Nukleotidy a nukleové kyseliny Lékařská chemie a biochemie „0. ročník“ - letní semestr © Ústav lékařské biochemie a laboratorní diagnostiky, 1. lékařská fakulta, Univerzita Karlova v Praze a Všeobecná fakultní nemocnice v Praze, 2005-15

DNA - Deoxyribonukleová kyselina Popsána 1869 - Friedrich Miescher Důkaz o přenosu genetické informace – 1943 - Averyho-MacLeodův-McCartyho experiment Dvoušroubovicový model – 1953 - James D. Watson a Francis Crick Elektrochemická redukovatelnost DNA – 1958 – Emil Paleček

NUKLEOVÉ KYSELINY NUKLEOSIDY NUKLEOVÉ BÁZE NUKLEOTIDY

Purinové báze Adenin Guanin N-6-methyladenin 6-aminopurin 2-amino-6-oxopurin N-6-methyladenin (rostliny, živožichové) Nukleové kys. 2014/15

Pyrimidinové báze Cytosin Uracil Thymin 2-oxo-6-aminopyrimidin 2,6-dioxo-pyrimidin 2,6-dioxo-5-methylpyrimidin 5-Methylcytosin 5-Hydroxymethylcytosin (bakteriální DNA) (bakteriální viry, např. bakteriofágy sudé řady T2,T4,T6) Nukleové kys. 2014/15

Tautomerní formy laktim laktam Nukleové kys. 2014/15

Nukleosidy Dusíkatá báze + sacharid (ribosa, 2-deoxyribosa) cytosin N-glykosidová vazba + H2O ribosa cytidin Dusíkatá báze + sacharid (ribosa, 2-deoxyribosa) N-glykosidová vazba Nukleové kys. 2014/15

Názvosloví nukleosidů s pyrimidinovou bázi ribosa deoxyribosa - idin deoxy - … - idin s purinovou bázi - osin deoxy - … - osin Uridin Thymidin (deoxythymidin) Cytidin Deoxycytidin Adenosin Deoxyadenosin Guanosin Deoxyguanosin Nukleové kys. 2014/15

Pyrimidinové nukleosidy Uridin Cytidin Thymidin (Deoxythymidin) Nukleové kys. 2014/15

Purinové nukleosidy Adenosin Guanosin Deoxyadenosin Nukleové kys. 2014/15

Nukleotidy Nukleosid + Kyselina fosforečná esterová vazba Adenosin-5’-monofosfát AMP Cyklický adenosin-3’,5’-monofosfát c-AMP Nukleové kys. 2014/15

Adenosin-5’-trifosfát ATP Adenosin-5’-trifosfát Nukleové kys. 2014/15

Báze Nukleosid Nukleotid adenin adenosin (A) adenosin-5’-monofosfát (AMP) adenin adenosin (A) adenosin-5’-trifosfát (ATP) guanin guanosin (G) guanosin-5’-monofosfát (GMP) cytosin cytidin (C) cytidin-5’-monofosfát (CMP) uracil uridin (U) uridin-5’-monofosfát (UMP) thymin thymidin (dT) thymidin-5’-monofosfát (dTMP) Nukleové kys. 2014/15

Nukleotidy v metabolismu • STAVEBNÍ JEDNOTKY NUKLEOVÝCH KYSELIN • ATP makroergní sloučenina, zásoba energie • c-AMP zprostředkuje účinek hormonů nebo neurotransmiterů „druhý posel“ • UTP, CTP biosyntéza cukerných derivátů a lipidů Nukleové kys. 2014/15

NAD+ (nikotinamidadenindinukleotid) koenzym oxidačně-redukčních reakcí (přenos vodíku) Nukleové kys. 2014/15

FAD a FMN (flavinadenindinukleotid a flavinmononukleotid) koenzymy oxidačně-redukčních reakcí (přenos vodíku) Nukleové kys. 2014/15

Lineární řetězec polynukleotidů 3´, 5´ fosfodiesterová vazba 5´ konec  3´ konec 5´-konec 3´-konec Nukleové kys. 2014/15

Nukleové kyseliny • biopolymery • polynukleotidy až miliony nukleotidů • genetická informace Nukleové kys. 2014/15

Rozdělení nukleových kyselin RNA DNA Sacharid Ribóza Deoxyribóza Báze Adenin Guanin Cytosin Uracil Thymin Nukleové kys. 2014/15

pentosa báze P 5´- konec 3´- konec Pořadí bází ! Nukleové kys. 2014/15

Druhy vazby Kovalentní vazba: Zprostředkovaná sdílenou elektronovou dvojicí (400-600 kJ/mol). (Každý partner 1 e- nebo donorakceptorová vazba) Iontová vazba: coulombické přitažlivé síly Mezimolekulové síly: Van der Waalsovy síly (4-8 kJ/mol) (a)coulombické síly (dipól je permanentní) b) indukční (dipól je indukovaný) c) disperzní (rozložené těžiště + a - náboje) Vodíkový můstek (20-30 kJ/mol) – dipól-dipólová vazba Nukleové kys. 2014/15

