Nukleinske kiseline

Na temelju uspoređivanja genetičkog materijala poznatog i nepoznatog uzorka može se identificirati neka osoba ili više osoba koje su u srodstvu. Ta je metoda poznata pod nazivom DNA analiza i sve se više koristi u različitim poljima istraživanja kao što su forenzika, medicina, znanost.

Stoljećima su se ljudi pitali kako djeca nasljeđuju osobine svojih roditelja. Prve odgovore na to pitanje dao je češki redovnik Gregor Mendel koji je godinama pažljivo istraživao nasljedna svojstva na vrtnome grašku.

Jedan set gena dobijemo od majke, a drugi od oca, ali tek nakon što su se u njihovim spolnim stanicama izmiješali geni naših baka i djedova. Miješanje je gena nasumično, stoga se razlikujemo od svoje braće i sestara.

Jedno od najzanimljivijih pitanja u vezi sa sintezom proteina u živoj stanici jest kako se aminokiseline povezuju točno određenim redoslijedom u određenu vrstu proteina. 1945. godine utvrđeno je da je tvar koja kontrolira sintezu proteina u živoj stanici deoksiribonukleinska kiselina (DNA). DNA pripada skupini spojeva koje općenito nazivamo nukleinskim kiselinama. Ime im potječe od latinske riječi nukleus = jezgra (jer se nalaze u staničnim jezgrama). Sve su nukleinske kiseline polimerni spojevi (biopolimeri) čije lance čine naizmjenično vezane fosfatne skupine i monosaharidne jedinice na kojima je vezana po jedna baza (heterociklički spoj s dušikom). Osnovna strukturna jedinica nukleinske kiseline, koju čine monosaharid, baza i fosfat, zove se nukleotid, a dio nukleotida bez fosfata jest nukleozid.

Ovisno o šećeru, razlikuju se ribonukleotidi koji ulaze u sastav RNA i deoksiribonukleotidi koji ulaze u sastav DNA.

Usporedite strukturu i sastav molekula purina i pirimidina.

Mokraćna kiselina jedan je od glavnih završnih produkata metabolizma purina. Njezina povećana koncentracija izaziva bolest giht pri čemu se kristali mokraćne kiseline talože u zglobovima.

U nukleinskim kiselinama nalazimo pet vrsta baza: tri su derivati pirimidina (citozin, timin i uracil), a dvije derivati purina (adenin i gvanin).

Šećer i baza bez fosfatne skupine povezani su N-glikozidnom vezom i te spojeve nazivamo nukleozidima. Razlikuju se ribonukleozid i deoksiribonukleozid. Trivijalna su imena nukleozida i izvode se od imena baze i šećera s kojim je vezana, tako se, primjerice, adenin vezan na D-ribozu naziva adenozin, a adenin vezan na 2-deoksi-D-ribozu naziva se deoksiadenozin. Imena ostalih nukleozida su gvanozin, uridin, timidin i citidin.

Objasnite razliku između nukleotida i nukleozida.

Nukleotidi se međusobno povezuju u polinukleotidne lance 3’ → 5’ fosfodiesterskom vezom. To znači da je 3’-OH skupina monosaharidne jedinice jednoga nukleotida povezana fosfatnom skupinom s 5’-OH skupinom monosaharidne jedinice drugoga nukleotida. Označavanje smjera polinukleotidnoga lanca 5’ → 3’ upućuje na redoslijed čitanja baza, a redoslijed nukleotida u lancu naziva se primarnom strukturom lanca ili sekvencijom.

Molekula DNA sastoji se od dvaju polinukleotidnih lanaca namotanih u dvostruku desnu uzvojnicu. Vanjski dio uzvojnice čine fosfati i molekule deoksiriboze, a baze su usmjerene prema unutrašnjosti uzvojnice. Baze dvaju polinukleotidnih lanaca povezene su vodikovim vezama koje održavaju strukturu dvostruke uzvojnice. Purinska baza jednoga lanca sparuje se s točno određenom pirimidinskom bazom drugoga lanca. Tako se parovi baza adenin i timin povezuju dvjema vodikovim vezama. Gvanin se uvijek povezuje s citozinom, i to trima vodikovim vezama. Dvostrukim i trostrukim crticama označene su dvije, odnosno tri vodikove veze. Redoslijed baza jednoga lanca određuje redoslijed baza drugoga lanca, i to je bit komplementarnosti baza.

Sekundarna struktura DNA, odnosno struktura polinukleotidnoga lanca u prostoru, uspješno je riješena polovinom 20. stoljeća. Znanstvenici James D. Watson i Francis H. C. Crick su 1953. godine postavili model dvostruke uzvojnice molekule DNA. Njihovu je otkriću pomogla britanska znanstvenica Rosalind E. Franklin koja je 1952. snimila molekulu DNA metodom difrakcije rendgenskih zraka.

