3.7 NUKLEOVÉ KYSELINY (NK) str. 101 – 107 -1- CHÉMIA pre 3. roč. gymnázií ( J. Čársky, J. Kopřiva a iní) -2- 3 CHÉMIA PRÍRODNÝCH LÁTOK CH / III 3.7 NUKLEOVÉ KYSELINY (NK) str. 101 – 107 3.7.1 Charakteristika a biologický význam nukleových kyselín Nukleové kyseliny sú biomakromolekulové látky, ktoré sa spolu s bielkovinami považujú za najvýz- namnejšie zložky živých sústav. V ich molekulách sa uchováva dedičná (genetická) informácia bunky a prostredníctvom nich sa prepisuje do špecifickej štruktúry bielkovinových molekúl. Nukleové kyseliny sa nachádzajú sa v jadre buniek (nukleus = jadro). Neskôr sa zistila ich prítomnosť (malého množstva) aj mimo jadra, a to v mitochondriách a centriolách, v rastlinách aj v chloroplastoch. Obsahujú kyslú zložku, ktorú tvorí kyselina trihydrogenfosforečná H3PO4 a zásaditú zložku, ktorú tvorí purínová alebo pyrimidínová zásada. Okrem týchto stavebných zložiek obsahujú NK monosacharid – deoxyribózu alebo ribózu. Tieto zložky možno uvoľniť hydrolýzou silnými kyselinami. Z purínových zásad sa v nukleových kyselinách nachádzajú adenín a guanín, z pyrimidínových zásad cytozín, uracil a tymín. (So štruktúrou a vlastnosťami týchto zlúčenín ste sa oboznámili v časti 3.3.5 a 3.3.6.) Purínová alebo pyrimidínová zásada, päťuhlikatý sacharid a kyselina trihydrogenfosforečná utvárajú vzájomnou kondenzáciou (uvoľnením molekuúl vody) nukleotid, ktorý tvorí stavebnú jednotku nukleových kyselín. Zásada sa v nukleotide viaže N-glykozidovou väzbou na prvý atóm uhlíka sacharidu. Sacharid sa súčasne estericky viaže (cez svoj piaty atóm uhlíka) s kyselinou trihydrogenfosforečnou. Odštiepením kyseliny trihydrogenfosforečnej sa z nukleotidu utvorí nukleozid.   stavebná jednotka RNA (cytozínový nukleotid) nukleotid esterová väzba ribóza nukleozid (cytidín) β N-glykozidová väzba - cytozín N HN NH2 O 2 3 1 OH OH HO––P––O––H2C 5 4 – Podľa druhu purínových alebo pyrimidínových zásad, ktoré sa nachádzajú v nukleotidoch, poznáme adenínové (A), guanínové(G), cytozínové(C), uracilové (U) a tymínové (T) nukleotidy. Podobne rozlišujeme aj nukleozidy – adenozín, guanozín, cytidín, uridín a tymidín. Nukleotidy nemajú význam iba ako jednotky nukleových kyselín, ale spolu s nukleozidmi sa nachádzajú v bunkách aj voľné. Voľné nukleotidy a nukleozidy sa špecificky zúčastňujú biosyntézy bielkovín, polysacharidov a zložitých lipidov. Mimoriadnu úlohu má kyselina adenozíntrifosforečná (ATP), ktorá je primárnym zdrojom energie v bunke (schéma 2).  Táto energia sa uvoľňuje pri hydrolytickom odštiepení molekuly kyseliny trihydrogenfosforečnej z ATP. Uvoľnené množstvo energie je podstatne väčšie ako pri hydrolytickom štiepení iných typov zlúčenín. Preto sa tieto zlúčeniny označujú ako makroergické (príslušné miesto sa označuje vlnovkou ~ ). b – D – ribóza ADP AMP ATP Schéma 2 O––P––O––H2C HO OH ~ O––P Adenín Otázky a úlohy 1. Vysvetlite biologický význam nukleových kyselín. Doplňte poznatkami z biológie. 2. Charakterizujte štruktúru nukleotidov a vysvetlite, akú majú funkciu v organizme. 3.7.2 Štruktúra, vlastnosti a druhy nukleových kyselín Chemickým spojením nukleotidov vzniká reťazec polynukleotidu. Na tomto spojení sa zúčastňujú zvyšok kyseliny trihydrogenfosrečnej a OH- skupina na treťom uhlíku sacharidu ďalšieho nukleotidu, je to esterová väzba (pozri str.2). Reťazec polynukleotidu Cytozín H Tymín OH H CH3 Guanín

