Sav život na planeti sastoji se od mnogih ćelija koje održavaju urednost svoje organizacije zahvaljujući genetskim informacijama sadržanim u jezgru. Pohranjuju, implementiraju i prenose složena visokomolekularna jedinjenja - nukleinske kiseline, koje se sastoje od monomernih jedinica - nukleotida. Uloga nukleinskih kiselina ne može se precijeniti. Stabilnost njihove strukture određuje normalnu vitalnu aktivnost organizma, a svaka odstupanja u strukturi neminovno će dovesti do promjene u ćelijskoj organizaciji, aktivnosti fizioloških procesa i vitalnosti ćelija u cjelini.
Koncept nukleotida i njegova svojstva
Svaki molekul DNK ili RNK sastavljen je od manjih monomernih jedinjenja - nukleotida. Drugim riječima, nukleotid je građevinski materijal za nukleinske kiseline, koenzime i mnoga druga biološka jedinjenja koja su bitna za ćeliju tokom njenog života.
Na glavna svojstva ovih nezamjenjivihsupstance se mogu pripisati:
• skladištenje informacija o strukturi proteina i naslijeđenim osobinama;
• kontrola rasta i reprodukcije;
• učešće u metabolizmu i mnogim drugim fiziološkim procesima koji se odvijaju u ćeliji.
Nukleotidni sastav
Kad smo već kod nukleotida, ne možemo a da se ne zadržimo na tako važnom pitanju kao što su njihova struktura i sastav.
Svaki nukleotid se sastoji od:
• ostatak šećera;
• azotna baza;
• fosfatna grupa ili ostatak fosforne kiseline.
Može se reći da je nukleotid složeno organsko jedinjenje. U zavisnosti od sastava vrsta dušičnih baza i vrste pentoze u nukleotidnoj strukturi, nukleinske kiseline se dijele na:
• deoksiribonukleinska kiselina, ili DNK;
• ribonukleinska kiselina, ili RNA.
Sastav nukleinskih kiselina
U nukleinskim kiselinama, šećer je predstavljen pentozom. Ovo je šećer sa pet ugljenika, u DNK se zove deoksiriboza, u RNK se zove riboza. Svaki molekul pentoze ima pet atoma ugljika, od kojih četiri zajedno sa atomom kiseonika formiraju petočlani prsten, a peti je dio HO-CH2 grupe.
Položaj svakog atoma ugljika u molekulu pentoze označen je arapskim brojem sa prostim brojem (1C´, 2C´, 3C´, 4C´, 5C´). Budući da svi procesi čitanja nasljednih informacija iz molekula nukleinske kiseline imaju strogi smjer, numeriranje atoma ugljika i njihov raspored u prstenu služe kao svojevrsni pokazatelji pravog smjera.
Prema hidroksilnoj grupi doostatak fosforne kiseline je vezan za treći i peti atom ugljika (3S´ i 5S´). Određuje hemijsku pripadnost DNK i RNK grupi kiselina.
Azotna baza je vezana za prvi atom ugljika (1S´) u molekulu šećera.
Sastav vrste azotnih baza
DNK nukleotidi po azotnoj bazi su predstavljeni sa četiri tipa:
• adenin (A);
• gvanin (G);
• citozin (C);
• timin (T).
Prva dva su purini, zadnja dva su pirimidini. Po molekularnoj težini, purini su uvijek teži od pirimidina.
RNA nukleotidi po azotnoj bazi su predstavljeni sa:
• adenin (A);
• gvanin (G);
• citozin (C);
• uracil (U).
Uracil, kao i timin, je baza pirimidina.
U naučnoj literaturi se često može naći još jedna oznaka azotnih baza - latiničnim slovima (A, T, C, G, U).
Zaustavimo se detaljnije na hemijskoj strukturi purina i pirimidina.
Pirimidini, odnosno citozin, timin i uracil, predstavljeni su sa dva atoma azota i četiri atoma ugljenika, formirajući šestočlani prsten. Svaki atom ima svoj broj od 1 do 6.
Purini (adenin i gvanin) se sastoje od pirimidina i imidazola ili dva heterocikla. Molekul baze purina predstavljen je sa četiri atoma dušika i pet atoma ugljika. Svaki atom je numerisan od 1 do 9.
Kao rezultat povezivanja azotnihbaza i pentozni ostatak formiraju nukleozid. Nukleotid je kombinacija nukleozida i fosfatne grupe.
Formiranje fosfodiestarskih veza
Važno je razumjeti pitanje kako su nukleotidi povezani u polipeptidni lanac i formiraju molekul nukleinske kiseline. Ovo se dešava zbog takozvanih fosfodiestarskih veza.
