Alt liv på planeten består av mange celler som opprettholder ordningen i sin organisasjon på grunn av den genetiske informasjonen som finnes i kjernen. Det lagres, implementeres og overføres av komplekse høymolekylære forbindelser - nukleinsyrer, bestående av monomerenheter - nukleotider. Rollen til nukleinsyrer kan ikke overvurderes. Stabiliteten til strukturen deres bestemmer den normale vitale aktiviteten til organismen, og eventuelle avvik i strukturen vil uunngåelig føre til en endring i den cellulære organisasjonen, aktiviteten til fysiologiske prosesser og levedyktigheten til cellene som helhet.
Konseptet med et nukleotid og dets egenskaper
Hvert molekyl av DNA eller RNA er satt sammen av mindre monomere forbindelser - nukleotider. Et nukleotid er med andre ord et byggemateriale for nukleinsyrer, koenzymer og mange andre biologiske forbindelser som er essensielle for en celle i løpet av dens levetid.
Til hovedegenskapene til disse uerstatteligestoffer kan tilskrives:
• lagring av informasjon om proteinstruktur og arvelige egenskaper;
• kontroll over vekst og reproduksjon;
• deltakelse i metabolisme og mange andre fysiologiske prosesser som skjer i cellen.
Nukleotidsammensetning
Når vi snakker om nukleotider, kan man ikke annet enn å dvele ved en så viktig sak som deres struktur og sammensetning.
Hvert nukleotid består av:
• sukkerrest;
• nitrogenholdig base;
• fosfatgruppe eller fosforsyrerest.
Det kan sies at et nukleotid er en kompleks organisk forbindelse. Avhengig av artssammensetningen av nitrogenholdige baser og typen pentose i nukleotidstrukturen, deles nukleinsyrer inn i:
• deoksyribonukleinsyre, eller DNA;
• ribonukleinsyre, eller RNA.
Sammensetning av nukleinsyrer
I nukleinsyrer er sukker representert av pentose. Dette er et sukker med fem karbon, i DNA kalles det deoksyribose, i RNA kalles det ribose. Hvert pentosemolekyl har fem karbonatomer, hvorav fire sammen med et oksygenatom danner en femleddet ring, og det femte er en del av HO-CH2-gruppen.
Plasseringen til hvert karbonatom i et pentosemolekyl er indikert med et arabisk tall med et primtall (1C´, 2C´, 3C´, 4C´, 5C´). Siden alle prosessene med å lese arvelig informasjon fra et nukleinsyremolekyl har en streng retning, fungerer nummereringen av karbonatomer og deres plassering i ringen som en slags indikator på riktig retning.
I henhold til hydroksylgruppen tilen fosforsyrerest er festet til det tredje og femte karbonatomet (3С´ og 5´). Den bestemmer den kjemiske tilknytningen av DNA og RNA til gruppen av syrer.
En nitrogenholdig base er festet til det første karbonatomet (1С´) i et sukkermolekyl.
Artssammensetning av nitrogenholdige baser
DNA-nukleotider etter nitrogenholdig base er representert av fire typer:
• adenin (A);
• guanin (G);
• cytosin (C);
• tymin (T).
De to første er puriner, de to siste er pyrimidiner. Etter molekylvekt er puriner alltid tyngre enn pyrimidiner.
RNA-nukleotider ved nitrogenholdig base er representert ved:
• adenin (A);
• guanin (G);
• cytosin (C);
• uracil (U).
Uracil, som tymin, er en pyrimidinbase.
I den vitenskapelige litteraturen kan man ofte finne en annen betegnelse på nitrogenholdige baser - med latinske bokstaver (A, T, C, G, U).
La oss dvele mer detaljert ved den kjemiske strukturen til puriner og pyrimidiner.
Pyrimidiner, nemlig cytosin, tymin og uracil, representeres av to nitrogenatomer og fire karbonatomer, og danner en seksleddet ring. Hvert atom har sitt eget tall fra 1 til 6.
Puriner (adenin og guanin) består av pyrimidin og imidazol eller to heterosykler. Purinbasemolekylet er representert av fire nitrogenatomer og fem karbonatomer. Hvert atom er nummerert fra 1 til 9.
Som et resultat av kobling av nitrogenholdigen base og en pentoserest danner et nukleosid. Et nukleotid er en kombinasjon av et nukleosid og en fosfatgruppe.
Danning av fosfodiesterbindinger
Det er viktig å forstå spørsmålet om hvordan nukleotider henger sammen i en polypeptidkjede og danner et nukleinsyremolekyl. Dette skjer på grunn av de såk alte fosfodiesterbindingene.
