Nukleiinhapped, eriti DNA, on teaduses üsna hästi tuntud. Seda seletatakse asjaoluga, et need on raku ained, millest sõltub tema päriliku teabe säilitamine ja edastamine. DNA, mille avastas 1868. aastal F. Miescher, on selgelt väljendunud happeliste omadustega molekul. Teadlane eraldas selle leukotsüütide tuumadest - immuunsüsteemi rakkudest. Järgmise 50 aasta jooksul viidi nukleiinhapete uuringuid läbi juhuslikult, kuna enamik biokeemikuid pidas valke peamisteks orgaanilisteks aineteks, mis muu hulgas vastutavad pärilike tunnuste eest.
Alates sellest, kui Watson ja Crick 1953. aastal DNA struktuuri dešifreerisid, algasid tõsised uuringud, mille käigus selgus, et desoksüribonukleiinhape on polümeer ja nukleotiidid toimivad DNA monomeeridena. Nende tüüpe ja struktuuri uurime selles töös.
Nukleotiidid kui päriliku teabe struktuuriüksused
Üks elusaine põhiomadusi on teabe säilitamine ja edastamine nii raku kui ka kogu organismi ehituse ja funktsioonide kohtaüldiselt. Seda rolli mängib desoksüribonukleiinhape ja DNA monomeerid - nukleotiidid on omamoodi "tellised", millest ehitatakse üles pärilikkusaine ainulaadne struktuur. Mõelgem, millistest märkidest metsloom nukleiinhappe superspiraali loomisel juhindus.
Kuidas nukleotiidid moodustuvad
Sellele küsimusele vastamiseks vajame mõningaid teadmisi orgaanilisest keemiast. Eelkõige tuletame meelde, et looduses on rühm lämmastikku sisaldavaid heterotsüklilisi glükosiide, mis on kombineeritud monosahhariididega - pentoosid (desoksüriboos või riboos). Neid nimetatakse nukleosiidideks. Näiteks on raku tsütosoolis adenosiin ja muud tüüpi nukleosiidid. Nad astuvad esterdamisreaktsiooni ortofosforhappe molekulidega. Selle protsessi saadused on nukleotiidid. Igal DNA monomeeril ja neid on nelja tüüpi, on nimi, näiteks guaniini, tümiini ja tsütosiini nukleotiidid.
DNA puriinmonomeerid
Biokeemias kasutatakse klassifikatsiooni, mis jagab DNA monomeerid ja nende struktuuri kahte rühma: näiteks adeniini ja guaniini nukleotiidid on puriin. Need sisaldavad puriini derivaate, orgaanilist ainet valemiga C5H4N44. DNA monomeer, guaniini nukleotiid, sisaldab ka puriini lämmastikku sisaldavat alust, mis on beetakonfiguratsioonis N-glükosiidsidemega ühendatud desoksüriboosiga.
Pürimidiini nukleotiidid
Lämmastikku sisaldavad alused,mida nimetatakse tsütidiiniks ja tümidiiniks, on orgaanilise aine pürimidiini derivaadid. Selle valem on C4H4N2. Molekul on kuueliikmeline tasapinnaline heterotsükkel, mis sisaldab kahte lämmastikuaatomit. On teada, et tümiini nukleotiidi asemel sisaldavad ribonukleiinhappemolekulid, nagu rRNA, tRNA ja mRNA, uratsiili monomeeri. Transkriptsiooni käigus asendub DNA geenist informatsiooni ülekande käigus mRNA molekuli tümiini nukleotiid adeniiniga ja adeniini nukleotiid uratsiiliga sünteesitud mRNA ahelas. See tähendab, et järgmine rekord on õiglane: A - U, T - A.
