Nukleové kyseliny

1. charakteristika a biologický význam nukleových kyselin

• jsou to biomakromolekulární látky
• vedle bílkovin mají největší význam pro živé soustavy
• v jejich molekulách je uchovávána dědičná (genetická) informace buňky, která je následně přepisována do struktur bílkovin
• nacházejí se hlavně v jádrech buněk, ale i jinde – v mitochondriích, chloroplastech,…
• skládají se z několika složek : – obsahují kyselou složku – zbytky H3PO4
• zásadité složky – purinové nebo pyrimidinové báze
• monosacharid – 2-deoxy-D-ribosa nebo D-ribosa

• podle uvedených monosacharidů se také dělí na deoxyribonukleové a ribonukleové kyseliny (DNA a RNA)
• na základní stavební složky je možno nukleové kyseliny rozložit (hydrolýzou silnými kyselinami)

2. struktura a složení NK, chemické rozdíly mezi DNA a RNA

• báze jsou dusíkaté heterocyklické sloučeniny, odvozené od pyrimidinu nebo purinu
• je jich pět : adenin, guanin (purinové), thymin, cytosin a uracil (pyrimidinové)

Báze :

• báze spolu se sacharidem a kyselinou trihydrogenfos­forečnou tvoří kondenzací nukleotid, který je stavební jednotkou nukleových kyselin, spojováním nukleotidů fosfátovými zbytky vzniká řetězec – polynukleotid
• báze je vázána N-glykosidickou vazbou na první uhlík sacharidu
• sacharid je esterově vázán na pátém uhlíku se zbytkem kyseliny fosforečné

• odštěpením zbytku kyseliny vzniká nukleosid – adenosin, guanosin, cytidin, uridin, thymidin
• nukleotidy se vyskytují v buňce i volně a plní funkce při biosyntéze bílkovin, polysacharidů, složitých lipidů
• mimořádnou funkci má ATP – kyselina adenosintrifos­forečná (adenosintrifos­fát) – je primárním zdrojem energie v buňce – v molekule jsou vázány postupně tři zbytky kys. fosforečné (tzv. makroergní vazbou), při hydrolytickém odštěpení jednoho z nich se uvolňuje velké množství energie a vzniká ADP (adenosindifosfát), který se může štěpit ještě na AMP
• struktura nukleových kyselin je obdobně jako u bílkovin vícestupňová :

primární – pořadí nukleotidů (bází)

sekundární – zde se liší DNA – dva řetězce nukleotidů, navzájem spojeny prostřednictvím vodíkových vazeb bází – báze jsou po dvojicích komplementární, adenin s thyminem, guanin s cytosinem vytvářejí vazby

• u RNA je thymin nahrazen uracilem, molekula má jen jeden řetězec (někdy může být i zdvojený
• řetězce u obou nukleových kyselin tvoří šroubovici (u DNA dvoušroubovice)

lze hovořit i o terciární struktuře v případě dalšího prostorového uspořádávání

• polynukleotidový řetězec může obsahovat desítky, tisíce až milióny jednotek
• molekulová relativní hmotnost proto může být v rozmezí desítek tisíc až několik miliard
• DNA a RNA se vedle uvedených stavebních specifik odlišují také funkcí :

• v molekule DNA je zapsána dědičná informace buňky
• RNA je v buňce vytvářena přepisem pořadí nukleotidů určitého úseku molekuly DNA, řadí se do následujících skupin :

mRNA – mediátorová (informační), obsahuje přepis informace z DNA o primární struktuře bílkovin

tRNA – transferová, přenáší specifické aminokyseliny na místo syntézy bílkovin

rRNA – ribozomální – je součástí ribozómů, na nichž probíhá proteosyntéza

3. vysvětlení biochemického základu mechanismu přenosu dědičných informací v živých soustavách

• při dělení buněk dochází k replikaci DNA – kopírování dědičné informace. Jedná se o složitý biologický proces, který probíhá za přítomnosti enzymů. Dochází k rozdělení dvojitého řetězce DNA (buď jen místně, nebo na způsob zipu) a k oběma řetězcům se napojují volné komplementární nukleotidy, které musí být přítomny. Vznikají dvě stejné kopie původní molekuly DNA.
• konkrétní význam uchování dědičných informací je v mechanismu tvorby všech dalších bílkovinných komponent organismů dle původní informace – proteosyntéza. Účastní se jí výše popsané nukleové kyseliny – do mRNA se zkopíruje daná informace, tato se přemístí na ribozóm, kde probíhá vlastní syntéza, tRNA dopraví na místo potřebné aminokyseliny, naváže se pomocí tzv. antikodónů (trojic bází) na komplementární báze mRNA, tím je umožněno sestavení pořadí aminokyselin, které se následně pospojují v konečnou bílkovinu.

