Sav život na planeti sastoji se od mnogih stanica koje održavaju urednost svoje organizacije zahvaljujući genetskim informacijama sadržanim u jezgri. Pohranjuju, implementiraju i prenose složeni visokomolekularni spojevi - 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 stanične organizacije, aktivnosti fizioloških procesa i vitalnosti stanica u cjelini.
Koncept nukleotida i njegova svojstva
Svaka molekula DNA ili RNA sastavljena je od manjih monomernih spojeva - nukleotida. Drugim riječima, nukleotid je građevni materijal za nukleinske kiseline, koenzime i mnoge druge biološke spojeve koji su bitni za stanicu tijekom njenog života.
Na glavna svojstva ovih nezamjenjivihtvari se mogu pripisati:
• pohranjivanje informacija o strukturi proteina i naslijeđenim osobinama;
• kontrola rasta i razmnožavanja;
• sudjelovanje u metabolizmu i mnogim drugim fiziološkim procesima koji se odvijaju u stanici.
Nukleotidni sastav
Govoreći o nukleotidima, ne može se ne zadržati na tako važnom pitanju kao što su njihova struktura i sastav.
Svaki nukleotid se sastoji od:
• ostatak šećera;
• dušična baza;
• fosfatna skupina ili ostatak fosforne kiseline.
Može se reći da je nukleotid složen organski spoj. Ovisno o vrsti sastava dušičnih baza i vrsti 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 s pet ugljika, u DNK se zove deoksiriboza, u RNK se zove riboza. Svaka molekula pentoze ima pet ugljikovih atoma, od kojih četiri zajedno s atomom kisika tvore peteročlani prsten, a peti je dio HO-CH2 grupe.
Položaj svakog atoma ugljika u molekuli pentoze označen je arapskim brojem s prostim brojem (1C´, 2C´, 3C´, 4C´, 5C´). Budući da svi procesi čitanja nasljednih informacija iz molekule nukleinske kiseline imaju strogi smjer, numeriranje ugljikovih atoma i njihov raspored u prstenu služe kao svojevrsni pokazatelj pravog smjera.
Prema hidroksilnoj skupini dona treći i peti atom ugljika (3S´ i 5S´) vezan je ostatak fosforne kiseline. Određuje kemijsku pripadnost DNA i RNA skupini kiselina.
Dušična baza je vezana na prvi atom ugljika (1S´) u molekuli šećera.
Sastav vrste dušičnih baza
DNA nukleotidi prema dušičnoj bazi predstavljeni su s četiri tipa:
• adenin (A);
• gvanin (G);
• citozin (C);
• timin (T).
Prva dva su purini, posljednja dva su pirimidini. Po molekularnoj težini, purini su uvijek teži od pirimidina.
RNA nukleotidi prema dušičnom bazom predstavljeni su s:
• adenin (A);
• gvanin (G);
• citozin (C);
• uracil (U).
Uracil, poput timina, je pirimidinska baza.
U znanstvenoj literaturi često se može naći još jedna oznaka dušičnih baza - latiničnim slovima (A, T, C, G, U).
Zaustavimo se detaljnije na kemijskoj strukturi purina i pirimidina.
Pirimidini, naime citozin, timin i uracil, predstavljeni su s dva atoma dušika i četiri atoma ugljika, tvoreći šesteročlani prsten. Svaki atom ima svoj broj od 1 do 6.
Purini (adenin i gvanin) sastoje se od pirimidina i imidazola ili dva heterocikla. Molekula purinske baze predstavljena je s četiri atoma dušika i pet atoma ugljika. Svaki atom je numeriran od 1 do 9.
Kao rezultat povezivanja dušikabaza i pentozni ostatak tvore nukleozid. Nukleotid je kombinacija nukleozida i fosfatne skupine.
Formiranje fosfodiesterskih veza
Važno je razumjeti pitanje kako su nukleotidi povezani u polipeptidni lanac i tvore molekulu nukleinske kiseline. To se događa zbog takozvanih fosfodiestarskih veza.
