Kwasy nukleinowe, zwłaszcza DNA, są dość dobrze znane w nauce. Wyjaśnia to fakt, że są to substancje komórki, od których zależy przechowywanie i przekazywanie jej dziedzicznych informacji. DNA, odkryte w 1868 roku przez F. Mieschera, jest cząsteczką o wyraźnych właściwościach kwasowych. Naukowiec wyizolował go z jąder leukocytów - komórek układu odpornościowego. Przez następne 50 lat badania kwasów nukleinowych prowadzono sporadycznie, gdyż większość biochemików uważała białka za główne substancje organiczne odpowiedzialne m.in. za cechy dziedziczne.
Od rozszyfrowania struktury DNA przez Watsona i Cricka w 1953 roku rozpoczęły się poważne badania, które wykazały, że kwas dezoksyrybonukleinowy jest polimerem, a nukleotydy służą jako monomery DNA. Ich rodzaje i struktura będą przez nas badane w tej pracy.
Nukleotydy jako jednostki strukturalne informacji dziedzicznej
Jedną z podstawowych właściwości żywej materii jest zachowanie i przekazywanie informacji o strukturze i funkcjach zarówno komórki, jak i całego organizmuogólnie. Taką rolę pełni kwas dezoksyrybonukleinowy, a monomery DNA - nukleotydy są rodzajem „cegiełek”, z których zbudowana jest unikalna struktura substancji dziedziczności. Zastanówmy się, jakimi znakami kierowała się dzika przyroda, tworząc supercewkę kwasu nukleinowego.
Jak powstają nukleotydy
Aby odpowiedzieć na to pytanie, potrzebujemy pewnej wiedzy z zakresu chemii organicznej. W szczególności przypominamy, że w przyrodzie istnieje grupa glikozydów heterocyklicznych zawierających azot w połączeniu z monosacharydami - pentozami (dezoksyrybozą lub rybozą). Nazywane są nukleozydami. Na przykład adenozyna i inne rodzaje nukleozydów są obecne w cytozolu komórki. Wchodzą w reakcję estryfikacji z cząsteczkami kwasu ortofosforowego. Produktami tego procesu będą nukleotydy. Każdy monomer DNA, a są cztery typy, ma nazwę, taką jak nukleotydy guanina, tymina i cytozyna.
Purynowe monomery DNA
W biochemii przyjęto klasyfikację, która dzieli monomery DNA i ich strukturę na dwie grupy: na przykład nukleotydy adeninowe i guaninowe to puryna. Zawierają pochodne puryn, substancji organicznej o wzorze C5H4N44. Monomer DNA, nukleotyd guaninowy, zawiera również purynową zasadę azotową połączoną z dezoksyrybozą wiązaniem N-glikozydowym w konfiguracji beta.
Nukleotydy pirymidynowe
Zasady azotowe,zwane cytydyną i tymidyną, są pochodnymi substancji organicznej pirymidyny. Jego formuła to C4H4N2. Cząsteczka jest sześcioczłonowym płaskim heterocyklem zawierającym dwa atomy azotu. Wiadomo, że zamiast nukleotydu tyminy cząsteczki kwasu rybonukleinowego, takie jak rRNA, tRNA i mRNA, zawierają monomer uracylu. Podczas transkrypcji, podczas przekazywania informacji z genu DNA do cząsteczki mRNA, nukleotyd tyminowy jest zastępowany adeniną, a nukleotyd adeninowy uracylem w zsyntetyzowanym łańcuchu mRNA. Oznacza to, że następujący zapis będzie sprawiedliwy: A - U, T - A.