4. význam biopolymerů pro živé soustavy

• biopolymery jsou přírodní látky, které tvoří základ živých soustav
• plní v nich nejrůznější funkce : stavební (polysacharidy, bílkoviny), jsou zdrojem energie, umožňují chod organismů, neboť jsou složkou všech jejich částí, umožňují samotné zachování – kontinuitu života (nukleové kyseliny).

5. izomerie – druhy. Heterocyklické sloučeniny – přehled, charakteristika

• izomerie je vlastnost některých organických i anorganických sloučenin, kdy sloučeniny o stejných sumárních vzorcích se liší svou stavbou, povahou vazeb, pořadím, uspořádáním molekul, prostorovou orientací atd.

1. konstituční izomerie – izomery se liší konstitucí – uspořádáním :

• řetězová izomerie – izomery se liší typem uhlíkového řetězce
• polohová izomerie – izomery se liší polohou substituentu nebo násobné vazby na uhlíkovém řetězci
• skupinová izomerie – izomery se liší funkční skupinou
• tautomerie – izomerie enolické (alkoholové) a ketonické formy – izomery se liší polohou H atomu a dvojné vazby

1. prostorová

• cis-trans izomerie – odlišná konfigurace substituentů na dvojných vazbách nebo cyklech
• optická – vykazují opticky aktivní látky, enantiomery mají vztah – předmět, zrcadlový obraz

Heterocykly :

• jsou to cyklické sloučeniny (odvozené od uhlovodíků), které mají v cyklu kromě uhlíkových atomů zapojen i jiný atom (heteroatom)
• nejčastější heteroatomy jsou O, S, N
• heterocykly jsou rozsáhlou a různorodou skupinou látek, odvozují se od nich mnohé přírodní látky např. alkaloidy, různá léčiva a barviva, v neposlední řadě se podílejí na stavbě nukleových kyselin
• dělí se podle velikosti kruhu a počtu heteroatomů v molekule:

pětičlenné – s jedním nebo více heteroatomy – např. furan, thiofen a pyrrol

• mají aromatický charakter, heteroatomy poskytují svůj volný elektronový pár do sextetu, ovšem vlivem rozdílné elektronegativity (nejvíce u kyslíku) je aromatický charakter nižší, látky jsou reaktivnější
• z chemických vlastností zaujmou aromatické reakce – substituce např. halogenace, sulfonace, nitrace – do poloh 2 a 5 – vedle heteroatomů
• dále probíhá katalytická hydrogenace – vznik např. rozpouštědla tetrahydrofuranu nebo pyrrolidinu
• významnou sloučeninou je pyrrol – bezbarvá zapáchající kapalina, obsažen v černouhelném dehtu, je stavební jednotkou mnoha důležitých přírodních látek – chlorofyl, hemoglobin – vyskytuje se zde motiv porfinu, v němž je vázán komplexně atom kovu – železa nebo hořčíku
• z derivátů pyrrolu je významný indol – součást struktury některých hormonů, barviv

• se dvěma heteroatomy jsou to např. pyrazol, imidazol, thiazol – odvozují se od nich např. některá léčiva

šestičlenné – základními sloučeninami jsou pyridin a izomerní 2H-pyran a 4H-pyran

• pyridin je nepříjemně páchnoucí kapalina, získává se z černouhelného dehtu, používá se jako rozpouštědlo
• je to nejstabilnější heterocyklus, protože má strukturu obdobnou benzenu, z toho vyplývají i jeho chemické vlastnosti – aromatické chování
• zvláštností je tvorba pyridiniových solí (má volný elektronový pár na dusíku)
• je zásaditý – viz. elektronový pár
• jeho katalytickou hydrogenací vzniká piperidin
• deriváty piridinu jsou např. kyselina nikotinová a nikotinamid

• některé alkaloidy jsou odvozeny od chinolinu a izochinolinu :
• šestičlenné se dvěma atomy jsou např. pyrimidin, od něj se odvozují báze a také kyselina barbiturová, jejíž soli barbituráty jsou součástí sedativ atd.

heterocykly se dvěma kondenzovanými cykly – biologicky významné sloučeniny odvozené od purinu – báze, dále kyselina močová