Alt liv på planeten består af mange celler, der opretholder orden i deres organisation på grund af den genetiske information indeholdt i kernen. Det lagres, implementeres og transmitteres af komplekse højmolekylære forbindelser - nukleinsyrer, bestående af monomerenheder - nukleotider. Nukleinsyrernes rolle kan ikke overvurderes. Stabiliteten af deres struktur bestemmer organismens normale vitale aktivitet, og enhver afvigelse i strukturen vil uundgåeligt føre til en ændring i den cellulære organisation, aktiviteten af fysiologiske processer og cellernes levedygtighed som helhed.
Begrebet et nukleotid og dets egenskaber
Hvert molekyle af DNA eller RNA er samlet af mindre monomere forbindelser - nukleotider. Med andre ord er et nukleotid et byggemateriale til nukleinsyrer, coenzymer og mange andre biologiske forbindelser, der er essentielle for en celle i løbet af dens levetid.
Til de vigtigste egenskaber ved disse uerstatteligestoffer kan tilskrives:
• lagring af information om proteinstruktur og nedarvede egenskaber;
• kontrol over vækst og reproduktion;
• deltagelse i stofskifte og mange andre fysiologiske processer, der forekommer i cellen.
Nukleotidsammensætning
Når vi taler om nukleotider, kan man ikke andet end at dvæle ved et så vigtigt spørgsmål som deres struktur og sammensætning.
Hvert nukleotid består af:
• sukkerrest;
• nitrogenholdig base;
• phosphatgruppe eller phosphorsyrerest.
Det kan siges, at et nukleotid er en kompleks organisk forbindelse. Afhængig af artssammensætningen af nitrogenholdige baser og typen af pentose i nukleotidstrukturen opdeles nukleinsyrer i:
• deoxyribonukleinsyre eller DNA;
• ribonukleinsyre eller RNA.
sammensætning af nukleinsyrer
I nukleinsyrer er sukker repræsenteret af pentose. Dette er et sukker med fem kulstof, i DNA kaldes det deoxyribose, i RNA kaldes det ribose. Hvert pentosemolekyle har fem kulstofatomer, hvoraf fire sammen med et oxygenatom danner en femleddet ring, og det femte er en del af HO-CH2-gruppen.
Placeringen af hvert carbonatom i et pentosemolekyle er angivet med et arabisk tal med et primtal (1C´, 2C´, 3C´, 4C´, 5C´). Da alle processer med at læse arvelig information fra et nukleinsyremolekyle har en streng retning, tjener nummereringen af kulstofatomer og deres placering i ringen som en slags indikator for den rigtige retning.
Ifølge hydroxylgruppen tilen phosphorsyrerest er knyttet til det tredje og femte carbonatom (3С´ og 5´). Den bestemmer den kemiske tilknytning af DNA og RNA til gruppen af syrer.
En nitrogenholdig base er knyttet til det første carbonatom (1С´) i et sukkermolekyle.
Artssammensætning af nitrogenholdige baser
DNA-nukleotider efter nitrogenholdig base er repræsenteret af fire typer:
• adenin (A);
• guanin (G);
• cytosin (C);
• thymin (T).
De første to er puriner, de sidste to er pyrimidiner. Efter molekylvægt er puriner altid tungere end pyrimidiner.
RNA-nukleotider ved nitrogenbase er repræsenteret ved:
• adenin (A);
• guanin (G);
• cytosin (C);
• uracil (U).
Uracil er ligesom thymin en pyrimidinbase.
I den videnskabelige litteratur kan man ofte finde en anden betegnelse for nitrogenholdige baser - med latinske bogstaver (A, T, C, G, U).
Lad os dvæle mere detaljeret ved den kemiske struktur af puriner og pyrimidiner.
Pyrimidiner, nemlig cytosin, thymin og uracil, er repræsenteret af to nitrogenatomer og fire carbonatomer, der danner en seksleddet ring. Hvert atom har sit eget tal fra 1 til 6.
Puriner (adenin og guanin) består af pyrimidin og imidazol eller to heterocykler. Purinbasemolekylet er repræsenteret af fire nitrogenatomer og fem carbonatomer. Hvert atom er nummereret fra 1 til 9.
Som et resultat af forbindelsen af nitrogenholdigen base og en pentoserest danner et nukleosid. Et nukleotid er en kombination af et nukleosid og en fosfatgruppe.
Danning af phosphodiester-bindinger
Det er vigtigt at forstå spørgsmålet om, hvordan nukleotider er forbundet i en polypeptidkæde og danner et nukleinsyremolekyle. Dette sker på grund af de såkaldte fosfodiesterbindinger.
