DNA i RNA to kwasy nukleinowe, które zasadniczo składają się z zasady azotowej zawierającej cukry pentozowe połączone grupami fosforanowymi. Bloki budulcowe kwasów nukleinowych nazywane są nukleotydami. Kwasy nukleinowe służą jako materiał genetyczny komórki, przechowując informacje niezbędne do rozwoju, funkcjonowania i reprodukcji organizmów. Większość organizmów wykorzystuje DNA jako materiał genetyczny, podczas gdy niewiele z nich, podobnie jak retrowirusy, wykorzystuje RNA jako materiał genetyczny. DNA jest stabilny w porównaniu z RNA ze względu na różnice w cukrach fosforanowych i zasadach wspólnych dla każdego z nich. Jedna, dwie lub trzy grupy fosforanowe mogą być przyłączone do cukru pentozowego, tworząc odpowiednio mono-, di- i trifosforany. Cukier pentozowy używany przez DNA to dezoksyryboza, a cukier pentozowy używany przez RNA to ryboza. Zasady azotowe występujące w DNA to adenina, guanina, cytozyna i tymina. W RNA tymina jest zastąpiona uracylem.

Ten artykuł dotyczy

1. Czym są fosforany 2. Czym są cukry 3. Czym są zasady 4. Porównanie cukrów fosforanowych i zasad DNA i RNA – podobieństwa – różnice

Czym są fosforany

DNA i RNA składają się z powtarzających się jednostek nukleotydów; odpowiednio deoksyrybonukleotydy i rybonukleotydy. Nukleotyd składa się z cukru pentozowego, który jest przyłączony do zasady azotowej i jednej, dwóch lub trzech grup fosforanowych. Zarówno nukleotydy DNA, jak i RNA mogą przyłączać się do jednej, dwóch lub trzech grup fosforanowych na ich węglu 5' cukru pentozowego. Nukleozydy związane z fosforanami nazywane są odpowiednio mono-, di- i trifosforanami. Reakcje fosforylacji są katalizowane przez klasę enzymów o nazwie ATP:D-rybozo-5-fosfotransferaza. Deoksyrybonukleozydy są fosforylowane przez enzym zwany dezoksyrybokinazą, a nukleozydy RNA są fosforylowane przez enzym zwany rybokinazą. Tworzenie wiązań fosfodiestrowych podczas wytwarzania szkieletu cukrowo-fosforanowego jest pobudzane przez przecięcie wysokoenergetycznych wiązań fosforanowych w trifosfatach nukleotydów. Tworzenie każdego nukleotydu, monofosforanu nukleozydu, difosforanu nukleozydu i trifosforanu nukleozydu pokazano na figurze 1.

Rysunek 1: Trzy typy nukleotydów

Czym są cukry

Zarówno DNA, jak i RNA zawierają cukry pentozowe. Deoksyrybonukleotydy zawierają dezoksyrybozę, a rybonukleotydy rybozę jako cukry pentozowe. Ryboza jest monosacharydem pentozowym, zawierającym w swojej strukturze pięcioczłonowy pierścień. Zawiera aldehydową grupę funkcyjną w formie otwartego łańcucha. Stąd ryboza nazywana jest aldopentozą. Ryboza zawiera dwa enancjomery: D-rybozę i L-rybozę. Naturalnie występującą konformacją jest D-ryboza, gdzie L-ryboza nie występuje w naturze. D-ryboza jest epimerem D-arabinozy, które różnią się stereochemią na węglu 2'. Ta 2’ grupa hydroksylowa jest ważna w splicingu RNA.

Cukier pentozowy znajdujący się w DNA to dezoksyryboza. Deoksyryboza jest zmodyfikowaną formą cukru, rybozy. Powstaje z rybozy 5-fosforanu w wyniku działania enzymu reduktazy rybonukleotydowej. Atom tlenu jest tracony podczas tworzenia dezoksyrybozy z drugiego atomu węgla pierścienia rybozy. Dlatego dezoksyryboza jest dokładniej nazywana 2-dezoksyriozą. 2-dezoksyryboza zawiera dwa enancjomery: D-2-dezoksyrybozę i L-2-deoksyrybozę. Tylko D-2-dezoksyryboza bierze udział w tworzeniu szkieletu DNA. Ze względu na brak 2’ grupy hydroksylowej w dezoksyrybozach DNA jest zdolne do fałdowania się w strukturę podwójnej helisy, zwiększając mechaniczną elastyczność cząsteczki. DNA można ciasno zwinąć, aby upakować również w małe jądro. Różnica między rybozą a dezoksyrybozą polega na obecności 2’ grupy hydroksylowej w rybozie. Deoksyrybozę w porównaniu z rybozą pokazano na rysunku 2.

