Nukleinsyrer, især DNA, er ret velkendte i videnskaben. Dette forklares ved, at de er cellens stoffer, som lagring og transmission af dens arvelige information afhænger af. DNA, opdaget tilbage i 1868 af F. Miescher, er et molekyle med udt alte sure egenskaber. Forskeren isolerede det fra kernerne af leukocytter - celler i immunsystemet. I løbet af de næste 50 år blev undersøgelser af nukleinsyrer udført sporadisk, da de fleste biokemikere anså proteiner for at være de vigtigste organiske stoffer, der blandt andet er ansvarlige for arvelige egenskaber.
Siden Watson og Cricks dechiffrering af DNA-strukturen i 1953 begyndte seriøs forskning, som fandt ud af, at deoxyribonukleinsyre er en polymer, og nukleotider tjener som DNA-monomerer. Deres typer og struktur vil blive studeret af os i dette arbejde.
Nukleotider som strukturelle enheder af arvelig information
En af de grundlæggende egenskaber ved levende stof er bevarelsen og transmissionen af information om strukturen og funktionerne af både cellen og hele organismengenerelt. Denne rolle spilles af deoxyribonukleinsyre, og DNA-monomerer - nukleotider er en slags "mursten", hvorfra den unikke struktur af arvestoffet er bygget. Lad os overveje, hvilke tegn dyrelivet blev styret af, da vi lavede en nukleinsyre-supercoil.
Hvordan nukleotider dannes
For at besvare dette spørgsmål har vi brug for en vis viden om organisk kemi. Især minder vi om, at der i naturen er en gruppe nitrogenholdige heterocykliske glycosider kombineret med monosaccharider - pentoser (deoxyribose eller ribose). De kaldes nukleosider. For eksempel er adenosin og andre typer nukleosider til stede i en celles cytosol. De indgår i en esterificeringsreaktion med orthophosphorsyremolekyler. Produkterne af denne proces vil være nukleotider. Hver DNA-monomer, og der er fire typer, har et navn, såsom guanin-, thymin- og cytosin-nukleotider.
Purinmonomerer af DNA
I biokemi er der vedtaget en klassifikation, der opdeler DNA-monomerer og deres struktur i to grupper: for eksempel er adenin- og guanin-nukleotider purin. De indeholder derivater af purin, et organisk stof med formlen C5H4N44. DNA-monomeren, et guanin-nukleotid, indeholder også en purin-nitrogenbase forbundet med deoxyribose med en N-glykosidbinding i beta-konfigurationen.
Pyrimidinnukleotider
nitrogenholdige baser,kaldet cytidin og thymidin, er derivater af det organiske stof pyrimidin. Dens formel er C4H4N2. Molekylet er en seks-leddet plan heterocyklus indeholdende to nitrogenatomer. Det er kendt, at i stedet for et thyminnukleotid indeholder ribonukleinsyremolekyler, såsom rRNA, tRNA og mRNA, en uracilmonomer. Under transskription, under overførslen af information fra DNA-genet til mRNA-molekylet, erstattes thymin-nukleotidet med adenin, og adenin-nukleotidet erstattes af uracil i den syntetiserede mRNA-kæde. Det vil sige, at følgende rekord vil være fair: A - U, T - A.
Chargaff-regel
I det foregående afsnit har vi allerede delvist berørt principperne for overensstemmelse mellem monomerer i DNA-kæder og i gen-mRNA-komplekset. Den berømte biokemiker E. Chargaff etablerede en helt unik egenskab ved deoxyribonukleinsyremolekyler, nemlig at antallet af adenin-nukleotider i det altid er lig med thymin og guanin - med cytosin. Det vigtigste teoretiske grundlag for Chargaffs principper var Watson og Cricks forskning, som fastslog, hvilke monomerer der danner DNA-molekylet, og hvilken rumlig organisation de har. Et andet mønster, afledt af Chargaff og kaldet komplementaritetsprincippet, indikerer det kemiske forhold mellem purin- og pyrimidinbaser og deres evne til at danne hydrogenbindinger, når de interagerer med hinanden. Dette betyder, at arrangementet af monomerer i begge DNA-strenge er strengt bestemt: f.eks. kan modsat A af den første DNA-streng værekun T er forskellig, og der opstår to hydrogenbindinger imellem dem. Modsat guanin-nukleotidet kan kun cytosin lokaliseres. I dette tilfælde dannes der tre hydrogenbindinger mellem de nitrogenholdige baser.
Nukleotiders rolle i den genetiske kode
For at udføre reaktionen af proteinbiosyntese, der forekommer i ribosomer, er der en mekanisme til at overføre information om aminosyresammensætningen af peptidet fra mRNA-nukleotidsekvensen til aminosyresekvensen. Det viste sig, at tre tilstødende monomerer bærer information om en af de 20 mulige aminosyrer. Dette fænomen kaldes den genetiske kode. Ved løsning af problemer inden for molekylærbiologi bruges det til at bestemme både aminosyresammensætningen af et peptid og til at afklare spørgsmålet: hvilke monomerer danner et DNA-molekyle, med andre ord hvad er sammensætningen af det tilsvarende gen. Eksempelvis koder AAA-tripletten (codon) i genet for aminosyren phenylalanin i proteinmolekylet, og i den genetiske kode vil den svare til UUU-tripletten i mRNA-kæden.
Interaktion mellem nukleotider i processen med DNA-reduplikation
Som det blev fundet ud af tidligere, er strukturelle enheder, DNA-monomerer nukleotider. Deres specifikke sekvens i kæderne er skabelonen for synteseprocessen af dattermolekylet af deoxyribonukleinsyre. Dette fænomen opstår i S-stadiet af celleinterfase. Nukleotidsekvensen af et nyt DNA-molekyle samles på moderkæderne under påvirkning af DNA-polymerase-enzymet under hensyntagen til princippetkomplementaritet (A - T, D - C). Replikation refererer til reaktionerne ved matrixsyntese. Det betyder, at DNA-monomererne og deres struktur i moderkæderne tjener som grundlag, dvs. matrixen for dens underordnede kopi.
Kan strukturen af et nukleotid ændre sig
Forresten, lad os sige, at deoxyribonukleinsyre er en meget konservativ struktur i cellekernen. Der er en logisk forklaring på dette: den arvelige information, der er lagret i kernens kromatin, skal være uændret og kopieret uden forvrængning. Tja, det cellulære genom er konstant "under pistolen" af miljøfaktorer. For eksempel sådanne aggressive kemiske forbindelser som alkohol, stoffer, radioaktiv stråling. Alle af dem er såkaldte mutagener, under påvirkning af hvilke enhver DNA-monomer kan ændre sin kemiske struktur. En sådan forvrængning i biokemi kaldes en punktmutation. Hyppigheden af deres forekomst i cellegenomet er ret høj. Mutationer korrigeres af det velfungerende arbejde i det cellulære reparationssystem, som omfatter et sæt enzymer.
Nogle af dem, f.eks. restriktaser, "skærer ud" beskadigede nukleotider, polymeraser giver syntesen af normale monomerer, ligaser "syer" de genoprettede dele af genet. Hvis den ovenfor beskrevne mekanisme af en eller anden grund ikke virker i cellen, og den defekte DNA-monomer forbliver i dens molekyle, opfanges mutationen af matrixsynteseprocesserne og viser sig fænotypisk i form af proteiner med svækkede egenskaber, som er ude af stand til at udføre de nødvendige funktioner, der ligger i demcellulært stofskifte. Dette er en alvorlig negativ faktor, der reducerer cellens levedygtighed og forkorter dens levetid.
