Nukleová kyselina

Rozbalit box

Obsah boxu

Šablona:Infobox chemická sloučenina Nukleová kyselina je vysokomolekulární biopolymer, jehož základní funkcí je uchovávání a přenos genetické informace ve všech známých živých organismech a virech. Tyto makromolekuly jsou zodpovědné za řízení syntézy proteinů a určují program činnosti buňky, a tím i celého organismu. Spolu s bílkovinami, sacharidy a lipidy tvoří základní stavební kameny života.

Existují dva hlavní typy nukleových kyselin: kyselina deoxyribonukleová (DNA) a kyselina ribonukleová (RNA). Zatímco DNA slouží primárně jako dlouhodobé úložiště genetické informace, RNA má rozmanitější funkce, včetně přenosu této informace a katalytických rolí v buňce.

📜 Definice a základní stavební kameny

Nukleové kyseliny jsou z chemického hlediska lineární polymery, jejichž monomerní jednotky se nazývají nukleotidy. Každý nukleotid se skládá ze tří základních složek:

1. Zbytek kyseliny fosforečné: Tato složka propůjčuje molekule kyselý charakter a vytváří tzv. fosfodiesterové vazby, které spojují jednotlivé nukleotidy do dlouhého řetězce. Tvoří tak cukr-fosfátovou kostru molekuly.
2. Pětiuhlíkatý sacharid (pentóza): V RNA se nachází cukr ribóza, zatímco v DNA je to deoxyribóza, která se liší absencí hydroxylové skupiny na druhém uhlíku.
3. Dusíkatá báze: Jedná se o heterocyklické sloučeniny, které se dělí na dvě hlavní skupiny:
   • Puriny: Adenin (A) a Guanin (G). Jsou přítomny v DNA i RNA.
   • Pyrimidiny: Cytosin (C), Thymin (T) a Uracil (U). Cytosin je v obou typech kyselin. Thymin se nachází pouze v DNA, zatímco uracil je specifický pro RNA.

Pořadí (sekvence) těchto bází v řetězci nukleové kyseliny kóduje genetickou informaci.

🧬 Typy nukleových kyselin

Nukleové kyseliny se dělí na dva základní typy podle přítomného cukru a jedné z pyrimidinových bází.

Kyselina deoxyribonukleová (DNA)

DNA je nositelkou genetické informace u naprosté většiny organismů. Její struktura je obvykle tvořena dvěma polynukleotidovými řetězci, které tvoří slavnou dvoušroubovici.

• Struktura: Dva řetězce jsou vzájemně antiparalelní (jeden probíhá ve směru 5'→3' a druhý 3'→5'). Jsou spojeny vodíkovými můstky mezi komplementárními bázemi: adenin (A) se vždy páruje s thyminem (T) pomocí dvou vodíkových můstků, a guanin (G) se páruje s cytosinem (C) pomocí tří vodíkových můstků.
• Lokalizace: U eukaryotických organismů (jako jsou lidé, živočichové a rostliny) je většina DNA uložena v buněčném jádře ve formě chromozomů. Menší množství se nachází také v mitochondriích. U prokaryot (např. bakterie) se DNA volně nachází v cytoplazmě.
• Funkce: Hlavní funkcí DNA je dlouhodobé uchovávání genetických instrukcí potřebných pro vývoj, fungování a reprodukci organismu.

Kyselina ribonukleová (RNA)

RNA je typicky jednovláknová molekula, která hraje ústřední roli v procesu přenosu genetické informace a syntéze proteinů.

• Struktura: RNA je obvykle tvořena jedním řetězcem nukleotidů, který se však může lokálně skládat a vytvářet složité trojrozměrné struktury (např. vlásenky nebo smyčky). Místo thyminu obsahuje bázi uracil (U).
• Funkce a typy: RNA má v buňce několik klíčových rolí, podle kterých se dělí na několik typů:
  • Mediátorová RNA (mRNA): Přenáší genetickou informaci z DNA v jádře k ribozomům v cytoplazmě, kde slouží jako templát pro syntézu bílkovin.
  • Transferová RNA (tRNA): Přenáší specifické aminokyseliny k ribozomu a zajišťuje jejich správné zařazení do nově vznikajícího proteinového řetězce. Má charakteristickou strukturu připomínající jetelový list.
  • Ribozomální RNA (rRNA): Je stavební a katalytickou součástí ribozomů, buněčných "továren na bílkoviny".
  • Malé RNA (např. miRNA, siRNA): V posledních dekádách byly objeveny různé typy malých RNA molekul, které hrají klíčovou roli v regulaci genové exprese.