U rendgenskoj strukturnoj analizi molekule DNA sudjelovao je i britanski kristalograf Maurice Wilkins. Postavljanju modela dvostruke uzvojnice doprinijelo je i otkriće biokemičara Erwina Chargaffa koji je svojom kemijskom analizom molekule DNA potvrdio da je omjer adenin/timin i gvanin/citozin u različitim uzorcima uvijek 1 : 1. Za otkriće strukture molekule DNA J. D. Watson i F. H. C. Crick zajedno su s M. Wilkinsom 1962. godine dobili Nobelovu nagradu. Nažalost, zbog prerane smrti R. Franklin nije dočekala Nobelovu nagradu za svoje otkriće.

Lanci su međusobno komplementarni, što znači da se adenin jednoga lanca uvijek veže s timinom drugoga lanca, a citozin jednoga lanca uvijek se veže s gvaninom drugoga lanca. Zbog takva povezivanja lanci se u dvostrukoj uzvojnici DNA omataju jedan oko drugoga antiparalelno (u suprotnim smjerovima), odnosno u smjerovima 3’ → 5’ i 5’ → 3’. Hidrofobne interakcije između susjednih parova baza dodatno stabiliziraju dvostruku uzvojnicu (engl. stacking).

Replikacija (lat. replicatio - odmatanje, ponavljanje) molekule DNA biološki je proces u kojemu od jedne molekule DNA nastaju dvije identične kopije djelovanjem specifičnih enzima.

Molekula DNA trpi mnogo oštećenja zbog utjecaja ionizirajućega zračenja, djelovanja UV svjetlosti i zbog djelovanja različitih kemijskih spojeva. Pritom se baze mogu promijeniti ili izgubiti, a fosfodiesterske veze pokidati. Oštećenja je moguće popraviti jer oba lanca sadržavaju gensku informaciju, a informacija koja se izgubi na jednome lancu, ostaje sačuvana na drugome. Popravke na molekuli DNA čine enzimi.

Molekula RNA građena je od jednoga polinukleotidnog lanca i znatno je kraća od molekule DNA.

Postoje tri različite vrste molekule RNA koje se razlikuju prema strukturi i funkciji:

• glasnička ili mRNA (eng. messenger – glasnik)
• transportna (prijenosna) ili tRNA i
• ribosomska ili rRNA.

Sva tri vrste molekule RNA uključena su u proces biosinteze proteina. Pri biosintezi proteina aminokiseline se povezuju u dugačke polipeptidne lance. Broj, slijed i svojstva peptidno povezanih aminokiselina određuju konformaciju i funkciju proteina. Uputa za sekvenciju aminokiselina u proteinima zapisana je u obliku slijeda nukleotida u molekuli DNA. Pritom molekula DNA nije izravno uključena u proces sinteze. Sinteza proteina zbiva se u ribosomima, u citoplazmi, a molekula DNA u eukariota nalazi se u staničnoj jezgri.

Biosinteza proteina zbiva se u dva koraka koje nazivamo:

• transkripcija (prepisivanje) i
• translacija (prevođenje).

U molekuli DNA jednu aminokiselinu određuju tri baze i one čine triplet baza. Triplet baza u molekuli DNA naziva se genski kod, a triplet baza u mRNA koja nastaje transkripcijom i komplementarna je kodu naziva se kodon.

Transportna (prijenosna) tRNA ima funkciju prijenosa odgovarajuće aminokiseline do ribosoma, mjesta biosinteze bjelančevina. Postoji najmanje dvadeset različitih tRNA, po jedna za svaku aminokiselinu, a sve su slične u osnovnoj strukturi (poput lista djeteline).

Ribosomska rRNA sastavni je dio ribosoma, staničnih struktura na kojima se zbiva biosinteza proteina. Ribosomi su građeni od dviju podjedinica: male i velike. Svaka je podjedinica građena od proteina i rRNA. RNA čini dvije trećine mase ribosoma i ključna je za njihovu strukturu i funkciju. Nakon transkripcije (prepisivanja) genske informacije u jezgri u citoplazmi dolazi do translacije.

Biosinteza proteina nije jednostavan proces. To je niz složenih reakcija u kojima sudjeluju brojni enzimi i različiti pomoćni peptidi čija se struktura i zadaća još uvijek istražuju. Istraživanje i razumijevanje kemijskih reakcija u živome organizmu, primjerice biosinteza proteina, bitna je čovječanstvu. Takvim se istraživanjima bave biokemija i molekularna biologija, znanosti budućnosti.

Priredio: Antun Kučak