Koordinační sloučeniny Donor-akceptorová vazba NH3 d N 2s   2p 2s2 2p3 Např. [Fe2+(CN)6]4-, [Fe3+(CN)6]3-, Fe(CO)5, [Cu+ (NH3)2]+, [Cu+(CN)2]-, [Cu2+(H2O)4]2+, [Cu2+(NH3)4]2+, H 1s  1s  H 1s  H   3d 4s 4p Cu0 NH3 Cu2+ dsp2 Nukleové kys. 2014/15

Vodíkový můstek Slabá interakce mezi atomem vodíku, "ochuzeným" o elektrony a jiným atomem, který má "přebytek" elektronů. K "ochuzení" atomu vodíku dochází v případě, že je vodík vázán chemickou vazbou na tzv. elektronegativní atom. Nejčastějším příkladem může být hydroxylová skupina (-O-H). Kyslík je silně elektronegativní, tzn. že přitahuje 2 elektrony, sdílené ve vazbě s vodíkem "k sobě". Vzniká tzv. dipól, tj. nerovnoměrné rozdělení nábojů, kdy jsou elektrony blíže atomu kyslíku, ten má pak tzv. částečně (parciálně) záporný náboj, zatímco vodíkový atom je o elektrony částečně ochuzen, takže má částečně (parciálně) kladný náboj. Pokud se takovýto atom vodíku, "vyčnívající" ze své molekuly na okraji OH-skupiny, octne blízko jiného elektronegativního atomu, který si "k sobě stáhl" elektrony z jiné chemické vazby a získal tak jejich "přebytek" a částečně záporný náboj, budou mezi částečně kladně nabitým vodíkem a částečně záporně nabitým partnerem působit přitažlivé síly a vznikne vodíkový můstek. molekula -- O - H ....... O -- molekula molekula -- O - H ....... N -- molekula molekula -- N - H ....... O -- molekula molekula -- N - H ....... N -- molekula Nukleové kys. 2014/15

Párování bází ADENIN THYMIN 2 vodíkové vazby

Párování bází Guanin Cytosin 3 vodíkové vazby

Redoxní centra

Redoxní centra

Komplementární řetězce deoxyribosa adenin thymin deoxyribosa deoxyribosa thymin adenin deoxyribosa deoxyribosa guanin cytosin deoxyribosa deoxyribosa cytosin guanin deoxyribosa deoxyribosa thymin adenin deoxyribosa Komplementární řetězce P P P P P P P P P P Nukleové kys. 2014/15

Funkce DNA genetická informace - obsažena v sekvenci nukleotidů Nositel genetické informace genetická informace - obsažena v sekvenci nukleotidů Úsek DNA, který odpovídá jedné bílkovině se nazývá gen genom - soubor všech genů Nukleové kys. 2014/15

Struktura DNA • dvouvláknová • dvojitá pravotočivá šroubovice • 2 komplementární řetězce vodíkové vazby A T G C • primární struktura – sekvence bází - genetická informace, - triplety bází - kódují jednu aminokyselinu Nukleové kys. 2014/15

Charakteristika DNA • výskyt v jádře ve formě chromatinu - molekuly DNA jsou asociovány s histony • při dělení buněk probíhá replikace DNA Replikace • proces vytvoření komplementárního nového vlákna DNA k původnímu vláknu DNA Nukleové kys. 2014/15

RNA • jednořetězcové obsahuje ribózu místo deoxyribózy • kratší než DNA • vznik RNA - podle přepisu z určitých úseků DNA (komplementarita bází) - úprava enzymovým štěpením a sestřihem • výskyt i různých modifikovaných bázi Nukleové kys. 2014/15

Rozdělení RNA Mediátorová RNA - mRNA Transferová RNA - tRNA Ribosomová RNA - rRNA Nukleové kys. 2014/15

Mediátorová RNA mRNA Informační, messenger matrice pro syntézu polypeptidického řetězce přepis genetické informace z DNA do mRNA jednořetězcová přenos genetické informace z jádra na místo syntézy bílkovin, tj. do ribozomů ribozomy - syntéza polypeptidických řetězců Nukleové kys. 2014/15

Charakteristika mRNA • specifické mRNA vznikají podle vlákna DNA (proces transkripce) • délka různá podle délky polynukletidového řetězce který se bude syntetizovat • krátká životnost Nukleové kys. 2014/15

Kodón - triplet - sekvence 3 bazí každá aminokyselina má svůj triplet 64 kódujících tripletů: 61 kodonů - značí aminokyseliny 3 kodony - terminační signály, signál k ukončení syntézy (terminace) degenerovaný kód - každá aminokyselina je kódována větším počtem tripletů Nukleové kys. 2014/15

