A bolygó összes élete sok sejtből áll, amelyek a sejtmagban található genetikai információknak köszönhetően fenntartják szervezetük rendezettségét. A monomer egységekből - nukleotidokból álló komplex nagy molekulatömegű vegyületek - nukleinsavak - tárolják, implementálják és továbbítják. A nukleinsavak szerepét nem lehet túlbecsülni. Szerkezetük stabilitása meghatározza a szervezet normális élettevékenységét, és a szerkezet bármilyen eltérése elkerülhetetlenül a sejtek szerveződésének, a fiziológiai folyamatok aktivitásának és a sejtek egészének életképességének megváltozásához vezet.
A nukleotid fogalma és tulajdonságai
Minden DNS- vagy RNS-molekula kisebb monomer vegyületekből – nukleotidokból – áll össze. Más szóval, a nukleotid nukleinsavak, koenzimek és sok más biológiai vegyület építőanyaga, amelyek nélkülözhetetlenek egy sejt élete során.
A pótolhatatlanok főbb tulajdonságaihozanyagok hozzárendelhetők:
• információk tárolása a fehérjeszerkezetről és az öröklött tulajdonságokról;
• a növekedés és szaporodás szabályozása;
• részvétel az anyagcserében és sok más, a sejtben végbemenő élettani folyamatban.
Nukleotid-összetétel
Ha már a nukleotidokról beszélünk, akkor nem maradhat le egy olyan fontos kérdésnél, mint a szerkezetük és az összetételük.
Minden nukleotid a következőkből áll:
• cukormaradék;
• nitrogéntartalmú bázis;
• foszfátcsoport vagy foszforsav-maradék.
Elmondható, hogy a nukleotid összetett szerves vegyület. A nitrogénbázisok fajösszetételétől és a nukleotidszerkezetben lévő pentóz típusától függően a nukleinsavakat a következőkre osztják:
• dezoxiribonukleinsav vagy DNS;
• ribonukleinsav vagy RNS.
A nukleinsavak összetétele
A nukleinsavakban a cukrot pentóz képviseli. Ez egy öt szénatomos cukor, a DNS-ben dezoxiribóznak, az RNS-ben ribóznak hívják. Minden pentózmolekula öt szénatomot tartalmaz, amelyek közül négy egy oxigénatommal együtt öttagú gyűrűt alkot, az ötödik pedig a HO-CH2 csoport része.
A pentózmolekulában az egyes szénatomok helyzetét egy arab szám jelöli prímszámmal (1C´, 2C´, 3C´, 4C´, 5C´). Mivel a nukleinsavmolekulák örökletes információinak kiolvasásának minden folyamata szigorú irányvonalú, a szénatomok számozása és a gyűrűben való elrendeződésük a helyes irány egyfajta mutatójaként szolgál.
A hidroxilcsoport szerint aa harmadik és ötödik szénatomhoz (3С´ és 5С´) foszforsav-maradék kapcsolódik. Meghatározza a DNS és az RNS kémiai hovatartozását a savak csoportjához.
A cukormolekula első szénatomjához (1С´) egy nitrogénbázis kapcsolódik.
A nitrogéntartalmú bázisok fajösszetétele
A nitrogénbázisú DNS-nukleotidokat négy típus képviseli:
• adenin (A);
• guanin (G);
• citozin (C);
• timin (T).
Az első kettő purin, az utolsó kettő pirimidinek. Molekulatömeg alapján a purinok mindig nehezebbek, mint a pirimidinek.
A nitrogénbázisú RNS-nukleotidok a következők:
• adenin (A);
• guanin (G);
• citozin (C);
• uracil (U).
Az uracil, akárcsak a timin, egy pirimidinbázis.
A tudományos irodalomban gyakran találkozhatunk a nitrogénbázisok más megjelölésével – latin betűkkel (A, T, C, G, U).
Lakozzunk részletesebben a purinok és pirimidinek kémiai szerkezetével.
A pirimidinek, nevezetesen a citozin, a timin és az uracil, két nitrogénatommal és négy szénatommal képviseltetik, és egy hattagú gyűrűt alkotnak. Minden atomnak megvan a saját száma 1-től 6-ig.
A purinok (adenin és guanin) pirimidinből és imidazolból vagy két heterociklusból állnak. A purinbázis molekulát négy nitrogénatom és öt szénatom képviseli. Minden atom 1-től 9-ig van számozva.
A nitrogénkötés eredményekéntegy bázis és egy pentózmaradék nukleozidot alkot. A nukleotid egy nukleozid és egy foszfát csoport kombinációja.
Foszfodiészter kötések kialakulása
Fontos megérteni azt a kérdést, hogy a nukleotidok hogyan kapcsolódnak össze egy polipeptidláncban, és hogyan alkotnak nukleinsavmolekulát. Ez az úgynevezett foszfodiészter kötéseknek köszönhető.