Interaktionen mellem to nukleotider giver et dinukleotid. Dannelsen af en ny forbindelse sker ved kondensation, når der opstår en phosphodiesterbinding mellem phosphatresten i en monomer og hydroxygruppen i pentosen i en anden.
Syntese af et polynukleotid er gentagen gentagelse af denne reaktion (flere millioner gange). Polynukleotidkæden er opbygget gennem dannelsen af phosphodiesterbindinger mellem det tredje og femte kulstof i sukkerarter (3С´ og 5´).
Polynukleotidsamling er en kompleks proces, der sker med deltagelse af DNA-polymeraseenzymet, som kun sikrer væksten af kæden fra den ene ende (3´) med en fri hydroxygruppe.
Struktur af DNA-molekylet
Et DNA-molekyle kan ligesom et protein have en primær, sekundær og tertiær struktur.
Sekvensen af nukleotider i en DNA-kæde bestemmer dens primære struktur. Den sekundære struktur er dannet af hydrogenbindinger, som er baseret på princippet om komplementaritet. Med andre ord, under syntesen af DNA-dobbelthelixen fungerer et bestemt mønster: adenin i den ene kæde svarer til thymin i den anden, guanin til cytosin og omvendt. Par adenin og thymin eller guanin og cytosindannes på grund af to i det første og tre i det sidste tilfælde hydrogenbindinger. En sådan forbindelse af nukleotider giver en stærk binding mellem kæderne og en lige stor afstand mellem dem.
Når du kender nukleotidsekvensen for en DNA-streng, kan du fuldføre den anden ved hjælp af komplementaritets- eller additionsprincippet.
DNA's tertiære struktur er dannet af komplekse tredimensionelle bindinger, hvilket gør dets molekyle mere kompakt og i stand til at passe ind i et lille cellevolumen. Så for eksempel er længden af E. coli DNA mere end 1 mm, mens længden af cellen er mindre end 5 mikron.
Antallet af nukleotider i DNA, nemlig deres kvantitative forhold, overholder Chergaff-reglen (antallet af purinbaser er altid lig med antallet af pyrimidinbaser). Afstanden mellem nukleotider er en konstant værdi lig med 0,34 nm, og det samme gælder deres molekylvægt.
Strukturen af RNA-molekylet
RNA er repræsenteret af en enkelt polynukleotidkæde dannet gennem kovalente bindinger mellem en pentose (i dette tilfælde ribose) og en fosfatrest. Det er meget kortere end DNA i længden. Der er også forskelle i artssammensætningen af nitrogenholdige baser i nukleotidet. I RNA bruges uracil i stedet for thymins pyrimidinbase. Afhængigt af de funktioner, der udføres i kroppen, kan RNA være af tre typer.
• Ribosomal (rRNA) - indeholder norm alt fra 3000 til 5000 nukleotider. Som en nødvendig strukturel komponent deltager den i dannelsen af det aktive center af ribosomer, stedet for en af de vigtigste processer i cellen- proteinbiosyntese.
• Transport (tRNA) - består af et gennemsnit på 75 - 95 nukleotider, overfører den ønskede aminosyre til stedet for polypeptidsyntese i ribosomet. Hver type tRNA (mindst 40) har sin egen unikke sekvens af monomerer eller nukleotider.
• Informationsgivende (mRNA) - meget forskelligartet i nukleotidsammensætning. Overfører genetisk information fra DNA til ribosomer, fungerer som en matrix for syntesen af et proteinmolekyle.
Nukleotidernes rolle i kroppen
Nukleotider i cellen udfører en række vigtige funktioner:
• bruges som byggesten til nukleinsyrer (nukleotider i purin- og pyrimidin-serien);
• er involveret i mange metaboliske processer i cellen;
• er en del af ATP - den vigtigste energikilde i celler;
• fungerer som bærere af reducerende ækvivalenter i celler (NAD+, NADP+, FAD, FMN);
• udfører funktionen som bioregulatorer;
• kan betragtes som second messengers ekstracellulær regulær syntese (f.eks. cAMP eller cGMP).
Nukleotid er en monomer enhed, der danner mere komplekse forbindelser - nukleinsyrer, uden hvilke overførsel af genetisk information, opbevaring og reproduktion er umulig. Frie nukleotider er hovedkomponenterne involveret i signal- og energiprocesser, der understøtter cellernes normale funktion og kroppen som helhed.
