Visa gyvybė planetoje susideda iš daugybės ląstelių, kurios palaiko savo organizacijos tvarkingumą dėl branduolyje esančios genetinės informacijos. Jį saugo, įgyvendina ir perduoda sudėtingi didelės molekulinės masės junginiai – nukleino rūgštys, susidedantys iš monomerų vienetų – nukleotidų. Nukleino rūgščių vaidmens negalima pervertinti. Jų sandaros stabilumas lemia normalią gyvybinę organizmo veiklą, o bet kokie struktūros nukrypimai neišvengiamai lems ląstelių organizavimo, fiziologinių procesų aktyvumo ir visų ląstelių gyvybingumo pokyčius.
Nukleotido samprata ir jo savybės
Kiekviena DNR arba RNR molekulė yra surenkama iš mažesnių monomerinių junginių – nukleotidų. Kitaip tariant, nukleotidas yra statybinė medžiaga nukleino rūgštims, kofermentams ir daugeliui kitų biologinių junginių, būtinų ląstelei jos gyvavimo metu.
Prie pagrindinių šių nepakeičiamų savybiųmedžiagos gali būti priskirtos:
• informacijos apie b altymų struktūrą ir paveldimas savybes saugojimas;
• augimo ir dauginimosi kontrolė;
• dalyvavimas medžiagų apykaitoje ir daugelyje kitų ląstelėje vykstančių fiziologinių procesų.
Nukleotidų sudėtis
Kalbant apie nukleotidus, galima neapsiriboti tokiu svarbiu klausimu kaip jų struktūra ir sudėtis.
Kiekvieną nukleotidą sudaro:
• cukraus likutis;
• azoto bazė;
• fosfatų grupė arba fosforo rūgšties likutis.
Galima sakyti, kad nukleotidas yra sudėtingas organinis junginys. Priklausomai nuo azoto bazių rūšinės sudėties ir pentozės tipo nukleotidų struktūroje, nukleorūgštys skirstomos į:
• dezoksiribonukleorūgštis arba DNR;
• ribonukleorūgštis arba RNR.
Nukleino rūgščių sudėtis
Nukleino rūgštyse cukrus pavaizduotas pentoze. Tai yra penkių anglies cukrus, DNR jis vadinamas dezoksiriboze, RNR - riboze. Kiekviena pentozės molekulė turi penkis anglies atomus, iš kurių keturi kartu su deguonies atomu sudaro penkių narių žiedą, o penktoji yra HO-CH2 grupės dalis.
Kiekvieno anglies atomo padėtis pentozės molekulėje pažymėta arabišku skaitmeniu su pirminiu skaitmeniu (1C´, 2C´, 3C´, 4C´, 5C´). Kadangi visi paveldimos informacijos nuskaitymo iš nukleorūgšties molekulės procesai turi griežtą kryptį, anglies atomų numeracija ir jų išsidėstymas žiede yra tam tikras teisingos krypties indikatorius.
Pagal hidroksilo grupę įprie trečiojo ir penktojo anglies atomų (3С´ ir 5С´) prisijungusi fosforo rūgšties liekana. Jis nustato cheminę DNR ir RNR priklausomybę rūgščių grupei.
Azoto bazė yra prijungta prie pirmojo anglies atomo (1С´) cukraus molekulėje.
Azoto bazių rūšinė sudėtis
DNR nukleotidai pagal azoto bazę yra pavaizduoti keturiais tipais:
• adeninas (A);
• guaninas (G);
• citozinas (C);
• timinas (T).
Pirmieji du yra purinai, du paskutiniai yra pirimidinai. Pagal molekulinę masę purinai visada yra sunkesni už pirimidinus.
RNR nukleotidai azoto baze pavaizduoti:
• adeninas (A);
• guaninas (G);
• citozinas (C);
• uracilas (U).
Uracilas, kaip ir timinas, yra pirimidino bazė.
Mokslinėje literatūroje dažnai galima rasti kitą azoto bazių žymėjimą – lotyniškomis raidėmis (A, T, C, G, U).
Pasigyvenkime išsamiau ties purinų ir pirimidinų chemine struktūra.
Pirimidinai, būtent citozinas, timinas ir uracilas, yra pavaizduoti dviem azoto atomais ir keturiais anglies atomais, kurie sudaro šešių narių žiedą. Kiekvienas atomas turi savo skaičių nuo 1 iki 6.
Purinai (adeninas ir guaninas) susideda iš pirimidino ir imidazolo arba dviejų heterociklų. Purino bazės molekulę sudaro keturi azoto atomai ir penki anglies atomai. Kiekvienas atomas sunumeruotas nuo 1 iki 9.
Dėl azoto jungtiesbazė ir pentozės liekana sudaro nukleozidą. Nukleotidas yra nukleozido ir fosfato grupės derinys.
Fosfodiesterio jungčių susidarymas
Svarbu suprasti klausimą, kaip nukleotidai susijungia polipeptidinėje grandinėje ir sudaro nukleorūgšties molekulę. Taip nutinka dėl vadinamųjų fosfodiesterio jungčių.
