Kogu elu planeedil koosneb paljudest rakkudest, mis säilitavad tuumas sisalduva geneetilise informatsiooni tõttu oma organisatsiooni korrastatuse. Seda säilitavad, rakendavad ja edastavad komplekssed kõrgmolekulaarsed ühendid - nukleiinhapped, mis koosnevad monomeerühikutest - nukleotiididest. Nukleiinhapete rolli ei saa ülehinnata. Nende struktuuri stabiilsus määrab organismi normaalse elutegevuse ning kõik kõrvalekalded struktuuris toovad paratamatult kaasa muutuse rakukorralduses, füsioloogiliste protsesside aktiivsuses ja rakkude kui terviku elujõulisuses.
Nukleotiidi mõiste ja selle omadused
Iga DNA või RNA molekul on kokku pandud väiksematest monomeersetest ühenditest – nukleotiididest. Teisisõnu on nukleotiid nukleiinhapete, koensüümide ja paljude muude bioloogiliste ühendite ehitusmaterjal, mis on rakule elu jooksul hädavajalikud.
Nende asendamatute põhiomaduste juurdeainetele võib omistada:
• teabe salvestamine valgu struktuuri ja pärilike tunnuste kohta;
• kontroll kasvu ja paljunemise üle;
• osalemine ainevahetuses ja paljudes teistes rakus toimuvates füsioloogilistes protsessides.
Nukleotiidide koostis
Nukleotiididest rääkides ei saa peatuda nii olulisel teemal nagu nende struktuur ja koostis.
Iga nukleotiid koosneb:
• suhkrujääk;
• lämmastikalus;
• fosfaatrühm või fosforhappejääk.
Võib öelda, et nukleotiid on keeruline orgaaniline ühend. Sõltuv alt lämmastikaluste liigilisest koostisest ja pentoosi tüübist nukleotiidstruktuuris jagatakse nukleiinhapped:
• desoksüribonukleiinhape ehk DNA;
• ribonukleiinhape või RNA.
Nukleiinhapete koostis
Nukleiinhapetes tähistab suhkrut pentoos. See on viie süsinikuga suhkur, DNA-s nimetatakse seda desoksüriboosiks, RNA-s nimetatakse seda riboosiks. Igas pentoosi molekulis on viis süsinikuaatomit, millest neli koos hapnikuaatomiga moodustavad viieliikmelise tsükli ja viies on osa HO-CH2 rühmast.
Iga süsinikuaatomi asukoht pentoosmolekulis on tähistatud araabia numbriga algarvuga (1C´, 2C´, 3C´, 4C´, 5C´). Kuna kõigil nukleiinhappemolekulilt päriliku teabe lugemise protsessidel on range suund, on süsinikuaatomite nummerdamine ja nende paigutus tsüklis omamoodi õige suuna indikaator.
Vastav alt hüdroksüülrühmalekolmanda ja viienda süsinikuaatomiga (3С´ ja 5С´) on seotud fosforhappe jääk. See määrab DNA ja RNA keemilise kuuluvuse hapete rühma.
Suhkru molekulis on esimese süsinikuaatomiga (1С´) seotud lämmastikalus.
Lämmastikku sisaldavate aluste liigiline koostis
DNA nukleotiidid lämmastikalusel on esindatud nelja tüübiga:
• adeniin (A);
• guaniin (G);
• tsütosiin (C);
• tümiin (T).
Esimesed kaks on puriinid, kaks viimast on pürimidiinid. Molekulmassi järgi on puriinid alati raskemad kui pürimidiinid.
RNA nukleotiidid lämmastikalusel on tähistatud:
• adeniin (A);
• guaniin (G);
• tsütosiin (C);
• uratsiil (U).
Uracil, nagu tümiin, on pürimidiini alus.
Teaduskirjanduses võib sageli leida lämmastikualuste teistsuguse tähistuse – ladina tähtedega (A, T, C, G, U).
Peatume lähem alt puriinide ja pürimidiinide keemilisel struktuuril.
Pürimidiinid, nimelt tsütosiin, tümiin ja uratsiil, on esindatud kahe lämmastikuaatomi ja nelja süsinikuaatomiga, moodustades kuueliikmelise ringi. Igal aatomil on oma arv vahemikus 1 kuni 6.
Puriinid (adeniin ja guaniin) koosnevad pürimidiinist ja imidasoolist või kahest heterotsüklist. Puriini alusmolekuli esindavad neli lämmastikuaatomit ja viis süsinikuaatomit. Iga aatom on nummerdatud vahemikus 1 kuni 9.
Lämmastikühendamise tulemusenaalus ja pentoosijääk moodustavad nukleosiidi. Nukleotiid on nukleosiidi ja fosfaatrühma kombinatsioon.
Fosfodiestersidemete moodustumine
Oluline on mõista küsimust, kuidas nukleotiidid on seotud polüpeptiidahelas ja moodustavad nukleiinhappemolekuli. See juhtub nn fosfodiestersidemete tõttu.