Zasada Chargaffa
W poprzednim rozdziale poruszyliśmy już częściowo zasady współzależności między monomerami w łańcuchach DNA oraz w kompleksie gen-mRNA. Słynny biochemik E. Chargaff ustalił całkowicie unikalną właściwość cząsteczek kwasu dezoksyrybonukleinowego, a mianowicie, że liczba zawartych w nim nukleotydów adeninowych jest zawsze równa tymina, a guanina - cytozynie. Główną teoretyczną podstawą zasad Chargaffa były badania Watsona i Cricka, którzy ustalili, jakie monomery tworzą cząsteczkę DNA i jaką mają organizację przestrzenną. Inny wzór, wyprowadzony przez Chargaffa i nazwany zasadą komplementarności, wskazuje na związek chemiczny zasad purynowych i pirymidynowych oraz ich zdolność do tworzenia wiązań wodorowych podczas wzajemnego oddziaływania. Oznacza to, że układ monomerów w obu niciach DNA jest ściśle określony: np. przeciwne A do pierwszej nici DNA może byćtylko T jest inne i między nimi powstają dwa wiązania wodorowe. Naprzeciw nukleotydu guaninowego można zlokalizować tylko cytozynę. W tym przypadku między zasadami azotowymi tworzą się trzy wiązania wodorowe.
Rola nukleotydów w kodzie genetycznym
Aby przeprowadzić reakcję biosyntezy białek zachodzącą w rybosomach, istnieje mechanizm przenoszenia informacji o składzie aminokwasowym peptydu z sekwencji nukleotydowej mRNA do sekwencji aminokwasowej. Okazało się, że trzy sąsiadujące monomery niosą informacje o jednym z 20 możliwych aminokwasów. Zjawisko to nazywa się kodem genetycznym. W rozwiązywaniu problemów biologii molekularnej służy zarówno do określenia składu aminokwasowego peptydu, jak i do wyjaśnienia pytania: które monomery tworzą cząsteczkę DNA, innymi słowy, jaki jest skład odpowiedniego genu. Na przykład triplet AAA (kodon) w genie koduje aminokwas fenyloalaninę w cząsteczce białka, a w kodzie genetycznym będzie odpowiadał tripletowi UUU w łańcuchu mRNA.
Interakcja nukleotydów w procesie reduplikacji DNA
Jak się wcześniej okazało, jednostki strukturalne, monomery DNA to nukleotydy. Ich specyficzna sekwencja w łańcuchach jest matrycą dla procesu syntezy cząsteczki potomnej kwasu dezoksyrybonukleinowego. Zjawisko to występuje w fazie S interfazy komórkowej. Sekwencja nukleotydów nowej cząsteczki DNA jest montowana na łańcuchach rodzicielskich pod wpływem enzymu polimerazy DNA, z uwzględnieniem zasadykomplementarność (A - T, D - C). Replikacja odnosi się do reakcji syntezy matrycy. Oznacza to, że monomery DNA i ich struktura w łańcuchach macierzystych służą jako podstawa, czyli macierz dla jego kopii potomnej.
Czy struktura nukleotydu może się zmienić
Przy okazji powiedzmy, że kwas dezoksyrybonukleinowy jest bardzo konserwatywną strukturą jądra komórkowego. Istnieje na to logiczne wytłumaczenie: informacje dziedziczne przechowywane w chromatynie jądra muszą pozostać niezmienione i skopiowane bez zniekształceń. Cóż, genom komórkowy jest stale „pod bronią” czynników środowiskowych. Na przykład tak agresywne związki chemiczne, jak alkohol, narkotyki, promieniowanie radioaktywne. Wszystkie z nich to tzw. mutageny, pod wpływem których każdy monomer DNA może zmienić swoją strukturę chemiczną. Takie zniekształcenie w biochemii nazywa się mutacją punktową. Częstość ich występowania w genomie komórki jest dość wysoka. Mutacje są korygowane przez dobrze funkcjonującą pracę komórkowego systemu naprawy, który obejmuje zestaw enzymów.
Niektóre z nich, na przykład restryktazy, „wycinają” uszkodzone nukleotydy, polimerazy zapewniają syntezę normalnych monomerów, ligazy „szyją” odtworzone odcinki genu. Jeśli z jakiegoś powodu opisany powyżej mechanizm nie działa w komórce i wadliwy monomer DNA pozostaje w jej cząsteczce, mutacja jest wychwytywana przez procesy syntezy macierzy i fenotypowo objawia się w postaci białek o zaburzonych właściwościach, które nie są w stanie wykonywać tkwiących w nich niezbędnych funkcji wmetabolizm komórkowy. Jest to poważny negatywny czynnik, który zmniejsza żywotność komórki i skraca jej żywotność.