Interakcija dva nukleotida daje dinukleotid. Stvaranje novog spoja događa se kondenzacijom, kada se fosfodiesterska veza javlja između fosfatnog ostatka jednog monomera i hidroksi skupine pentoze drugog.
Sinteza polinukleotida je ponovljeno ponavljanje ove reakcije (nekoliko milijuna puta). Polinukleotidni lanac izgrađen je stvaranjem fosfodiesterskih veza između trećeg i petog ugljika šećera (3S´ i 5S´).
Sastavljanje polinukleotida je složen proces koji se odvija uz sudjelovanje enzima DNA polimeraze, koji osigurava rast lanca samo s jednog kraja (3´) sa slobodnom hidroksi grupom.
Struktura molekule DNK
Molekula DNK, poput proteina, može imati primarnu, sekundarnu i tercijarnu strukturu.
Slijed nukleotida u lancu DNK određuje njegovu primarnu strukturu. Sekundarnu strukturu čine vodikove veze, koje se temelje na principu komplementarnosti. Drugim riječima, tijekom sinteze dvostruke spirale DNA 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 nukleotidni slijed jednog lanca DNK, možete dovršiti drugi po principu komplementarnosti ili zbrajanja.
Tercijarna struktura DNK formirana je složenim trodimenzionalnim vezama, što čini njegovu molekulu kompaktnijom i sposobnom da stane u mali volumen stanice. Tako je, na primjer, duljina DNK E. coli veća od 1 mm, dok je duljina stanice manja od 5 mikrona.
Broj nukleotida u DNK, odnosno njihov kvantitativni omjer, pokorava se Chergaffovom pravilu (broj purinskih baza uvijek je jednak broju pirimidinskih baza). Udaljenost između nukleotida je konstantna vrijednost jednaka 0,34 nm, kao i njihova molekularna težina.
Struktura RNA molekule
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. Također postoje razlike u sastavu vrsta dušičnih baza u nukleotidu. U RNK se umjesto pirimidinske baze timina koristi uracil. Ovisno o funkcijama koje se obavljaju u tijelu, RNA može biti tri vrste.
• Ribosomalna (rRNA) - obično sadrži od 3000 do 5000 nukleotida. Kao nužna strukturna komponenta, sudjeluje u formiranju aktivnog centra ribosoma, mjesta jednog od najvažnijih procesa u stanici.- biosinteza proteina.
• Transport (tRNA) - sastoji se u prosjeku od 75 - 95 nukleotida, prenosi željenu aminokiselinu na mjesto sinteze polipeptida u ribosomu. Svaka vrsta tRNA (najmanje 40) ima svoj jedinstveni slijed monomera ili nukleotida.
• Informacijska (mRNA) - vrlo raznolika u sastavu nukleotida. Prenosi genetske informacije s DNK na ribosome, djeluje kao matrica za sintezu proteinske molekule.
Uloga nukleotida u tijelu
Nukleotidi u stanici obavljaju niz važnih funkcija:
• koriste se kao građevni blokovi za nukleinske kiseline (nukleotidi iz serije purina i pirimidina);
• uključeni su u mnoge metaboličke procese u stanici;
• su dio ATP-a - glavni izvor energije u stanicama;
• djeluju kao nosioci redukcijskih ekvivalenata u stanicama (NAD+, NADP+, FAD, FMN);
• obavljaju funkciju bioregulatora;
• može se smatrati sekundarnim glasnicima izvanstanične regularne sinteze (na primjer, cAMP ili cGMP).
Nukleotid je monomerna jedinica koja tvori složenije spojeve - nukleinske kiseline, bez kojih je prijenos genetskih informacija, njihovo pohranjivanje i reprodukcija nemoguć. Slobodni nukleotidi su glavne komponente uključene u signalne i energetske procese koji podržavaju normalno funkcioniranje stanica i tijela u cjelini.
