Nukleinske kiseline, posebno DNK, prilično su poznate u nauci. To se objašnjava činjenicom da su to tvari ćelije, o kojima ovisi skladištenje i prijenos njenih nasljednih informacija. DNK, koju je davne 1868. godine otkrio F. Miescher, je molekul s izraženim kiselim svojstvima. Naučnik ga je izolovao iz jezgara leukocita - ćelija imunog sistema. Tokom narednih 50 godina, istraživanja nukleinskih kiselina vršena su sporadično, budući da je većina biohemičara smatrala da su proteini glavne organske supstance odgovorne, između ostalog, za nasljedne osobine.
Od dešifrovanja strukture DNK od strane Watsona i Cricka 1953. godine, počela su ozbiljna istraživanja koja su otkrila da je deoksiribonukleinska kiselina polimer, a nukleotidi služe kao monomeri DNK. Njihove vrste i strukturu ćemo proučavati u ovom radu.
Nukleotidi kao strukturne jedinice nasljedne informacije
Jedno od osnovnih svojstava žive materije je očuvanje i prenošenje informacija o strukturi i funkcijama kako ćelije tako i celog organizmaopćenito. Tu ulogu igra deoksiribonukleinska kiselina, a DNK monomeri - nukleotidi su svojevrsne "cigle" od kojih se gradi jedinstvena struktura supstance naslijeđa. Razmotrimo kojim se znakovima vodio divlji život kada je stvarao superkolu nukleinske kiseline.
Kako nastaju nukleotidi
Da bismo odgovorili na ovo pitanje, potrebno nam je malo znanja iz organske hemije. Posebno podsjećamo da u prirodi postoji grupa heterocikličkih glikozida koji sadrže dušik u kombinaciji s monosaharidima - pentozama (deoksiriboza ili riboza). Zovu se nukleozidi. Na primjer, adenozin i druge vrste nukleozida prisutni su u citosolu ćelije. Ulaze u reakciju esterifikacije s molekulima ortofosforne kiseline. Proizvodi ovog procesa bit će nukleotidi. Svaki DNK monomer, a postoje četiri tipa, ima ime, kao što su nukleotidi guanina, timina i citozina.
Purinski monomeri DNK
U biohemiji je usvojena klasifikacija koja dijeli DNK monomere i njihovu strukturu u dvije grupe: na primjer, adenin i guanin nukleotidi su purini. Sadrže derivate purina, organske supstance sa formulom C5H4N44. DNK monomer, gvaninski nukleotid, takođe sadrži purinsku azotnu bazu povezanu sa deoksiribozom N-glikozidnom vezom u beta konfiguraciji.
Pirimidinski nukleotidi
Azotne baze,citidin i timidin, derivati su organske supstance pirimidina. Njegova formula je C4H4N2. Molekul je šesteročlani planarni heterocikl koji sadrži dva atoma dušika. Poznato je da umjesto nukleotida timina, molekuli ribonukleinske kiseline, kao što su rRNA, tRNA i mRNA, sadrže uracil monomer. Tokom transkripcije, tokom prijenosa informacija sa gena DNK na molekulu mRNA, nukleotid timina zamjenjuje se adeninom, a nukleotid adenina zamjenjuje uracil u sintetiziranom lancu mRNA. To jest, sljedeći zapis će biti pošten: A - U, T - A.