-3- CHÉMIA pre 3. roč. gymnázií ( J. Čársky, J. Kopřiva a iní) -4- 3 CHÉMIA PRÍRODNÝCH LÁTOK CH / III 3 CHÉMIA PRÍRODNÝCH LÁTOK (NUKLEOVÉ KYSELINY - NK) Polynukleotid tvorí základ zložitej štruktúry nukleovej kyseliny. Jej molekula môže obsahovať desiatky, tisíce až milióny nukleotidových jednotiek. Dĺžka molekuly je až niekoľko milimetrová. Pomerná molekulová hmotnosť nukleových kyselín sa pohybuje od niekoľko desiatok tisíc až po miliardy. Podľa sacharidovej zložky, ktorá je súčasťou nukleotidov (D-ribóza a 2-deoxy-D-ribóza), sa NK rozdeľujú na dva základné druhy – kyseliny ribonukleové (RNA) a kyseliny deoxyribonukleové (DNA). Obidva druhy NK možno vzájomne rozlíšiť aj podľa druhu nukleotidov. Tymínové nukleotidy sú zabudované len v štruktúrach DNA a uracilové len v štruktúrach RNA. Spoločné zastúpenie v DNA aj v RNA majú adenínové, guanínové a cytozínové nukleotidy (pozri str. 2). Každý druh NK má svoje špecifické biologické funkcie. DNA má vo svojom nukleotidovom poradí zapísanú dedičnú informáciu bunky. Medzi molekulami RNA, ktoré sa tvoria v bunke prepisom poradia nukleotidov určitého úseku molekuly DNA, rozlišujeme niekoľko špecifických druhov: Ribozómová RNA (rRNA) je súčasťou ribozómov – bunkových častí, na ktorých prebieha vlastná syntéza bielkovín. Podobne ako pri bielkovinách, aj pri nukleových kyselinách rozlišujeme primárnu, sekundárnu a terciárnu štruktúru. Primárnu štruktúru určuje presný sled jednotlivých nukleotidov (obr. 19). Sekundárna štruktúra DNA má tvar dvojitej pravotočivej závitnice, ktorú tvoria dva proti sebe prebiehajúce polynukleotidové reťazce. Ich purínové a pyrimidínové zásady sa navzájom viažu vodíkovými väzbami a obrátené sú dovnútra závitnice. Tým sa spevňuje dvojvláknová štruktúra DNA (obr. na str. -4- ). Mediátorová RNA (mRNA) v štruktúre obsahuje prepis informácie z molekuly DNA o primárnej štruktúre (poradí aminokyselín) bielkovinových molekúl, ktoré sa v bunke syntetizujú . Transferová (prenosová) RNA (tRNA), ktorá prináša na miesto syntézy bielkovín aminokyseliny . T G A C Obr. 19 Molekula DNA obsahuje na jednej strane rovnaký počet adenínových a tylínových nukleotidov a na druhej strane guanínových a cytozínových nukleotidov. Znamená to, že iba tieto dvojice sa navzájom môžu viazať vodíkovými väzbami (obr. 20). Táto doplnkovosť (komplementarita) purínových a pyrimidínových zásad, má základný význam nielen pri biosyntéze jednotlivých druhov nukleových kyselín, ale aj pri sprostredkovaní prenosu informácie z molekuly mRNA na tvoriaci sa peptidový reťazec pri biosyntéze bielkovín (obr. 21; časť 4.5.7). Obr. 20 Spájanie dvojíc nukleotidov v DNA (tiež v tRNA, rRNA) vodíkovými väzbami P Cytozín Guanín N–H N NH O . . . H . . . H–N–H CH2–O—P 5 3 2 1 4 HO ––O––H2C OH Obr. 21 Schéma prenosu genetickej informácie z nukleovej kyseliny v biosyntéze bielkovín a reťazec DNA, mRNA, b reťazec bielkoviny U DNA a mRNA b Obr. 22 Štruktúra tRNA pre alanín 1 miesto naviazania aminokyseliny, 2,3 bočné sľučky, 4 antikodón I purínová zásada hypoxantín (6-oxopurín) – minoritná zásada C...G U...A I–G–C C... G G... C G...C U G...C G U U U CH2–O― P Ala C—CH–CH3 NH2 G–C–G U–C–C–G–G C–G–C G A–G–G–C–C : : : : : G A : : : Ribonukleové kyseliny majú inú sekundárnu štruktúru. V niektorých druhoch nachádzame úseky jednoduchého aj zdvojeného reťazca. Zdvojenie vzniká tam, kde sa navzájom priblížia nukleotidy, ktoré obsahujú doplnkové zásady. Príkladom je sekundárna štruktúra kyseliny tRNA (obr. 22). Podobný typ sekundárnej štruktúry možno nájsť aj v ribozómovej RNA. Mediátorová RNA má jednoduchý polynukleotidový reťazec. Podobne ako pri bielkovinách aj dvojitá závitnica (α-helix) nukleových kyselín môže môže byť priestorovo stočená do tzv. superhelixu. Vtedy hovoríme o terciárnej štruktúre nukleových kyselín. Otázky a úlohy 1. Čo je to doplnkovosť (komplementarita) zásad v molekulách nukleových kyselín? Aký má význam v ich štruktúre a biologickej funkcii? 2. Aké druhy nukleotidov obsahujú polynukleotidové reťazce DNA a RNA? 3. Vysvetlite primárnu, sekundárnu a terciárnu štruktúru nukleových kyselín. 4. Nukleotid I na obrázku 22 znamená inozínový nukleotid, ktorý obsahuje tzv. minoritnú (málo zastúpenú) purínovú zásadu hypoxantín (6-oxopurín). Pokúste sa odvodiť jeho vzorec. 6 7 8 9 Purín Sekundárna štruktúra DNA