kwasy-nukleinowe.pdf

Nukleotydy i kwasy nukleinowe

Łukasz Urbaniak

Opiekun: dr Piotr Wasiak

Wstęp

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:

Materiał

AMP [%] GMP [%] CMP [%] UMP [%]

Trzustka szczurza

20,5

31,3

26,9

21,3

Wątroba szczurza

20,2

31,1

27,1

21,6

Wątroba cielęca

23,1

28,9

28,1

20,0

Grasica cielęca

19,2

33,2

25,9

21,9

Wirus mozaiki tytoniowej 30,0

25,8

18,5

25,8

Wirus grypy

24,8

17,9

24,5

32,7

Wirus polio

29,0

24,0

22,0

25,0

Wirus bakterii F2 (MS2) 22,0

26,0

27,0

25,0

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.

2. Nukleozydy i nukleotydy

2.1. Nukleozydy

Są to N-glikozydy omówionych wyżej zasad purynowych i pirymidynowych z rybozą

lub deoksyrybozą. W pracowni Aleksandra Todda w Cambridge ustalono, że wiązanie glikozydowe w nukleozydach łączy pierwszy

atom węgla (C-1’) β-furanozowej odmiany rybozy (deoksyrybozy) z atomem N-1 zasady pirymidynowej lub atomem N-9 zasady

purynowej. Nazwy nukleozydów są tworzone w zależności od rodzaju występujących w nich zasad. I tak nazwy nukleozydów

purynowych powstają przez zastąpienie w nazwie zasady końcówki –ina końcówką –ozyna.

Adenozyna, guanozyna

Mamy więc adenozynę , o nazwie systematycznej 9-N-β-D-rybofuranozyloadenina (N-β-D-rybofuranozyd adeniny) oraz guanozynę

(9-N-β-D-rybofuranozyloguanina).

Urydyna, cytozyna i tymidyna

Nazwy nukleozydów pirymidynowych tworzone są w sposób mniej regularny: 1-N-β-D-rybofuranozylouracyl nazywa się urydyną ,

cytydyna to 1-N-β-D-rybofuranozylocytozynę. Tymina tworzy nukleozyd jedynie z 2-deoksyrybozą i nazywany jest on tymidyna

(1-N-2’-deoksy-β-D-rybofuranozylotyminą).

Nazwy nukleozydów zawierających deoksyrybozę (oprócz tymidyny) przybierają przedrostek deoksy-: deoksyadenozyna (9-N-2’-

deoksy-β-D-rybofuranozyloadenina), deoksyguanozyna (9-N-2’-deoksy-β-D-rybofuranozyloguanina) i deoksycytydyna

(1-N-2’-deoksy-β-D-rybofuranozylocytozyna). Często używa się nazwy rybozydy dla nukleozydów utworzonych z rybozy (tworzą

kwasy RNA) i deoksyrybozydy dla nukleozydów powstałych z 2-deoksyrybozy (służą do budowy kwasu DNA).

Podana struktura tych związków została potwierdzona analizą rentgenowską oraz poprzez syntezę. Stwierdzono również w

niektórych kwasach nukleinowych obecność nietypowych nukleozydów. Przykładem jest pseudourydyna znaleziona w małych

ilościach w rozpuszczalnym kwasie rybonukleinowym cytoplazmy. Jest to 5-rybozylouracyl, to znaczy, że ryboza jest związana z

atomem C-5 uracylu. Pseudourydyna bywa oznaczana grecką literą φ (psi) lub jako φ-urydyna.

2.2. Nukleotydy

Są to estry kwasu ortofosforowego i nukleozydów. Kwas ortofosforowy związany jest z jedną z grup OH rybozy lub deoksyrybozy.

W rybozydach są trzy wolne grupy wodorotlenowe przy atomach C-2’. C-3’ i C-5’, a w deoksynukleozydach dwie przy atomach C-3’

i C-5’. Każda z tych grup może być zestryfikowana kwasem fosforowym. Wyizolowano i otrzymano syntetycznie wszystkie

izomeryczne pochodne fosforanowe odpowiednich nukleozydów. Nazwy tych związków urabiane są od nazw nukleozydów,

natomiast potocznie nazywane są kwasami. Mamy więc adenozyno-5’-fosforan, nazywany również kwasem adenylowym

(mięśniowym), ponieważ stwierdzono jego występowanie w stanie wolnym w mięśniach. Bardzo często stosuje się skrót AMP

(pochodzący od angielskiego adenosine monophosphate) z dodaniem numeru atomu węgla, którego grupa hydroksylowa została

zestryfikowana, np. AMP-5’. Jednym z pierwszych, którzy wyizolowali tez związek z mięsni, był Paweł Ostern w pracowni Jakuba

Parnasa we Lwowie.

Adenozyno-5’-fosforan, adenozyno-3’-fosforan

Guanozyno-5’-fosforan, urydyno-5’-fosforan

Inny kwas adenylowy, zwany drożdżowym (otrzymano go bowiem z produktów hydrolizy kwasu rybonukleinowego drożdży), jest

adenozyno-3’-fosforanem w skrócie AMP-3’. Pozostałe nukleotydy noszą odpowiednie nazwy guanozyno-5’-fosforanu, inaczej

kwasu guanylowego lub GMP (z angielskiego guanosine monophosphate), urydyno-5’-fosforanu, inaczej kwasu urydylowego lub

UMP (z angielskiego uridine monophosphate) i cytydyno-5’-fosforanu, inaczej kwasu cytydylowego lub CMP (z angielskiego

cytidine monophosphate) nukleotydy te oraz wymienione już fosforany adenozyny noszą nazwę rybotydów.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: