnego. Ponieważ oba łańcuchy wiją się prawoskrętnie, przez to sekwencje atomów i grup układają się w każdym ze splecionych łańcuchów w kierunku przeciwnym. Znaczy to, że międzynukleotydowe wiązanie w jednym łańcuchu jest 3’→5’, a w drugim 5’→3’, co Watson i Crick zaznaczyli na swoim modelu. Dwie splatające się wstążki symbolizują łańcuchy powstające z powiązania się fosforanów z cukrami.

Poziome pręty obrazują pary zasad wiążących oba łańcuchy. Linia pionowa symbolizuje oś włókna. Warto zaznaczyć, że powszechnie używane terminy „spiralny” lub „spirala” niezbyt ściśle oddają konfigurację splatających się łańcuchów. Łańcuchy zwijają się nie w kształcie spirali, która jest linią płaską, lecz jak gdyby okręcającą się wokół walca, tak jak kręcone schody, których poręcze zbudowane są z cukrów i kwasów fosforowych, a stopnie z powiązanych par zasad. Dlatego termin „śrubowy” właściwiej oddaje kształt splecionych łańcuchów DNA. Jak wykazano metodami rentgenowskimi, grubość takiego, splecionego w kształt helisy (od atomu C-1 zasady komplementarnej) wynosi około 1,1 nm. Jeden skok utworzonej linii śrubowej wynosi 3,4 nm, a ponieważ jest tam rozmieszczone 10 par powiązanych zasad więc odległość pomiędzy sąsiadującymi parami wynosi 0,34 nm

W modelu zaproponowanym przez Watsona i Cricka zewnętrzną część cząsteczki splecionej z dwu łańcuchów stanowią fosforany powiązane z cukrami, zasady zaś znajdują się wewnątrz splecionego łańcucha. Oryginalnym rysem tej struktury jest sposób wiązania obu łańcuchów poprzez zasady purynowe i pirymidynowe. Zasada jednego łańcucha połączona jest wiązaniami wodorowymi z zasadą drugiego łańcucha. Watson i Crick w swoim założeniu przyjęli, że odległości między łańcuchami są stałe.

Koncepcja Watsona i Cricka, za którą wspólnie z Wilkinsem uzyskali w 1962 roku nagrodę Nobla, znalazła potwierdzenie ze strony chemii analitycznej. W wielu pracowniach stwierdzono, że stosunki molowe puryn do pirymidyn, a także stosunki zasad uzupełniających (adeniny do tyminy i guaniny do cytozyny) są bliskie jedności. Ponieważ wymiary zasad purynowych i pirymidynowych są różne więc może się łączyć tylko zasada purynowa jednego łańcucha z zasada pirymidynową drugiego. Wiązania wodorowe mogą występować między atomem N-1 puryny i atomem N-3 pirymidyny oraz między podstawnikami atomów C-6 puryny i C-6 pirymidyny.

Ze stereochemicznego punktu widzenia najlepsze warunki wzajemnego wiązania ma para adenina-tymina. Kierunek wiązania wodorowego między azotem aminowym adeniny a grupą ketonową tyminy jest równoległy do wiązania biegnącego od atomu N-1 puryny do N-3 pirymidyny. Drugą parą zasad, która również ma korzystne warunki wiązania jest guanina i cytozyna. Stwierdzono, że wiązanie między guaniną i cytozyną jest bardziej trwałe niż wiązanie w poprzedniej parze zasad. Między tymi zasadami istnieje możliwość powstawania trzeciego wiązania wodorowego i tym należy tłumaczyć stwierdzone różnice w trwałości połączenia obu par omawianych zasad. Zasady układające się w pary według podanych reguł (adenina-tymina, guanina-cytozyna) nazywają się zasadami komplementarnymi (uzupełniającymi):

Schematycznie tworzenie się par zasad komplementarnych: adenina-tymina, guanina-cytozyna możemy wyobrazić sobie jako odpowiednie dopasowanie się do siebie tych zasad:

3.2.                    Zawartość zasad purynowych i pirymidynowych w DNA

Jak widać z zestawienia podanego w tabeli 2, skład zasad jest charakterystyczny dla danego gatunku, przeważnie taki sam we wszystkich jego narządach. U przebadanych zwierząt wyższych ten skład jest bardzo podobny, z niezbyt dużą przewagą par zasad (Ade + Tym).

Znacznie większa rozmaitość składu występuje w świecie drobnoustrojów, roślin jednokomórkowych, bakterii, wirusów i bakteriofagów. W niektórych z tych organizmów stwierdzono wyższą zawartość (Gua + Cyt) niż (Ade + Tym), w innych łańcuchach DNA jest jednopasmowy, co odbija się oczywiście na składzie zasad. Brak jest wówczas omawianych regularności.

3.3.                    RNA

Nić RNA jest bardzo podobna do pojedynczej nici DNA. Są jednak między nimi istotne różnice. Po pierwsze, cukier zawarty w RNA to ryboza, a nie deoksyryboza (ryboza zawiera grupę –OH w miejscu atomu wodoru deoksyrybozy). Po drugie, RNA zawiera uracyl zamiast tyminy. Nici RNA mają różną długość: od około 100 do kilku tysięcy nukleotydów. Nukleotydy połączone są tak samo jak w DNA: grupa fosforanowa łączy atom węgla 5'‑rybozy z atomem 3'‑rybozy sąsiedniego nukleotydu.

Większość kwasów nukleinowych w komórce to RNA. Jest go 5 do 10 razy więcej niż DNA. W zależności od funkcji jakie spełnia RNA dzielimy je na klasy. Najliczniej występującą klasą RNA jest rybosomowy RNA (rRNA), którego jest kilka różnych rodzajów. Występują one we wszystkich komórkach, jakkolwiek ich struktura u różnych gatunków jest odmienna. U danego gatunku każdy z rodzajów rRNA ma zawsze taką samą ściśle określoną sekwencję nukleotydową, tak więc każda z tysiąca jego kopii w każdej komórce organizmu jest identyczna. Natomiast cząsteczki informacyjnego RNA (mRNA od angielskiej nazwy messenger RNA) stanowią niesłychanie złożoną mieszaninę cząsteczek o najrozmaitszych sekwencjach nukleotydowych. Przyczyny różnic między poszczególnymi klasami RNA staną się jasne, kiedy poznamy funkcje, jakie pełnią one w komórce.

W odróżnieniu od DNA, cząsteczki komórkowego RNA są zwykle jednoniciowe, jednak wiele z nich zawiera krótkie sekwencje komplementarne do innych odcinków tej samej cząsteczki.

Takie komplementarne sekwencje mogą tworzyć wiązania wodorowe, kiedy zbliżą się do siebie (na przykład sekwencja 5'–UAUUC–3' może łączyć się z sekwencją 3'–AUAAG–5' położoną w innym fragmencie). Często takie powstające w obrębie cząsteczki struktury przestrzenne mają zasadnicze znaczenie dla pełnionych przez RNA funkcji. Najlepiej poznaną klasą RNA, w której takie struktury są niezwykle ważne, jest transportujący RNA (tRNA od nazwy angielskiej: transfer RNA, zwany też przenośnikowym RNA). Schematy struktury przestrzennej cząsteczki tRNA pokazano na rycinie poniżej.

Różne sposoby przedstawiania łańcucha transportującego RNA