Kahe nukleotiidi interaktsioon annab dinukleotiidi. Uue ühendi moodustumine toimub kondensatsiooni teel, kui ühe monomeeri fosfaadijäägi ja teise monomeeri pentoosi hüdroksürühma vahel tekib fosfodiesterside.
Polünukleotiidi süntees on selle reaktsiooni korduv kordamine (mitu miljonit korda). Polünukleotiidahel on üles ehitatud fosfodiestersidemete moodustumisega suhkrute kolmanda ja viienda süsiniku (3С´ ja 5С´) vahel.
Polünukleotiidide kokkupanek on keeruline protsess, mis toimub DNA polümeraasi ensüümi osalusel, mis tagab ahela kasvu ainult ühest otsast (3´) vaba hüdroksüülrühmaga.
DNA molekuli struktuur
DNA molekulil, nagu valgul, võib olla primaarne, sekundaarne ja tertsiaarne struktuur.
Nukleotiidide järjestus DNA ahelas määrab selle esmase struktuuri. Sekundaarse struktuuri moodustavad vesiniksidemed, mis põhinevad komplementaarsuse põhimõttel. Ehk siis DNA kaksikheeliksi sünteesi käigus toimib teatud muster: ühe ahela adeniin vastab teise tümiinile, guaniin tsütosiinile ja vastupidi. Adeniini ja tümiini või guaniini ja tsütosiini paaridtekivad esimesel juhul kahe ja viimasel juhul kolme vesiniksideme tõttu. Selline nukleotiidide ühendus tagab ahelate vahel tugeva sideme ja nendevahelise võrdse vahemaa.
Teades ühe DNA ahela nukleotiidjärjestust, saate teise lõpetada komplementaarsuse või liitmise põhimõttel.
DNA tertsiaarse struktuuri moodustavad keerukad kolmemõõtmelised sidemed, mis muudab selle molekuli kompaktsemaks ja mahutab väikesesse rakumahusse. Nii on näiteks E. coli DNA pikkus üle 1 mm, samas kui raku pikkus on alla 5 mikroni.
Nukleotiidide arv DNA-s, nimelt nende kvantitatiivne suhe, järgib Chergaffi reeglit (puriini aluste arv on alati võrdne pürimidiini aluste arvuga). Nukleotiidide vaheline kaugus on konstantne väärtus, mis võrdub 0,34 nm, nagu ka nende molekulmass.
RNA molekuli struktuur
RNA on esindatud ühe polünukleotiidahelaga, mis moodustub kovalentsete sidemete kaudu pentoosi (antud juhul riboosi) ja fosfaadijäägi vahel. Selle pikkus on palju lühem kui DNA. Samuti on erinevusi nukleotiidi lämmastikaluste liigilises koostises. RNA-s kasutatakse tümiini pürimidiini aluse asemel uratsiili. Sõltuv alt kehas täidetavatest funktsioonidest võib RNA-d olla kolme tüüpi.
• Ribosomaalne (rRNA) – sisaldab tavaliselt 3000 kuni 5000 nukleotiidi. Vajaliku struktuurikomponendina osaleb ribosoomide aktiivse tsentri moodustamises, mis on rakus ühe olulisema protsessi toimumiskoht.- valkude biosüntees.
• Transport (tRNA) - koosneb keskmiselt 75 - 95 nukleotiidist, kannab soovitud aminohappe ribosoomi polüpeptiidi sünteesi kohta. Igal tRNA tüübil (vähem alt 40) on oma ainulaadne monomeeride või nukleotiidide järjestus.
• Informatiivne (mRNA) – nukleotiidide koostiselt väga mitmekesine. Kannab geneetilise teabe DNA-st ribosoomidesse, toimib valgumolekuli sünteesi maatriksina.
Nukleotiidide roll kehas
Rakus olevad nukleotiidid täidavad mitmeid olulisi funktsioone:
• kasutatakse nukleiinhapete ehitusplokkidena (puriini ja pürimidiini seeria nukleotiidid);
• osalevad paljudes rakus toimuvates metaboolsetes protsessides;
• on osa ATP-st - peamine energiaallikas rakkudes;
• toimivad rakkudes redutseerivate ekvivalentide kandjatena (NAD+, NADP+, FAD, FMN);
• täidavad bioregulaatorite funktsiooni;
• võib pidada rakuvälise regulaarse sünteesi teiseks sõnumitoojaks (näiteks cAMP või cGMP).
Nukleotiid on monomeerne üksus, mis moodustab keerukamaid ühendeid – nukleiinhappeid, ilma milleta on geneetilise informatsiooni edasiandmine, selle säilitamine ja paljundamine võimatu. Vabad nukleotiidid on peamised signaali- ja energiaprotsesside komponendid, mis toetavad rakkude ja keha kui terviku normaalset talitlust.