Dviejų nukleotidų sąveika sukuria dinukleotidą. Naujas junginys susidaro kondensacijos būdu, kai tarp vieno monomero fosfato liekanos ir kito monomero pentozės hidroksi grupės susidaro fosfodiesterio jungtis.
Polinukleotido sintezė yra šios reakcijos kartojimas (kelis milijonus kartų). Polinukleotidų grandinė sudaroma formuojant fosfodiesterio ryšius tarp trečiojo ir penktojo cukrų anglies atomų (3С´ ir 5С´).
Polinukleotidų surinkimas yra sudėtingas procesas, vykstantis dalyvaujant DNR polimerazės fermentui, kuris užtikrina grandinės augimą tik iš vieno galo (3´) su laisva hidroksi grupe.
DNR molekulės struktūra
DNR molekulė, kaip ir b altymas, gali turėti pirminę, antrinę ir tretinę struktūrą.
Nukleotidų seka DNR grandinėje lemia jos pirminę struktūrą. Antrinę struktūrą sudaro vandeniliniai ryšiai, pagrįsti komplementarumo principu. Kitaip tariant, DNR dvigubos spiralės sintezės metu veikia tam tikras modelis: vienos grandinės adeninas atitinka kitos timiną, guaninas – citoziną ir atvirkščiai. Adenino ir timino arba guanino ir citozino porossusidaro dėl dviejų pirmuoju ir trijų paskutiniu atveju vandenilinių ryšių. Toks nukleotidų ryšys užtikrina stiprų ryšį tarp grandinių ir vienodą atstumą tarp jų.
Žinodami vienos DNR grandinės nukleotidų seką, antrąją galite užbaigti papildomumo arba sudėjimo principu.
Tretinę DNR struktūrą sudaro sudėtingi trimačiai ryšiai, todėl jos molekulė tampa kompaktiškesnė ir gali tilpti į mažą ląstelės tūrį. Taigi, pavyzdžiui, E. coli DNR ilgis yra didesnis nei 1 mm, o ląstelės ilgis yra mažesnis nei 5 mikronai.
Nukleotidų skaičius DNR, būtent jų kiekybinis santykis, atitinka Chergaff taisyklę (purino bazių skaičius visada lygus pirimidino bazių skaičiui). Atstumas tarp nukleotidų yra pastovi reikšmė, lygi 0,34 nm, kaip ir jų molekulinė masė.
RNR molekulės struktūra
RNR vaizduoja viena polinukleotidų grandinė, susidaranti kovalentiniais ryšiais tarp pentozės (šiuo atveju ribozės) ir fosfato liekanos. Jis yra daug trumpesnis nei DNR. Taip pat skiriasi nukleotidų azoto bazių rūšinė sudėtis. RNR vietoj timino pirimidino bazės naudojamas uracilas. Priklausomai nuo organizme atliekamų funkcijų, RNR gali būti trijų tipų.
• Ribosominė (rRNR) – paprastai turi nuo 3000 iki 5000 nukleotidų. Kaip būtinas struktūrinis komponentas, jis dalyvauja formuojant aktyvųjį ribosomų centrą – vieno iš svarbiausių procesų ląstelėje vietą.- b altymų biosintezė.
• Transportas (tRNR) - susideda vidutiniškai iš 75 - 95 nukleotidų, perneša norimą aminorūgštį į polipeptidų sintezės vietą ribosomoje. Kiekvienas tRNR tipas (mažiausiai 40) turi savo unikalią monomerų arba nukleotidų seką.
• Informacinė (mRNR) – labai įvairi nukleotidų sudėtis. Perkelia genetinę informaciją iš DNR į ribosomas, veikia kaip b altymo molekulės sintezės matrica.
Nukleotidų vaidmuo organizme
Nukleotidai ląstelėje atlieka keletą svarbių funkcijų:
• yra naudojami kaip nukleorūgščių (purino ir pirimidino serijos nukleotidų) statybiniai blokai;
• dalyvauja daugelyje medžiagų apykaitos procesų ląstelėje;
• yra ATP dalis. - pagrindinis energijos š altinis ląstelėse;
• veikia kaip redukuojančių ekvivalentų nešėjai ląstelėse (NAD+, NADP+, FAD, FMN);
• atlieka bioreguliatorių funkciją;
• gali būti laikomi antraisiais tarpląstelinės reguliarios sintezės pasiuntiniais (pavyzdžiui, cAMP arba cGMP).
Nukleotidas yra monomerinis vienetas, formuojantis sudėtingesnius junginius – nukleino rūgštis, be kurių neįmanomas genetinės informacijos perdavimas, saugojimas ir dauginimasis. Laisvieji nukleotidai yra pagrindiniai komponentai, dalyvaujantys signalizacijos ir energijos procesuose, kurie palaiko normalų ląstelių ir viso kūno funkcionavimą.
