Nukleinske kiseline, posebno DNK, prilično su poznate u znanosti. To se objašnjava činjenicom da su to tvari stanice, o kojima ovisi pohrana i prijenos njezinih nasljednih informacija. DNK, koju je davne 1868. godine otkrio F. Miescher, je molekula s izraženim kiselim svojstvima. Znanstvenik ga je izolirao iz jezgri leukocita - stanica imunološkog sustava. Tijekom sljedećih 50 godina, istraživanja nukleinskih kiselina provodila su se sporadično, budući da je većina biokemičara smatrala da su proteini glavne organske tvari odgovorne, između ostalog, za nasljedna svojstva.
Od dešifriranja 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 temeljnih svojstava žive tvari je očuvanje i prijenos informacija o strukturi i funkcijama stanice i cijelog organizmaopćenito. Tu ulogu ima deoksiribonukleinska kiselina, a DNK monomeri – nukleotidi su svojevrsne „cigle“od kojih se gradi jedinstvena struktura tvari nasljeđa. Razmotrimo kojim se znakovima vodio divlji svijet kada je stvarao superkolu nukleinske kiseline.
Kako nastaju nukleotidi
Da bismo odgovorili na ovo pitanje, potrebno nam je malo znanja iz organske kemije. Posebno podsjećamo da u prirodi postoji skupina 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 stanice. Ulaze u reakciju esterifikacije s molekulama ortofosforne kiseline. Produkti ovog procesa bit će nukleotidi. Svaki DNK monomer, a postoje četiri vrste, ima naziv, kao što su nukleotidi guanina, timina i citozina.
Purinski monomeri DNK
U biokemiji je usvojena klasifikacija koja dijeli DNA monomere i njihovu strukturu u dvije skupine: na primjer, adenin i guanin nukleotidi su purini. Sadrže derivate purina, organske tvari formule C5H4N44. DNA monomer, gvaninski nukleotid, također sadrži purinsku dušičnu bazu povezanu s deoksiribozom N-glikozidnom vezom u beta konfiguraciji.
Pirimidinski nukleotidi
Dušične baze,zvani citidin i timidin, derivati su organske tvari pirimidina. Njegova formula je C4H4N2. Molekula je šesteročlani planarni heterocikl koji sadrži dva atoma dušika. Poznato je da umjesto nukleotida timina, molekule ribonukleinske kiseline, kao što su rRNA, tRNA i mRNA, sadrže uracil monomer. Tijekom transkripcije, tijekom prijenosa informacija s gena DNA na molekulu mRNA, nukleotid timina zamjenjuje se adeninom, a nukleotid adenina u sintetiziranom lancu mRNA zamjenjuje se uracilom. To jest, sljedeći zapis će biti pošten: A - U, T - A.
Chargaff pravilo
U prethodnom odjeljku već smo djelomično dotaknuli principe korespondencije između monomera u lancima DNA i u kompleksu gen-mRNA. Poznati biokemičar E. Chargaff ustanovio je potpuno jedinstveno svojstvo molekula deoksiribonukleinske kiseline, naime, da je broj adenin nukleotida u njoj uvijek jednak timinu, a guanin - citozinu. Glavna teorijska osnova Chargaffovih principa bila su istraživanja Watsona i Cricka, koji su ustanovili koji monomeri čine molekulu DNK i kakvu prostornu organizaciju imaju. Drugi uzorak, koji je izveo Chargaff i nazvan princip komplementarnosti, ukazuje na kemijski odnos purinskih i pirimidinskih baza i njihovu sposobnost stvaranja vodikovih veza pri međusobnoj interakciji. To znači da je raspored monomera u oba lanca DNK strogo određen: na primjer, suprotno od A prvog lanca DNA može bitisamo je T različit i između njih nastaju dvije vodikove veze. Nasuprot gvaninskom nukleotidu može se nalaziti samo citozin. U ovom slučaju nastaju tri vodikove veze između dušičnih baza.
Uloga nukleotida u genetskom kodu
Za provedbu reakcije biosinteze proteina koja se odvija u ribosomima, postoji mehanizam za prijenos informacija o sastavu aminokiselina peptida iz mRNA nukleotidne sekvence u aminokiselinsku sekvencu. Pokazalo se da tri susjedna monomera nose informaciju o jednoj od 20 mogućih aminokiselina. Taj se fenomen naziva genetski kod. U rješavanju problema iz molekularne biologije koristi se za određivanje sastava aminokiselina peptida i za pojašnjenje pitanja: koji monomeri tvore molekulu DNA, drugim riječima, kakav je sastav odgovarajućeg gena. Na primjer, AAA triplet (kodon) u genu kodira aminokiselinu fenilalanin u proteinskoj molekuli, a u genetskom kodu odgovarat će UUU tripletu u lancu mRNA.
Interakcija nukleotida u procesu reduplikacije DNA
Kao što je ranije otkriveno, strukturne jedinice, DNA monomeri su nukleotidi. Njihov specifičan slijed u lancima je predložak za proces sinteze kćerke molekule deoksiribonukleinske kiseline. Ovaj fenomen se javlja u S-stadiju stanične interfaze. Nukleotidni slijed nove molekule DNA sastavlja se na matičnim lancima pod djelovanjem enzima DNA 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 roditeljskim lancima služe kao osnova, odnosno matrica za njegovu podređenu kopiju.
Može li se promijeniti struktura nukleotida
Usput, recimo da je deoksiribonukleinska kiselina vrlo konzervativna struktura stanične jezgre. Za to postoji logično objašnjenje: nasljedna informacija pohranjena u kromatinu jezgre mora biti nepromijenjena i kopirana bez izobličenja. Pa, stanični genom je stalno "pod oružjem" okolišnih čimbenika. Na primjer, takvi agresivni kemijski 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 biokemiji naziva se točkasta mutacija. Učestalost njihove pojave u staničnom genomu je prilično visoka. Mutacije se ispravljaju dobro funkcionirajućim radom sustava za popravak stanica, koji uključuje skup enzima.
Neke od njih, na primjer, restriktaze, "izrezuju" oštećene nukleotide, polimeraze osiguravaju sintezu normalnih monomera, ligaze "šivaju" obnovljene dijelove gena. Ako iz nekog razloga gore opisani mehanizam ne funkcionira u stanici i defektni DNA monomer ostane u njezinoj molekuli, mutacija se preuzima procesima sinteze matriksa i fenotipski se manifestira u obliku proteina s narušenim svojstvima. nisu u stanju obavljati potrebne funkcije koje su im svojstvene ustanični metabolizam. Ovo je ozbiljan negativni čimbenik koji smanjuje vitalnost stanice i skraćuje njezin životni vijek.