Két nukleotid kölcsönhatása egy dinukleotidot eredményez. Egy új vegyület képződése kondenzációval megy végbe, amikor az egyik monomer foszfátmaradéka és a másik monomerének pentózának hidroxilcsoportja között foszfodiészter kötés jön létre.
Egy polinukleotid szintézise ennek a reakciónak a megismétlése (több milliószor). A polinukleotid lánc a cukrok harmadik és ötödik szénatomja (3С´ és 5С´) közötti foszfodiészter kötéseken keresztül épül fel.
A polinukleotid összeállítás egy összetett folyamat, amely a DNS polimeráz enzim részvételével megy végbe, és amely biztosítja a lánc növekedését csak az egyik végétől (3´) szabad hidroxicsoporttal.
A DNS-molekula szerkezete
A DNS-molekulák, akárcsak a fehérjék, rendelkezhetnek elsődleges, másodlagos és harmadlagos szerkezettel.
A DNS-lánc nukleotidsorrendje határozza meg annak elsődleges szerkezetét. A másodlagos szerkezetet hidrogénkötések alkotják, amelyek a komplementaritás elvén alapulnak. Más szóval, a DNS kettős hélix szintézise során egy bizonyos minta működik: az egyik lánc adeninje a másik timinjének, a guanin a citozinnak és fordítva. Adenin és timin vagy guanin és citozin párokelső esetben kettő, az utolsó esetben három hidrogénkötés miatt jönnek létre. A nukleotidok ilyen kapcsolata erős kötést biztosít a láncok között, és egyenlő távolságot biztosít közöttük.
Az egyik DNS-szál nukleotidszekvenciájának ismeretében a másodikat a komplementaritás vagy az összeadás elve szerint egészítheti ki.
A DNS harmadlagos szerkezetét összetett, háromdimenziós kötések alkotják, így molekulája kompaktabbá válik, és képes elférni egy kis sejttérfogatban. Így például az E. coli DNS hossza több mint 1 mm, míg a sejt hossza kevesebb, mint 5 mikron.
A DNS-ben lévő nukleotidok száma, nevezetesen azok mennyiségi aránya, megfelel a Chergaff-szabálynak (a purinbázisok száma mindig megegyezik a pirimidinbázisok számával). A nukleotidok közötti távolság állandó érték, amely 0,34 nm, csakúgy, mint a molekulatömegük.
Az RNS-molekula szerkezete
Az
RNS-t egyetlen polinukleotid lánc képviseli, amely pentóz (ebben az esetben ribóz) és foszfátmaradék közötti kovalens kötéseken keresztül jön létre. Hosszúsága sokkal rövidebb, mint a DNS. Különbségek vannak a nukleotidban lévő nitrogénbázisok fajösszetételében is. Az RNS-ben uracilt használnak a timin pirimidinbázisa helyett. A szervezetben végzett funkcióktól függően az RNS háromféle lehet.
• Riboszomális (rRNS) – általában 3000-5000 nukleotidot tartalmaz. Szükséges szerkezeti komponensként részt vesz a riboszómák aktív centrumának kialakításában, amely a sejt egyik legfontosabb folyamatának helyszíne.- fehérje bioszintézis.
• Transport (tRNS) - átlagosan 75 - 95 nukleotidból áll, átviszi a kívánt aminosavat a riboszómában a polipeptid szintézis helyére. Minden tRNS-típusnak (legalább 40-nek) megvan a maga egyedi monomer- vagy nukleotid-szekvenciája.
• Információs (mRNS) – nagyon változatos a nukleotid-összetételben. Genetikai információt visz át a DNS-ből a riboszómákba, mátrixként működik egy fehérjemolekula szintézisében.
A nukleotidok szerepe a szervezetben
A sejtben lévő nukleotidok számos fontos funkciót látnak el:
• a nukleinsavak építőkövei (a purin és pirimidin sorozat nukleotidjai);
• részt vesznek számos anyagcsere-folyamatban a sejtben;
• az ATP részei - a sejtek fő energiaforrása;
• redukáló ekvivalensek hordozójaként működnek a sejtekben (NAD+, NADP+, FAD, FMN);
• ellátják a bioregulátorok funkcióját;
• az extracelluláris rendszeres szintézis második hírvivőjének tekinthető (például cAMP vagy cGMP).
A nukleotid egy monomer egység, amely összetettebb vegyületeket - nukleinsavakat - képez, amelyek nélkül a genetikai információ átadása, tárolása és szaporodása lehetetlen. A szabad nukleotidok a jelátviteli és energiafolyamatok fő összetevői, amelyek támogatják a sejtek és a test egészének normális működését.
