Całe życie na planecie składa się z wielu komórek, które utrzymują porządek w swojej organizacji dzięki informacji genetycznej zawartej w jądrze. Jest magazynowana, wdrażana i przekazywana przez złożone związki wielkocząsteczkowe – kwasy nukleinowe, składające się z jednostek monomerycznych – nukleotydów. Rola kwasów nukleinowych jest nie do przecenienia. Stabilność ich struktury determinuje normalną aktywność życiową organizmu, a wszelkie odchylenia w strukturze nieuchronnie doprowadzą do zmiany organizacji komórkowej, aktywności procesów fizjologicznych i żywotności komórek jako całości.
Pojęcie nukleotydu i jego właściwości
Każda cząsteczka DNA lub RNA składa się z mniejszych związków monomerycznych - nukleotydów. Innymi słowy, nukleotyd jest materiałem budulcowym dla kwasów nukleinowych, koenzymów i wielu innych związków biologicznych, które są niezbędne dla komórki w trakcie jej życia.
Do głównych właściwości tych niezastąpionychsubstancje można przypisać:
• przechowywanie informacji o strukturze białek i cechach dziedzicznych;
• kontrola wzrostu i reprodukcji;
• udział w metabolizmie i wielu innych procesach fizjologicznych zachodzących w komórce.
Skład nukleotydów
Mówiąc o nukleotydach, nie można nie poruszyć tak ważnej kwestii, jak ich struktura i skład.
Każdy nukleotyd składa się z:
• reszta cukru;
• zasada azotowa;
• grupa fosforanowa lub reszta kwasu fosforowego.
Można powiedzieć, że nukleotyd jest złożonym związkiem organicznym. W zależności od składu gatunkowego zasad azotowych oraz rodzaju pentozy w strukturze nukleotydów kwasy nukleinowe dzieli się na:
• kwas dezoksyrybonukleinowy lub DNA;
• kwas rybonukleinowy lub RNA.
Skład kwasów nukleinowych
W kwasach nukleinowych cukier jest reprezentowany przez pentozę. Jest to cukier pięciowęglowy, w DNA nazywa się dezoksyrybozą, w RNA nazywa się rybozą. Każda cząsteczka pentozy ma pięć atomów węgla, z których cztery wraz z atomem tlenu tworzą pięcioczłonowy pierścień, a piąty należy do grupy HO-CH2.
Pozycję każdego atomu węgla w cząsteczce pentozy wskazuje cyfra arabska z liczbą pierwszą (1C´, 2C´, 3C´, 4C´, 5C´). Ponieważ wszystkie procesy odczytywania informacji dziedzicznych z cząsteczki kwasu nukleinowego mają ścisły kierunek, numeracja atomów węgla i ich rozmieszczenie w pierścieniu służą jako rodzaj wskaźnika właściwego kierunku.
Zgodnie z grupą hydroksylową doreszta kwasu fosforowego jest przyłączona do trzeciego i piątego atomu węgla (3С i 5С). Określa chemiczną przynależność DNA i RNA do grupy kwasów.
Zasada azotowa jest przyłączona do pierwszego atomu węgla (1С´) w cząsteczce cukru.
Skład gatunkowy zasad azotowych
Nukleotydy DNA według zasad azotowych są reprezentowane przez cztery typy:
• adenina (A);
• guanina (G);
• cytozyna (C);
• tymina (T).
Pierwsze dwie to puryny, dwie ostatnie to pirymidyny. Pod względem masy cząsteczkowej puryny są zawsze cięższe niż pirymidyny.
Nukleotydy RNA przez zasadę azotową są reprezentowane przez:
• adenina (A);
• guanina (G);
• cytozyna (C);
• uracyl (U).
Uracyl, podobnie jak tymina, jest zasadą pirymidynową.
W literaturze naukowej często można znaleźć inne oznaczenie zasad azotowych - literami łacińskimi (A, T, C, G, U).
Przyjrzyjmy się dokładniej strukturze chemicznej puryn i pirymidyn.
Pirymidyny, a mianowicie cytozyna, tymina i uracyl, są reprezentowane przez dwa atomy azotu i cztery atomy węgla, tworząc sześcioczłonowy pierścień. Każdy atom ma swój numer od 1 do 6.
Puryny (adenina i guanina) składają się z pirymidyny i imidazolu lub dwóch heterocykli. Cząsteczka zasady purynowej jest reprezentowana przez cztery atomy azotu i pięć atomów węgla. Każdy atom jest ponumerowany od 1 do 9.
W wyniku połączenia azotuzasada i reszta pentozy tworzą nukleozyd. Nukleotyd to połączenie nukleozydu i grupy fosforanowej.
Tworzenie wiązań fosfodiestrowych
Ważne jest, aby zrozumieć, w jaki sposób nukleotydy są połączone w łańcuchu polipeptydowym i tworzą cząsteczkę kwasu nukleinowego. Dzieje się tak dzięki tak zwanym wiązaniom fosfodiestrowym.