RNA kodon → aminokyselina 2. báze U C A G 1. báze UUU (Phe/F)Fenylalanin UUC (Phe/F)Fenylalanin UUA (Leu/L)Leucin UUG (Leu/L)Leucin (Start) UCU (Ser/S)Serin UCC (Ser/S)Serin UCA (Ser/S)Serin UCG (Ser/S)Serin UAU (Tyr/Y)Tyrosin UAC (Tyr/Y)Tyrosin UAA Ochre (Stop) UAG Amber (Stop) UGU (Cys/C)Cystein UGC (Cys/C)Cystein UGA Opal (Stop) UGG (Trp/W)Tryptofan CUU (Leu/L)Leucin CUC (Leu/L)Leucin CUA (Leu/L)Leucin CUG (Leu/L)Leucin (Start) CCU (Pro/P)Prolin CCC (Pro/P)Prolin CCA (Pro/P)Prolin CCG (Pro/P)Prolin CAU (His/H)Histidin CAC (His/H)Histidin CAA (Gln/Q)Glutamin CAG (Gln/Q)Glutamin CGU (Arg/R)Arginin CGC (Arg/R)Arginin CGA (Arg/R)Arginin CGG (Arg/R)Arginin AUU (Ile/I)Isoleucin AUC (Ile/I)Isoleucin AUA (Ile/I)Isoleucin AUG (Met/M)Methionin, resp. (fMet)N-formylmethionin, Start1 ACU (Thr/T)Threonin ACC (Thr/T)Threonin ACA (Thr/T)Threonin ACG (Thr/T)Threonin AAU (Asn/N)Asparagin AAC (Asn/N)Asparagin AAA (Lys/K)Lysin AAG (Lys/K)Lysin AGU (Ser/S)Serin AGC (Ser/S)Serin AGA (Arg/R)Arginin AGG (Arg/R)Arginin GUU (Val/V)Valin GUC (Val/V)Valin GUA (Val/V)Valin GUG (Val/V)Valin (Start) GCU (Ala/A)Alanin GCC (Ala/A)Alanin GCA (Ala/A)Alanin GCG (Ala/A)Alanin GAU (Asp/D)Kys. asparagová GAC (Asp/D)Kys. asparagová GAA (Glu/E)Kys. glutamová GAG (Glu/E)Kys. glutamová GGU (Gly/G)Glycin GGC (Gly/G)Glycin GGA (Gly/G)Glycin GGG (Gly/G)Glycin Nukleové kys. 2014/15

Aminokyselina → RNA kodon Ala A GCU, GCC, GCA, GCG Lys K AAA, AAG Arg R CGU, CGC, CGA, CGG, AGA, AGG Met M AUG (AUU, GUG, UUG, CUG) (AUA) Asn N AAU, AAC Phe F UUU, UUC Asp D GAU, GAC Pro P CCU, CCC, CCA, CCG Cys C UGU, UGC (UGA) Pyl O UAG Gln Q CAA, CAG (UAA, UAG) Sec U UGA Glu E GAA, GAG Ser S UCU, UCC, UCA, UCG, AGU, AGC (CUG) Gly G GGU, GGC, GGA, GGG Thr T ACU, ACC, ACA, ACG His H CAU, CAC Trp W UGG (UGA) Ile I AUU2, AUC, AUA Tyr Y UAU, UAC Leu L UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG Val V GUU, GUC, GUA, GUG Start AUG (AUU, GUG, UUG, CUG) Stop UAG, UGA,UAA Nukleové kys. 2014/15

Transferová RNA tRNA na ribozomech • účastní se procesu translace na ribozomech Translace • syntéza bílkovin probíhá v endoplasmatickém retikulu na ribozomech úloha tRNA : aminokyseliny - navazuje - přenáší - zařazuje do polypeptidického řetězce Nukleové kys. 2014/15

Charakteristika tRNA • nejmenší typ RNA desítky nukleotidů • v buňce kolem 60 různých tRNA • specifita tRNA k aminokyselinám Nukleové kys. 2014/15

Struktura tRNA Jetelový list místo vazby aminokyseliny antikodon raménka místo vazby aminokyseliny antikodon ANTIKODON ve struktuře tRNA váže se na kodón v mRNA (komplementárně) Vazba aminokyseliny antikodon Nukleové kys. 2014/15

Ribosomová RNA rRNA • strukturální součást ribozomů • nejrozšířenější typ RNA v buňce • několik typů - odlišují se velikostí a složením bází - charakterizují se dle sedimentační konstanty u prokaryotických organismů jsou 3 různě velké rRNA (23S, 16S, 5S), u eukaryotických buněk až 4 druhy rRNA (28S, 18S, 5,8S, 5S) Nukleové kys. 2014/15