Chargaff pravilo
U prethodnom odeljku, već smo se delimično dotakli principa korespondencije između monomera u lancima DNK i u kompleksu gen-mRNA. Čuveni biohemičar E. Chargaff ustanovio je potpuno jedinstveno svojstvo molekula deoksiribonukleinske kiseline, a to je da je broj nukleotida adenina u njoj uvijek jednak timinu, a guanin - citozinu. Glavna teorijska osnova Chargaffovih principa bila je istraživanje Watsona i Cricka, koji su ustanovili koji monomeri čine molekul DNK i kakvu prostornu organizaciju imaju. Drugi obrazac, koji je izveo Chargaff i nazvan princip komplementarnosti, ukazuje na hemijski odnos purinskih i pirimidinskih baza i njihovu sposobnost da formiraju vodonične veze kada su u međusobnoj interakciji. To znači da je raspored monomera u oba lanca DNK strogo određen: na primjer, suprotno od A prvog lanca DNK može bitisamo je T različit i između njih nastaju dvije vodikove veze. Nasuprot nukleotidu gvanina, može se locirati samo citozin. U ovom slučaju, između azotnih baza formiraju se tri vodikove veze.
Uloga nukleotida u genetskom kodu
Da bi se izvršila reakcija biosinteze proteina koja se odvija u ribosomima, postoji mehanizam za prenošenje informacija o sastavu aminokiselina peptida iz mRNA nukleotidne sekvence u sekvencu aminokiselina. Ispostavilo se da tri susjedna monomera nose informaciju o jednoj od 20 mogućih aminokiselina. Ovaj fenomen se naziva genetski kod. U rješavanju problema iz molekularne biologije koristi se za određivanje aminokiselinskog sastava peptida i za pojašnjenje pitanja: koji monomeri formiraju molekulu DNK, drugim riječima, kakav je sastav odgovarajućeg gena. Na primjer, AAA triplet (kodon) u genu kodira aminokiselinu fenilalanin u molekulu proteina, au genetskom kodu će odgovarati UUU tripletu u lancu mRNA.
Interakcija nukleotida u procesu reduplikacije DNK
Kao što je ranije otkriveno, strukturne jedinice, DNK monomeri su nukleotidi. Njihova specifična sekvenca u lancima je šablon za proces sinteze kćerke molekule dezoksiribonukleinske kiseline. Ovaj fenomen se javlja u S-stadijumu ćelijske interfaze. Nukleotidna sekvenca nove molekule DNK sastavlja se na matičnim lancima pod dejstvom enzima DNK polimeraze, uzimajući u obzir principkomplementarnost (A - T, D - C). Replikacija se odnosi na reakcije sinteze matrice. To znači da monomeri DNK i njihova struktura u matičnim lancima služe kao osnova, odnosno matrica za njenu podređenu kopiju.
Može li se promijeniti struktura nukleotida
Uzgred, recimo da je deoksiribonukleinska kiselina vrlo konzervativna struktura jezgra ćelije. Za to postoji logično objašnjenje: nasljedne informacije pohranjene u kromatinu jezgre moraju biti nepromijenjene i kopirane bez izobličenja. Pa, ćelijski genom je stalno "pod oružjem" faktora okoline. Na primjer, takvi agresivni hemijski spojevi kao što su alkohol, droge, radioaktivno zračenje. Svi su takozvani mutageni, pod čijim utjecajem bilo koji DNK monomer može promijeniti svoju kemijsku strukturu. Takvo izobličenje u biohemiji naziva se tačkasta mutacija. Učestalost njihovog pojavljivanja u ćelijskom genomu je prilično visoka. Mutacije se ispravljaju dobro funkcionišućim radom sistema za popravku ćelija, koji uključuje skup enzima.
Neke od njih, na primjer, restriktaze, "izrezuju" oštećene nukleotide, polimeraze obezbjeđuju sintezu normalnih monomera, ligaze "šiju" obnovljene dijelove gena. Ako iz nekog razloga gore opisani mehanizam ne funkcionira u ćeliji i defektni DNK monomer ostane u njenoj molekuli, mutacija se preuzima procesima sinteze matriksa i fenotipski se manifestira u obliku proteina s oštećenim svojstvima. nisu u stanju da obavljaju potrebne funkcije koje su im svojstvenećelijskog metabolizma. Ovo je ozbiljan negativan faktor koji smanjuje vitalnost ćelije i skraćuje njen životni vijek.
