Nukleové kyseliny jsou makromolekulární sloučeniny přítomné ve všech buňkách (nejčastěji v jádrech, ve kterém byly poprvé objeveny). Jejich význam spočívá v přenosu a uchovávání genetické informace a určování průběhu biosyntézy bílkovin v buňkách.
Přívlastek nukleové je odvozen od latinského nucleus (= jádro), což vystihuje místo prvního objevu a častého výskytu těchto sloučenin. Označení kyseliny značí, že se při fyziologickém pH chovají právě jako kyseliny.
1. Složení nukleových kyselin
Každá nukleová kyselina obsahuje 3 základní části, a sice:
▪Kyselou část (zbytek kyseliny fosforečné H3PO4)
▪ Zásaditou část (pyrimidinovou či purinovou bázi)
▪ Cukernou část (β-D-ribofuranosu či 2-deoxy-β-D-ribofuranosu)
Obr.: Přibližná struktura nukleových kyselin (poutání kyselé, cukerné a zásadité části) - zásaditá část je vázána k 1. a kyselá k 3. a 5. atomu uhlíku cukerné složky.
1.1 Kyselá část (zbytek kyseliny fosforečné H3PO4)
Zbytek kyseliny fosforečné H3PO4 je od této kyseliny odvozen odštěpením jednoho nebo více atomů vodíku. V nukleových kyselinách se vyskytuje zbytek s odštěpenými dvěma atomy vodíku - jeden z atomů kyslíku se váže na 5. atom uhlíku jednoho sacharidu (cukerná část) esterovou vazbou a druhý na 3. atom uhlíku druhého sacharidu.
Kyselina fosforečná H3PO4
Hydrogenfosforečnanový anion (HPO4)2-
(zbytek kyseliny fosforečné)
1.2 Zásaditá část (pyrimidinové a purinové báze)
V nukleových kyselinách můžeme nalézt celkem 5 bází, z čehož jsou 3 pyrimidinové a 2 purinové.
PYRIMIDINOVÉ BÁZE
PURINOVÉ BÁZE
Uracil (U)
Adenin (A)
Cytosin (C)
Guanin (G)
Thymin (T)
Uracil je demethylovaný thymin.
1.3 Cukerná část (β-D-ribofuranosa či 2-deoxy-β-D-ribofuranosa)
Nukleová kyselina může obsahovat buď sacharid β-D-ribofuranosu (poté hovoříme o ribonukleové kyselině RNA), anebo sacharid 2-deoxy-β-D-ribofuranosu (pak se jedná o deoxyribonukleovou kyselinu DNA).
β-D-ribofuranosa
2-deoxy-β-D-ribofuranosa
2. Nukleosidy
Spojením zásadité části s cukernou vzniká nukleosid. Spojení těchto dvou složek je zprostředkováno N-glykosidickou vazbou a vychází z 1. atomu uhlíku cukerné složky. Pokud je cukernou složkou β-D-ribofuranosa, může vzniknou buď adenosin, guanosin, uridin, cytidin či thymidin. V případě přítomnosti 2-deoxy-β-D-ribofuranosy lze získat deoxyadenosin, deoxyguanosin, deoxyuridin, deoxycytidin či deoxythymidin.
Obr.: Nukleosid adenosin
3. Nukleotidy
Jestliže se k nukleosidu naváže kyselá část (zbytek kyseliny fosforečné), vzniká nukleotid. Jelikož dochází k reakci kyseliny s hydroxylovou skupinou navázanou na uhlovodíkovém řetězci, nastává děj zvaný esterifikace (reakce kyseliny s alkoholem R-OH za současného odštěpení vody). Jednotlivé nukleotidy jsou spolu propojeny (viz Složení nukleových kyselin) a vytváří tak polynukleotidový řetězec, který je základem struktury nukleových kyselin. Název nukleotidu je tvořen z názvu nukleosidu a koncovky fosfát.
Obr.: Nukleotid adenosinfosfát
Nukleové kyseliny obsahují 103- 106 nukleotidů, jejich relativní molární hmotnost (nukleových kyselin) dosahuje až 109 a délka molekul i několika milimetrů. K nukleotidu se může navázat i více, než jeden fosfát. Příkladem toho je například adenosintrifosfát ATP, makroergická sloučenina obsahující 3 fosfáty. Z toho vyplývá, že nukleotidy nejsou pouze stavebními jednotkami nukleových kyselin.
4. Typy nukleových kyselin
Rozlišujeme dva typy nukleových kyselin, a sice ribonukleové kyseliny (RNA) a deoxyribonukleové kyseliny (DNA). O zařazení jednotlivé kyseliny rozhoduje v ní přítomný sacharid. Oba typy kyselin mají rozdílnou strukturu i funkci (viz dále).
4.1 Ribonukleové kyseliny (RNA)
Jestliže je v molekule kyseliny přítomen výhradně sacharid β-D-ribofuranosa, jedná se o ribonukleovou kyselinu (RNA). RNA může obsahovat (ze zásaditých složek) výhradně adenin, uracil, cytosin a guanin.
"Do kuželové baňky nasypeme několik gramů pekařského droždí (obsahuje RNA) a přilijeme k němu 10 ml 10 % kyseliny sírové. Baňku zahříváme 2 až 3 minuty k varu a poté ji ochladíme a zneutralizujeme přilitím 10 ml 4 % hydroxidu sodného. Směs následně přefiltrujeme a ke 2 ml filtrátu přilijeme 1 ml 25 % čpavkové vody a 10 kapek 4 % dusičnanu stříbrného. Vzniklá bílá vločkovitá sraženina je směs stříbrných solí purinových a pyrimidinových bází z ribonukleové kyseliny."
Molekuly RNA jsou většinou jednovláknové. Rozeznáváme 3 základní typy ribonukleových kyselin, a sice:
a) Mediátorová RNA (mRNA) – obsahuje přepis genetické informace.
b) Transferová RNA (tRNA) – zajišťuje přenos aminokyselin do míst biosyntézy bílkovin.
c) Ribozomová RNA (rRNA) – podílí se na tvorbě ribozomů.
4.2 Deoxyribonukleové kyseliny (DNA)
Je-li přítomným sacharidem 2-deoxy-β-D-ribofuranosa, jedná se poté o deoxyribonukleové kyseliny DNA. DNA může obsahovat (ze zásaditých složek) adenin, thymin, cytosin a guanin.
Deoxyribonukleová kyselina je nositelem genetické informace. Zápisem genetické informace je primární struktura DNA (pořadí jednotlivých zásaditých složek – A, T, C, G – v molekule). Molekula DNA má tvar dvoušroubovice (většinou pravotočivé), která vzniká z dvou proti sobě jdoucích řetězců. Uspořádání molekuly do tohoto tvaru umožňují vodíkové vazby (můstky), které vznikají mezi atomy zásaditých složek každého z řetězce. Vázání vodíkovými vazbami je ovlivněno komplementaritou bází - adenin se váže s thyminem dvěma vodíkovými vazbami (A=T), zatímco cytosin s guaninem třemi (C≡G). Z toho vyplývá, že na základě znalosti struktury jednoho řetězce dvoušroubovice můžeme odvodit strukturu řetězce druhého.
Obr.: Komplementarita bází
Obr.: Schéma části nukleotidové sekvence DNA s vyznačenou komplementaritou bází
Obr.: Dvoušroubovice DNA
Lidská buňka obsahuje DNA o délce přibližně 1 metr (3·109 nukleotidů). Kompletní nukleotidová sekvence lidského genomu by zabrala více než 1 000 knih o tloušťce 750 stran formátu A4.