Rysunek 2: Deoksyryboza

Czym są bazy

Zarówno DNA, jak i RNA są przyłączone do azotowej zasady na 1' węglu cukru pentozowego, zastępując grupę hydroksylową dezoksyrybozy. W DNA i RNA znajduje się pięć typów zasad azotowych. Są to adenina (A), guanina (G), cytozyna (C), tymina (T) i uracyl (U). Adenina i guanina to puryny, które znajdują się w dwupierścieniowym pierścieniu pirymidynowym połączonym z pierścieniem imidazolowym. Cytozyna, tymina i uracyl to pirymidyny, które zawierają pojedynczą sześcioczłonową strukturę pierścienia pirymidynowego. DNA zawiera w swoich nukleotydach adeninę, guaninę, cytozynę i tyminę. RNA zawiera uracyl zamiast tyminy. Adenina tworzy dwa wiązania wodorowe z tyminą, a guanina tworzy trzy wiązania wodorowe z cytozyną. Komplementarne parowanie zasad w DNA nazywa się Model parowania zasad DNA Watsona-Cricka. Łączy ze sobą dwie komplementarne nici DNA, tworząc wiązania wodorowe. Stąd ostateczna struktura DNA jest dwuniciowa i antyrównoległa. W RNA uracyl tworzy dwa wiązania wodorowe z adeniną, zastępując tyminę. Komplementarne parowanie zasad RNA w tej samej cząsteczce tworzy dwuniciowe struktury RNA zwane szpilki do włosów. Dwuniciowy DNA pokazano na figurze 3.

Rysunek 3: DNA

Różnica między tyminą a uracylem tkwi w grupie metylowej obecnej w 5’ atomie węgla tyminy. Uracyl jest zdolny do parowania zasad z innymi zasadami, a także z adeniną, a deaminacja cytozyny może wytworzyć uracyl. Dlatego RNA jest mniej stabilny w porównaniu z DNA ze względu na obecność uracylu zamiast tyminy. Uracyl i tymina pokazano na rycinie 4.

Rycina 4: Uracyl i tymina

Porównanie cukrów fosforanowych i zasad DNA i RNA

Podobieństwa między cukrami fosforanowymi a zasadami DNA i RNA

Fosforany

Cukier pentozowy

Zasady azotowe

Różnice między cukrami fosforanowymi a zasadami DNA i RNA

cukier pentozowy

DNA: Cukier pentozowy znajdujący się w DNA to dezoksyryboza.

RNA: Cukier pentozowy znajdujący się w RNA to ryboza.

Konformacja cukru

DNA: D-2-dezoksyryboza znajduje się w szkielecie cukrowo-fosforanowym DNA.

RNA: D-ryboza znajduje się w szkielecie cukrowo-fosforanowym RNA.

Znaczenie cukru pentozowego w DNA/RNA

DNA: 2-dezoksyryboza umożliwia tworzenie podwójnej helisy DNA.

RNA: Ryboza nie pozwala na tworzenie podwójnej helisy RNA ze względu na obecność 2’ grupy hydroksylowej.

Tymina/Uracyl

DNA: Tymina znajduje się w DNA.

RNA: Uracyl znajduje się w RNA.

Znaczenie tyminy/uracylu

DNA: DNA jest bardziej stabilny niż RNA ze względu na obecność tyminy.

RNA: RNA jest mniej stabilny ze względu na obecność uracylu zamiast tyminy.

Fosforylacja

DNA: Deoksyrybonukleozydy są fosforylowane przez dezoksyrybokinazy.

RNA: Rybonukleozydy są fosforylowane przez rybokinazy.

Fosforylacja produkuje

DNA: Fosforylacja dezoksyrybonukleozydów daje dezoksyrybonukleotydy.

RNA: Fosforylacja rybonukleozydów wytwarza rybonukleotydy.

Wniosek

Zarówno DNA, jak i RNA składają się z cukru pentozowego, który jest przyłączony do zasady azotowej na węglu 1’ i jednej lub więcej grup fosforanowych do węgla 5’. Szkielet cukrowo-fosforanowy obu typów kwasów nukleinowych powstaje w wyniku polimeryzacji nukleotydów przez grupy fosforanowe. Cukier pentozowy znajdujący się w szkielecie cukrowo-fosforanowym DNA to D-2-dezoksyryboza. D-ryboza znajduje się w RNA. Zasady azotowe występujące w DNA to adenina, guanina, cytozyna i tymina. W RNA znajduje się uracyl, który zastępuje tyminę. Stwierdzono, że jedna, dwie lub trzy grupy fosforanowe są przyłączone do cukru pentozowego. Kiedy jedna grupa fosforanowa jest przyłączona do nukleozydu, nazywa się to monofosforanem nukleotydów. Gdy do nukleozydu przyłączone są dwie grupy fosforanowe, nazywa się to difosforanem nukleotydów. Kiedy trzy grupy fosforanowe są przyłączone do nukleozydu, nazywa się to trifosforanem nukleotydów.

Odniesienie: 1. „Notatki klasowe”. Podstawy: DNA, RNA, białko. n.p., b.d. Sieć. 28 kwietnia 2017 r. 2. „Struktura kwasów nukleinowych”. SparkNotes. SparkNotes, b.d. Sieć. 28 kwietnia 2017 r. 3. „Dlaczego tymina zamiast uracylu?” Ziemska Natura. N.p., 17 czerwca 2016 r. Sieć. 28 kwietnia 2017 r.

Zdjęcie dzięki uprzejmości: 1.”Nucleotides 1″ By Boris (PNG), SVG autorstwa Sjef – en:Image:Nucleotides.png (domena publiczna) przez Commons Wikimedia 2.”DeoxyriboseLabeled” Autor: Adenozyna (angielski użytkownik Wikipedii) – angielska Wikipedia (CC BY-SA 3.0) przez Commons Wikimedia 3. „Nukleotydy DNA” OpenStax College – Anatomy & Physiology, Connexions Web site. 19 czerwca 2013 r. (CC BY 3.0) przez Commons Wikimedia 4. „Pyrimidines2” Autor: Mtov - Praca własna (domena publiczna) przez Commons Wikimedia