Tasustamise reegel
Eelmises osas oleme juba osaliselt puudutanud monomeeride vastavuse põhimõtteid DNA ahelates ja geeni-mRNA kompleksis. Kuulus biokeemik E. Chargaff tuvastas desoksüribonukleiinhappemolekulide täiesti ainulaadse omaduse, nimelt selle, et adeniini nukleotiidide arv selles on alati võrdne tümiiniga ja guaniini tsütosiiniga. Chargaffi põhimõtete peamiseks teoreetiliseks aluseks olid Watsoni ja Cricki uurimused, kes tegid kindlaks, millised monomeerid moodustavad DNA molekuli ja milline on nende ruumiline korraldus. Teine Chargaffi tuletatud muster, mida nimetatakse komplementaarsuse põhimõtteks, näitab puriini ja pürimidiini aluste keemilist seost ning nende võimet moodustada üksteisega suhtlemisel vesiniksidemeid. See tähendab, et monomeeride paigutus mõlemas DNA ahelas on rangelt määratud: näiteks võib esimese DNA ahela A vastand ollaainult T on erinev ja nende vahel tekib kaks vesiniksidet. Guaniini nukleotiidi vastas võib paikneda ainult tsütosiin. Sel juhul moodustub lämmastikualuste vahel kolm vesiniksidet.
Nukleotiidide roll geneetilises koodis
Ribosoomides toimuva valgu biosünteesi reaktsiooni läbiviimiseks on olemas mehhanism peptiidi aminohappelise koostise kohta teabe edastamiseks mRNA nukleotiidjärjestusest aminohappejärjestusse. Selgus, et kolm kõrvuti asetsevat monomeeri kannavad teavet ühe 20 võimalikust aminohappest. Seda nähtust nimetatakse geneetiliseks koodiks. Molekulaarbioloogia probleemide lahendamisel kasutatakse seda nii peptiidi aminohappelise koostise määramiseks kui ka küsimuse selgitamiseks: millised monomeerid moodustavad DNA molekuli ehk teisisõnu, milline on vastava geeni koostis. Näiteks geenis olev AAA kolmik (koodon) kodeerib valgu molekulis olevat aminohapet fenüülalaniini ja geneetilises koodis vastab see UUU kolmikule mRNA ahelas.
Nukleotiidide interaktsioon DNA reduplikatsiooni protsessis
Nagu varem selgus, on struktuuriüksused, DNA monomeerid nukleotiidid. Nende spetsiifiline järjestus ahelates on desoksüribonukleiinhappe tütarmolekuli sünteesi protsessi matriitsiks. See nähtus esineb raku interfaasi S-faasis. Uue DNA molekuli nukleotiidjärjestus komplekteeritakse DNA polümeraasi ensüümi toimel algahelatele, võttes arvesse põhimõtet.komplementaarsus (A - T, D - C). Replikatsioon viitab maatriksisünteesi reaktsioonidele. See tähendab, et DNA monomeerid ja nende struktuur lähteahelates on aluseks, st maatriksiks selle alamkoopia jaoks.
Kas nukleotiidi struktuur võib muutuda
Muide, oletame, et desoksüribonukleiinhape on raku tuuma väga konservatiivne struktuur. Sellel on loogiline seletus: tuuma kromatiini salvestatud pärilik teave peab olema muutumatu ja kopeeritud ilma moonutusteta. Noh, raku genoom on pidev alt keskkonnategurite "relva all". Näiteks sellised agressiivsed keemilised ühendid nagu alkohol, ravimid, radioaktiivne kiirgus. Kõik need on nn mutageenid, mille mõjul võib iga DNA monomeer muuta oma keemilist struktuuri. Sellist moonutust biokeemias nimetatakse punktmutatsiooniks. Nende esinemissagedus raku genoomis on üsna kõrge. Mutatsioonid korrigeeritakse raku parandamise süsteemi hästitoimiva tööga, mis sisaldab ensüümide komplekti.
Mõned neist, näiteks restriktaasid, "lõikavad välja" kahjustatud nukleotiide, polümeraasid tagavad normaalsete monomeeride sünteesi, ligaasid "õmblevad" geeni taastatud lõike. Kui ülalkirjeldatud mehhanism mingil põhjusel rakus ei tööta ja defektne DNA monomeer jääb selle molekuli, korjatakse mutatsioon maatrikssünteesi protsessidega ja avaldub fenotüüpiliselt nõrgenenud omadustega valkudena, mis. ei suuda täita neile omaseid vajalikke funktsiooneraku ainevahetus. See on tõsine negatiivne tegur, mis vähendab raku elujõulisust ja lühendab selle eluiga.