⚙️ Funkce v buňce

Nukleové kyseliny jsou základem pro tok genetické informace v buňce, který popisuje tzv. centrální dogma molekulární biologie. Tento proces zahrnuje tři hlavní kroky:

1. Replikace: Proces, při kterém se molekula DNA kopíruje, aby mohla být genetická informace předána dceřiným buňkám během buněčného dělení. Dvojšroubovice se rozplete a ke každému vláknu se podle principu komplementarity syntetizuje nové partnerské vlákno.
2. Transkripce: Přepis genetické informace z úseku DNA (genu) do molekuly mRNA. Tento proces probíhá v buněčném jádře.
3. Translace: Překlad informace zapsané v sekvenci mRNA do sekvence aminokyselin, čímž vzniká protein. Tento děj se odehrává na ribozomech v cytoplazmě.

⏳ Historie objevů

• 1869: Švýcarský lékař Friedrich Miescher jako první izoloval z jader bílých krvinek látku bohatou na fosfor, kterou nazval "nuklein". Jednalo se o první objevení nukleových kyselin.
• Počátek 20. století: Díky práci Albrechta Kossela a Phoebuse Levena byly identifikovány základní chemické složky nukleových kyselin – cukry, fosfát a pět dusíkatých bází.
• 1944: Experimenty Oswalda Averyho a jeho týmu prokázaly, že nositelkou genetické informace je DNA, nikoli proteiny, jak se dříve předpokládalo.
• 1953: James Watson a Francis Crick na základě rentgenových difrakčních dat Rosalindy Franklinové a Maurice Wilkinse navrhli a publikovali model dvoušroubovicové struktury DNA. Tento objev je považován za jeden z největších milníků v historii biologie. Watson, Crick a Wilkins za něj v roce 1962 obdrželi Nobelovu cenu.

🔬 Moderní využití a technologie

Porozumění struktuře a funkci nukleových kyselin odstartovalo revoluci v biologii a medicíně. Mezi klíčové technologie patří:

• Polymerázová řetězová reakce (PCR): Metoda umožňující rychlé a masivní namnožení specifického úseku DNA, využívaná v diagnostice, kriminalistice a výzkumu.
• Sekvenování DNA: Technologie pro "čtení" přesného pořadí nukleotidů v molekule DNA. Umožnila přečtení celého lidského genomu a diagnostiku genetických chorob.
• Genové inženýrství: Soubor technik pro cílené úpravy DNA organismů. Zahrnuje technologie jako CRISPR, která umožňuje přesné "stříhání" a úpravy genů a má obrovský potenciál v léčbě dědičných onemocnění.
• mRNA vakcíny: Moderní typ vakcín, které využívají molekulu mRNA k tomu, aby buňkám poskytly návod na výrobu antigenu, proti kterému si tělo vytvoří imunitu.
• Genová terapie: Experimentální léčebný přístup, který se snaží napravit genetické poruchy vložením správné verze genu do buněk pacienta.
• Farmaceutická biotechnologie: Výroba léčiv, jako jsou rekombinantní proteiny (např. inzulin) nebo monoklonální protilátky, pomocí metod genového inženýrství.

👶 Pro laiky: Recept na život

Představte si, že každá živá bytost je jako obrovská a nesmírně složitá stavba, například celé město. Aby se takové město mohlo postavit a správně fungovat, potřebuje detailní plány.

• DNA je jako obrovská knihovna, která je bezpečně uzamčena v hlavní budově města (v buněčném jádře). V této knihovně jsou uloženy všechny originální stavební plány pro každou budovu, ulici a součástku v celém městě. Tyto originály nikdy neopouštějí knihovnu, aby se nepoškodily.
• Když je potřeba postavit novou budovu (například vytvořit protein, který funguje jako sval nebo enzym), přijde do knihovny architekt.
• RNA je jako ten architekt, který si udělá kopii jednoho konkrétního plánu (tomuto procesu se říká transkripce). Tato kopie se nazývá mRNA.
• S touto kopií pak architekt (mRNA) vyjde z hlavní budovy a jde na staveniště (do ribozomu).
• Na staveništi už čekají dělníci a materiál. Dělníci (tRNA) přivážejí přesně ten správný materiál (aminokyseliny) podle pokynů v okopírovaném plánu.
• Podle plánu se pak jednotlivé díly skládají za sebou a vzniká finální budova (protein).

Nukleové kyseliny jsou tedy tím nejdůležitějším informačním systémem, který říká každé buňce v našem těle, co má dělat, jak má vypadat a jak má fungovat.

Zdroje

Centrální dogma molekulární biologie - Wikipedie Centrální dogma molekulární biologie Funkce nukleových kyselin: Váš průvodce DNA a RNA | Doučuji.eu struktura molekul nukleových kyselin - Biochemie Centrální dogma molekulární biologie - Virologie a Lucie The Discovery of Nucleic Acid - MUT Tübingen Centrální dogma molekulární biologie – Khanova škola RNA – temná hmota v našich buňkách - Ústav molekulární genetiky AV ČR, v. v. i. Friedrich Miescher - Wikipedie Crick a Watson objevili strukturu DNA - ČT24 - Česká televize