Kaikki elämä planeetalla koostuu monista soluista, jotka ylläpitävät organisaationsa järjestystä ytimen sisältämän geneettisen tiedon ansiosta. Sitä tallentavat, toteuttavat ja välittävät monimutkaiset korkeamolekyyliset yhdisteet - nukleiinihapot, jotka koostuvat monomeeriyksiköistä - nukleotideista. Nukleiinihappojen roolia ei voi yliarvioida. Niiden rakenteen pysyvyys määrää organismin normaalin elintärkeän toiminnan, ja mahdolliset poikkeamat rakenteessa johtavat väistämättä muutokseen solujen organisoinnissa, fysiologisten prosessien aktiivisuudessa ja solujen elinkykyisyydessä kokonaisuutena.
Nukleotidin käsite ja sen ominaisuudet
Jokainen DNA- tai RNA-molekyyli on koottu pienemmistä monomeerisistä yhdisteistä - nukleotideista. Toisin sanoen nukleotidi on rakennusmateriaali nukleiinihapoille, koentsyymeille ja monille muille biologisille yhdisteille, jotka ovat välttämättömiä solulle sen elinkaaren aikana.
Näiden korvaamattomien pääominaisuuksiinaineet voidaan katsoa:
• tiedon tallennus proteiinin rakenteesta ja perinnöllisistä ominaisuuksista;
• kasvun ja lisääntymisen hallinta;
• osallistuminen aineenvaihduntaan ja moniin muihin solussa tapahtuviin fysiologisiin prosesseihin.
Nukleotidien koostumus
Nukleotideista puheen ollen, ei voi muuta kuin viipyä niin tärkeässä asiassa kuin niiden rakenne ja koostumus.
Jokainen nukleotidi koostuu:
• sokerijäännös;
• typpiemäs;
• fosfaattiryhmä tai fosforihappojäännös.
Voidaan sanoa, että nukleotidi on monimutkainen orgaaninen yhdiste. Typpipitoisten emästen lajikoostumuksesta ja nukleotidirakenteen pentoosin tyypistä riippuen nukleiinihapot jaetaan:
• deoksiribonukleiinihappo tai DNA;
• ribonukleiinihappo tai RNA.
Nukleiinihappojen koostumus
Nukleiinihapoissa sokeria edustaa pentoosi. Tämä on viiden hiilen sokeri, DNA:ssa sitä kutsutaan deoksiriboosiksi, RNA:ssa sitä kutsutaan riboosiksi. Jokaisessa pentoosimolekyylissä on viisi hiiliatomia, joista neljä yhdessä happiatomin kanssa muodostaa viisijäsenisen renkaan ja viides on osa HO-CH2-ryhmää.
Jokaisen hiiliatomin sijainti pentoosimolekyylissä on ilmaistu arabialaisella numerolla alkuluvulla (1C´, 2C´, 3C´, 4C´, 5C´). Koska kaikilla nukleiinihappomolekyylistä periytyvän tiedon lukemisen prosesseilla on tiukka suunta, hiiliatomien numerointi ja niiden järjestys renkaassa toimivat eräänlaisena oikean suunnan indikaattorina.
Hydroksyyliryhmän mukaankolmanteen ja viidenteen hiiliatomiin (3С´ ja 5С´) on kiinnittynyt fosforihappotähde. Se määrittää DNA:n ja RNA:n kemiallisen liittymisen happoryhmään.
Typpipitoinen emäs on kiinnittynyt ensimmäiseen hiiliatomiin (1С´) sokerimolekyylissä.
Typpipitoisten emästen lajikoostumus
Typpipitoisen emäksen DNA-nukleotidit esitetään neljällä tyypillä:
• adeniini (A);
• guaniini (G);
• sytosiini (C);
• tymiini (T).
Kaksi ensimmäistä ovat puriineja, kaksi viimeistä ovat pyrimidiinejä. Molekyylipainon mukaan puriinit ovat aina raskaampia kuin pyrimidiinit.
Typpipitoisen emäksen RNA-nukleotidit esitetään:
• adeniini (A);
• guaniini (G);
• sytosiini (C);
• urasiili (U).
Urasiili, kuten tymiini, on pyrimidiiniemäs.
Tieteellisessä kirjallisuudessa typpipitoisille emäksille löytyy usein toinen nimitys - latinalaisin kirjaimin (A, T, C, G, U).
Pysytäänpä tarkemmin puriinien ja pyrimidiinien kemiallisessa rakenteessa.
Pyrimidiinejä, nimittäin sytosiinia, tymiiniä ja urasiilia, edustavat kaksi typpiatomia ja neljä hiiliatomia, jotka muodostavat kuusijäsenisen renkaan. Jokaisella atomilla on oma numeronsa 1-6.
Puriinit (adeniini ja guaniini) koostuvat pyrimidiinistä ja imidatsolista tai kahdesta heterosyklistä. Puriiniemäsmolekyyliä edustaa neljä typpiatomia ja viisi hiiliatomia. Jokainen atomi on numeroitu 1:stä 9:ään.
Typpipitoisen liitoksen seurauksenaemäs ja pentoositähde muodostavat nukleosidin. Nukleotidi on nukleosidi- ja fosfaattiryhmän yhdistelmä.