Interakcja dwóch nukleotydów daje dinukleotyd. Tworzenie nowego związku następuje przez kondensację, gdy wiązanie fosfodiestrowe występuje między resztą fosforanową jednego monomeru a grupą hydroksylową pentozy innego.
Synteza polinukleotydu to wielokrotne powtarzanie tej reakcji (kilka milionów razy). Łańcuch polinukleotydowy jest budowany poprzez tworzenie wiązań fosfodiestrowych między trzecim a piątym węglem cukrów (3С i 5С).
Montaż polinukleotydów to złożony proces zachodzący przy udziale enzymu polimerazy DNA, który zapewnia wzrost łańcucha tylko z jednego końca (3´) z wolną grupą hydroksylową.
Struktura cząsteczki DNA
Cząsteczka DNA, podobnie jak białko, może mieć strukturę pierwszorzędową, drugorzędową i trzeciorzędową.
Sekwencja nukleotydów w łańcuchu DNA określa jego pierwotną strukturę. Strukturę drugorzędową tworzą wiązania wodorowe, które opierają się na zasadzie komplementarności. Innymi słowy, podczas syntezy podwójnej helisy DNA działa pewien wzór: adenina jednego łańcucha odpowiada tyminie drugiego, guanina cytozynie i odwrotnie. Pary adenina i tymina lub guanina i cytozynapowstają dzięki dwóm w pierwszym i trzem w ostatnim przypadku wiązaniom wodorowym. Takie połączenie nukleotydów zapewnia silne wiązanie między łańcuchami i równą odległość między nimi.
Znając sekwencję nukleotydową jednej nici DNA, możesz uzupełnić drugą na zasadzie komplementarności lub addycji.
Trzeciorzędowa struktura DNA jest utworzona przez złożone trójwymiarowe wiązania, co sprawia, że jego cząsteczka jest bardziej zwarta i może zmieścić się w małej objętości komórki. Na przykład długość DNA E. coli jest większa niż 1 mm, podczas gdy długość komórki jest mniejsza niż 5 mikronów.
Liczba nukleotydów w DNA, a mianowicie ich stosunek ilościowy, jest zgodna z regułą Chergaffa (liczba zasad purynowych jest zawsze równa liczbie zasad pirymidynowych). Odległość między nukleotydami jest stałą wartością równą 0,34 nm, podobnie jak ich masa cząsteczkowa.
Struktura cząsteczki RNA
RNA jest reprezentowany przez pojedynczy łańcuch polinukleotydowy utworzony przez wiązania kowalencyjne między pentozą (w tym przypadku rybozą) a resztą fosforanową. Jest znacznie krótsza niż długość DNA. Istnieją również różnice w składzie gatunkowym zasad azotowych w nukleotydzie. W RNA zamiast zasady pirymidynowej tyminy stosuje się uracyl. W zależności od funkcji wykonywanych w organizmie, RNA może mieć trzy typy.
• Rybosomalny (rRNA) - zwykle zawiera od 3000 do 5000 nukleotydów. Jako niezbędny składnik strukturalny bierze udział w tworzeniu aktywnego centrum rybosomów, miejsca jednego z najważniejszych procesów w komórce- biosynteza białek.
• Transport (tRNA) - składa się średnio z 75 - 95 nukleotydów, przenosi pożądany aminokwas do miejsca syntezy polipeptydu w rybosomie. Każdy typ tRNA (co najmniej 40) ma swoją unikalną sekwencję monomerów lub nukleotydów.
• Informacyjny (mRNA) – bardzo zróżnicowany pod względem składu nukleotydów. Przenosi informację genetyczną z DNA do rybosomów, działa jak matryca do syntezy cząsteczki białka.
Rola nukleotydów w organizmie
Nukleotydy w komórce pełnią szereg ważnych funkcji:
• są używane jako elementy budulcowe kwasów nukleinowych (nukleotydów serii purynowej i pirymidynowej);
• biorą udział w wielu procesach metabolicznych w komórce;
• są częścią ATP - główne źródło energii w komórkach;
• pełnią funkcję nośników równoważników redukujących w komórkach (NAD+, NADP+, FAD, FMN);
• pełnią funkcję bioregulatorów;
• może być uważany za wtórnych przekaźników regularnej syntezy zewnątrzkomórkowej (na przykład cAMP lub cGMP).
Nukleotyd to jednostka monomeryczna, która tworzy bardziej złożone związki - kwasy nukleinowe, bez których przekazywanie informacji genetycznej, jej przechowywanie i odtwarzanie jest niemożliwe. Wolne nukleotydy są głównymi składnikami zaangażowanymi w procesy sygnalizacyjne i energetyczne, które wspierają normalne funkcjonowanie komórek i całego organizmu.