Samspillet mellom to nukleotider gir et dinukleotid. Dannelsen av en ny forbindelse skjer ved kondensering, når en fosfodiesterbinding oppstår mellom fosfatresten til en monomer og hydroksygruppen til pentosen til en annen.
Syntese av et polynukleotid er gjentatt repetisjon av denne reaksjonen (flere millioner ganger). Polynukleotidkjeden bygges gjennom dannelsen av fosfodiesterbindinger mellom det tredje og femte karbon av sukker (3С´ og 5´).
Polynukleotidsammenstilling er en kompleks prosess som skjer med deltakelse av DNA-polymerase-enzymet, som sikrer vekst av kjeden kun fra den ene enden (3´) med en fri hydroksygruppe.
Struktur av DNA-molekylet
Et DNA-molekyl, som et protein, kan ha en primær, sekundær og tertiær struktur.
Sekvensen av nukleotider i en DNA-kjede bestemmer dens primære struktur. Den sekundære strukturen er dannet av hydrogenbindinger, som er basert på komplementaritetsprinsippet. Med andre ord, under syntesen av DNA-dobbelthelixen, fungerer et visst mønster: adenin i en kjede tilsvarer tyminet til den andre, guanin til cytosin og omvendt. Par av adenin og tymin eller guanin og cytosindannes på grunn av to i det første og tre i det siste tilfellet hydrogenbindinger. En slik kobling av nukleotider gir en sterk binding mellom kjedene og lik avstand mellom dem.
Når du kjenner nukleotidsekvensen til en DNA-streng, kan du fullføre den andre ved hjelp av komplementaritets- eller addisjonsprinsippet.
Den tertiære strukturen til DNA dannes av komplekse tredimensjonale bindinger, noe som gjør molekylet mer kompakt og i stand til å passe inn i et lite cellevolum. Så for eksempel er lengden på E. coli DNA mer enn 1 mm, mens lengden på cellen er mindre enn 5 mikron.
Antall nukleotider i DNA, nemlig deres kvantitative forhold, følger Chergaff-regelen (antall purinbaser er alltid lik antall pyrimidinbaser). Avstanden mellom nukleotidene er en konstant verdi lik 0,34 nm, i likhet med deres molekylvekt.
Strukturen til RNA-molekylet
RNA er representert av en enkelt polynukleotidkjede dannet gjennom kovalente bindinger mellom en pentose (i dette tilfellet ribose) og en fosfatrest. Det er mye kortere enn DNA i lengde. Det er også forskjeller i artssammensetningen av nitrogenholdige baser i nukleotidet. I RNA brukes uracil i stedet for pyrimidinbasen til tymin. Avhengig av funksjonene som utføres i kroppen, kan RNA være av tre typer.
• Ribosomal (rRNA) - inneholder vanligvis fra 3000 til 5000 nukleotider. Som en nødvendig strukturell komponent tar den del i dannelsen av det aktive sentrum av ribosomer, stedet for en av de viktigste prosessene i cellen- proteinbiosyntese.
• Transport (tRNA) - består av gjennomsnittlig 75 - 95 nukleotider, overfører ønsket aminosyre til stedet for polypeptidsyntese i ribosomet. Hver type tRNA (minst 40) har sin egen unike sekvens av monomerer eller nukleotider.
• Informasjonsinformasjon (mRNA) - svært variert i nukleotidsammensetning. Overfører genetisk informasjon fra DNA til ribosomer, fungerer som en matrise for syntese av et proteinmolekyl.
Nukleotidenes rolle i kroppen
Nukleotider i cellen utfører en rekke viktige funksjoner:
• brukes som byggesteiner for nukleinsyrer (nukleotider i purin- og pyrimidinserien);
• er involvert i mange metabolske prosesser i cellen;
• er en del av ATP - den viktigste energikilden i celler;
• fungerer som bærere av reduserende ekvivalenter i celler (NAD+, NADP+, FAD, FMN);
• utfører funksjonen til bioregulatorer;
• kan betraktes som sekundære budbringere ekstracellulær regelmessig syntese (for eksempel cAMP eller cGMP).
Nukleotid er en monomer enhet som danner mer komplekse forbindelser - nukleinsyrer, uten hvilke overføring av genetisk informasjon, lagring og reproduksjon er umulig. Frie nukleotider er hovedkomponentene involvert i signal- og energiprosesser som støtter normal funksjon av celler og kroppen som helhet.