Fosfodiesterisidosten muodostuminen
On tärkeää ymmärtää kysymys siitä, kuinka nukleotidit liittyvät polypeptidiketjuun ja muodostavat nukleiinihappomolekyylin. Tämä tapahtuu ns. fosfodiesterisidosten vuoksi.
Kahden nukleotidin vuorovaikutus tuottaa dinukleotidin. Uuden yhdisteen muodostuminen tapahtuu kondensaatiolla, kun yhden monomeerin fosfaattitähteen ja toisen monomeerin pentoosin hydroksiryhmän välille muodostuu fosfodiesterisidos.
Polynukleotidin synteesi on tämän reaktion toistaminen (useita miljoonia kertoja). Polynukleotidiketju rakentuu fosfodiesterisidosten muodostumisen kautta sokerien kolmannen ja viidennen hiilen (3С´ ja 5С´) välille.
Polynukleotidien kokoaminen on monimutkainen prosessi, joka tapahtuu DNA-polymeraasientsyymin osallistuessa, mikä varmistaa ketjun kasvun vain toisesta päästä (3´), jossa on vapaa hydroksiryhmä.
DNA-molekyylin rakenne
DNA-molekyylillä, kuten proteiinilla, voi olla primaarinen, sekundaarinen ja tertiäärinen rakenne.
Nukleotidien sekvenssi DNA-ketjussa määrittää sen primäärirakenteen. Toissijainen rakenne muodostuu vetysidoksista, jotka perustuvat komplementaarisuuden periaatteeseen. Toisin sanoen DNA:n kaksoiskierteen synteesin aikana toimii tietty kaava: yhden ketjun adeniini vastaa toisen tymiiniä, guaniini sytosiinia ja päinvastoin. Adeniinin ja tymiinin tai guaniinin ja sytosiinin paritmuodostuu kahdesta ensimmäisessä ja kolmesta viimeisessä tapauksessa vetysidoksesta. Tällainen nukleotidien yhteys muodostaa vahvan sidoksen ketjujen välille ja tasaisen etäisyyden niiden välillä.
Kun tiedät yhden DNA-juosteen nukleotidisekvenssin, voit täydentää toisen sekvenssin komplementaarisuus- tai additioperiaatteella.
DNA:n tertiäärinen rakenne muodostuu monimutkaisista kolmiulotteisista sidoksista, mikä tekee sen molekyylistä kompaktimman ja mahtuu pieneen solutilavuuteen. Joten esimerkiksi E. colin DNA:n pituus on yli 1 mm, kun taas solun pituus on alle 5 mikronia.
DNA:n nukleotidien lukumäärä, nimittäin niiden määrällinen suhde, noudattaa Chergaff-sääntöä (puriiniemästen lukumäärä on aina yhtä suuri kuin pyrimidiiniemästen lukumäärä). Nukleotidien välinen etäisyys on vakioarvo, joka on 0,34 nm, samoin kuin niiden molekyylipaino.
RNA-molekyylin rakenne
RNA:ta edustaa yksi polynukleotidiketju, joka muodostuu kovalenttisten sidosten kautta pentoosin (tässä tapauksessa riboosin) ja fosfaattitähteen välillä. Se on pituudeltaan paljon lyhyempi kuin DNA. Nukleotidin typpipitoisten emästen lajikoostumuksessa on myös eroja. RNA:ssa käytetään urasiilia tymiinin pyrimidiiniemäksen sijasta. Riippuen kehossa suoritettavista toiminnoista, RNA:ta voi olla kolmea tyyppiä.
• Ribosomaalinen (rRNA) - sisältää yleensä 3000-5000 nukleotidia. Välttämättömänä rakennekomponenttina se osallistuu ribosomien aktiivisen keskuksen muodostumiseen, yhden solun tärkeimmistä prosesseista.- proteiinien biosynteesi.
• Kuljetus (tRNA) - koostuu keskimäärin 75 - 95 nukleotidista, siirtää halutun aminohapon polypeptidisynteesikohtaan ribosomissa. Jokaisella tRNA-tyypillä (vähintään 40) on oma ainutlaatuinen monomeerien tai nukleotidien sekvenssi.
• Informatiivinen (mRNA) - nukleotidikoostumukseltaan hyvin monimuotoinen. Siirtää geneettistä tietoa DNA:sta ribosomeihin, toimii matriisina proteiinimolekyylin synteesiä varten.
Nukleotidien rooli elimistössä
Nukleotidit solussa suorittavat useita tärkeitä tehtäviä:
• käytetään nukleiinihappojen rakennuspalikoina (puriini- ja pyrimidiinisarjan nukleotidit);
• osallistuvat moniin solun aineenvaihduntaprosesseihin;
• ovat osa ATP:tä - solujen pääasiallinen energianlähde;
• toimivat pelkistävien ekvivalenttien kantajina soluissa (NAD+, NADP+, FAD, FMN);
• hoitavat biosäätelijöiden toiminnan;
• voidaan pitää solunulkoisen säännöllisen synteesin toissijaisina lähettiinä (esim. cAMP tai cGMP).
Nukleotidi on monomeerinen yksikkö, joka muodostaa monimutkaisempia yhdisteitä - nukleiinihappoja, joita ilman geneettisen tiedon siirto, sen varastointi ja lisääntyminen on mahdotonta. Vapaat nukleotidit ovat pääkomponentteja, jotka osallistuvat signaali- ja energiaprosesseihin, jotka tukevat solujen ja koko kehon normaalia toimintaa.