Interakcija dva nukleotida daje dinukleotid. Formiranje novog jedinjenja događa se kondenzacijom, kada se fosfodiesterska veza javlja između fosfatnog ostatka jednog monomera i hidroksi grupe pentoze drugog.
Sinteza polinukleotida je ponovljeno ponavljanje ove reakcije (nekoliko miliona puta). Polinukleotidni lanac je izgrađen formiranjem fosfodiestarskih veza između trećeg i petog ugljika šećera (3S´ i 5S´).
Sastavljanje polinukleotida je složen proces koji se odvija uz učešće enzima DNK polimeraze, koji osigurava rast lanca samo sa jednog kraja (3´) sa slobodnom hidroksi grupom.
Struktura DNK molekula
Molekul DNK, poput proteina, može imati primarnu, sekundarnu i tercijarnu strukturu.
Slijed nukleotida u lancu DNK određuje njegovu primarnu strukturu. Sekundarna struktura je formirana vodoničnim vezama, koje se zasnivaju na principu komplementarnosti. Drugim riječima, tokom sinteze dvostruke spirale DNK djeluje određeni obrazac: adenin jednog lanca odgovara timinu drugog, gvanin citozinu, i obrnuto. Parovi adenina i timina ili gvanina i citozinanastaju zbog dvije u prvom i tri u posljednjem slučaju vodikovih veza. Takva veza nukleotida osigurava snažnu vezu između lanaca i jednaku udaljenost između njih.
Poznavajući nukleotidnu sekvencu jednog lanca DNK, možete završiti drugi po principu komplementarnosti ili dodavanja.
Tercijarna struktura DNK formirana je složenim trodimenzionalnim vezama, što čini njenu molekulu kompaktnijom i sposobnom da stane u mali volumen ćelije. Tako, na primjer, dužina DNK E. coli je veća od 1 mm, dok je dužina ćelije manja od 5 mikrona.
Broj nukleotida u DNK, odnosno njihov kvantitativni odnos, poštuje Chergaffovo pravilo (broj purinskih baza je uvijek jednak broju pirimidinskih baza). Udaljenost između nukleotida je konstantna vrijednost jednaka 0,34 nm, kao i njihova molekularna težina.
Struktura RNK molekula
RNA je predstavljena jednim polinukleotidnim lancem formiranim kovalentnim vezama između pentoze (u ovom slučaju riboze) i fosfatnog ostatka. Po dužini je mnogo kraći od DNK. Postoje i razlike u sastavu vrsta azotnih baza u nukleotidu. U RNK se uracil koristi umjesto pirimidinske baze timina. U zavisnosti od funkcija koje se obavljaju u tijelu, RNK može biti tri tipa.
• Ribosomalna (rRNA) - obično sadrži od 3000 do 5000 nukleotida. Kao neophodna strukturna komponenta, učestvuje u formiranju aktivnog centra ribozoma, mesta jednog od najvažnijih procesa u ćeliji.- biosinteza proteina.
• Transport (tRNA) - sastoji se u proseku od 75 - 95 nukleotida, prenosi željenu aminokiselinu do mesta sinteze polipeptida u ribosomu. Svaki tip tRNK (najmanje 40) ima svoju jedinstvenu sekvencu monomera ili nukleotida.
• Informativna (mRNA) - veoma raznolika u sastavu nukleotida. Prenosi genetske informacije od DNK do ribozoma, djeluje kao matrica za sintezu proteinske molekule.
Uloga nukleotida u tijelu
Nukleotidi u ćeliji obavljaju niz važnih funkcija:
• se koriste kao gradivni blokovi za nukleinske kiseline (nukleotidi iz serije purina i pirimidina);
• uključeni su u mnoge metaboličke procese u ćeliji;
• su dio ATP-a - glavni izvor energije u ćelijama;
• djeluju kao nosioci redukcijskih ekvivalenata u ćelijama (NAD+, NADP+, FAD, FMN);
• vrše funkciju bioregulatora;
• mogu se smatrati sekundarnim glasnicima ekstracelularne regularne sinteze (na primjer, cAMP ili cGMP).
Nukleotid je monomerna jedinica koja formira složenija jedinjenja - nukleinske kiseline, bez kojih je nemoguć prenos genetske informacije, njeno skladištenje i reprodukcija. Slobodni nukleotidi su glavne komponente uključene u signalne i energetske procese koji podržavaju normalno funkcioniranje stanica i tijela u cjelini.
