Нуклеиновите киселини, особено ДНК, са доста добре познати в науката. Това се обяснява с факта, че те са веществата на клетката, от които зависи съхранението и предаването на нейната наследствена информация. ДНК, открита още през 1868 г. от Ф. Мишер, е молекула с изразени киселинни свойства. Ученият го изолира от ядрата на левкоцитите - клетки на имунната система. През следващите 50 години изследванията на нуклеиновите киселини се провеждат спорадично, тъй като повечето биохимици смятат протеините за основните органични вещества, отговорни, наред с други неща, за наследствените черти.
След дешифрирането на структурата на ДНК от Уотсън и Крик през 1953 г. започват сериозни изследвания, които установяват, че дезоксирибонуклеиновата киселина е полимер, а нуклеотидите служат като ДНК мономери. Техните видове и структура ще бъдат проучени от нас в тази работа.
Нуклеотидите като структурни единици на наследствената информация
Едно от основните свойства на живата материя е запазването и предаването на информация за структурата и функциите както на клетката, така и на целия организъмв общи линии. Тази роля играе дезоксирибонуклеиновата киселина, а ДНК мономерите - нуклеотидите са един вид "тухли", от които се изгражда уникалната структура на веществото на наследствеността. Нека помислим от какви признаци се ръководи дивата природа при създаването на супернамотка на нуклеинова киселина.
Как се образуват нуклеотидите
За да отговорим на този въпрос, имаме нужда от познания по органична химия. По-специално, припомняме, че в природата съществува група от съдържащи азот хетероциклични гликозиди, комбинирани с монозахариди - пентози (дезоксирибоза или рибоза). Те се наричат нуклеозиди. Например, аденозин и други видове нуклеозиди присъстват в цитозола на клетката. Те влизат в реакция на естерификация с молекули на ортофосфорната киселина. Продуктите от този процес ще бъдат нуклеотиди. Всеки ДНК мономер и има четири вида, има име, като гуанин, тимин и цитозинови нуклеотиди.
Пуринови мономери на ДНК
В биохимията е възприета класификация, която разделя ДНК мономерите и тяхната структура на две групи: например адениновите и гуаниновите нуклеотиди са пуринови. Те съдържат производни на пурин, органично вещество с формула C5H4N44. ДНК мономерът, гуанинов нуклеотид, също съдържа пуринова азотна база, свързана с дезоксирибоза чрез N-гликозидна връзка в бета конфигурация.
Пиримидинови нуклеотиди
Азотни основи,наречени цитидин и тимидин, са производни на органичното вещество пиримидин. Формулата му е C4H4N2. Молекулата е шестчленен планарен хетероцикъл, съдържащ два азотни атома. Известно е, че вместо тимин нуклеотид, молекулите на рибонуклеинова киселина, като рРНК, тРНК и иРНК, съдържат урацилов мономер. По време на транскрипцията, по време на трансфера на информация от гена на ДНК към молекулата на иРНК, тиминовият нуклеотид се заменя с аденин, а адениновият нуклеотид се заменя с урацил в синтезираната верига на иРНК. Тоест, следният запис ще бъде справедлив: A - U, T - A.
Chargaff правило
В предишния раздел вече докоснахме частично принципите на съответствие между мономерите в ДНК веригите и в комплекса ген-иРНК. Известният биохимик Е. Чаргаф установява напълно уникално свойство на молекулите на дезоксирибонуклеинова киселина, а именно, че броят на адениновите нуклеотиди в нея винаги е равен на тимин, а гуанин - на цитозин. Основната теоретична основа на принципите на Чаргаф е изследването на Уотсън и Крик, които установяват кои мономери образуват молекулата на ДНК и каква пространствена организация имат. Друг модел, извлечен от Чаргаф и наречен принцип на комплементарност, показва химическата връзка на пуриновите и пиримидиновите бази и способността им да образуват водородни връзки при взаимодействие помежду си. Това означава, че подреждането на мономерите в двете ДНК вериги е строго определено: например, срещу А на първата ДНК верига може да бъдесамо Т е различен и между тях възникват две водородни връзки. Срещу гуаниновия нуклеотид може да се локализира само цитозин. В този случай се образуват три водородни връзки между азотните основи.
Ролята на нуклеотидите в генетичния код
За да се осъществи реакцията на биосинтеза на протеин, протичаща в рибозомите, има механизъм за прехвърляне на информация за аминокиселинния състав на пептида от нуклеотидната последователност на иРНК в аминокиселинната последователност. Оказа се, че три съседни мономера носят информация за една от 20-те възможни аминокиселини. Това явление се нарича генетичен код. При решаване на задачи в молекулярната биология се използва за определяне както на аминокиселинния състав на пептида, така и за изясняване на въпроса: кои мономери образуват ДНК молекула, с други думи какъв е съставът на съответния ген. Например, триплетът AAA (кодон) в гена кодира аминокиселината фенилаланин в протеиновата молекула, а в генетичния код той ще съответства на UUU триплета във веригата на иРНК.
Взаимодействие на нуклеотидите в процеса на репликация на ДНК
Както беше установено по-рано, структурните единици, ДНК мономерите са нуклеотиди. Тяхната специфична последователност във веригите е шаблонът за процеса на синтез на дъщерната молекула на дезоксирибонуклеинова киселина. Това явление се проявява в S-стадия на клетъчната интерфаза. Нуклеотидната последователност на нова ДНК молекула се сглобява върху родителските вериги под действието на ензима ДНК полимераза, като се отчита принципакомплементарност (A - T, D - C). Репликацията се отнася до реакциите на матричен синтез. Това означава, че ДНК мономерите и тяхната структура в родителските вериги служат като основа, тоест матрица за нейното дъщерно копие.
Може ли структурата на нуклеотида да се промени
Между другото, да кажем, че дезоксирибонуклеиновата киселина е много консервативна структура на клетъчното ядро. За това има логично обяснение: наследствената информация, съхранявана в хроматина на ядрото, трябва да бъде непроменена и копирана без изкривяване. Е, клетъчният геном е постоянно "под оръжието" на факторите на околната среда. Например, такива агресивни химически съединения като алкохол, наркотици, радиоактивно излъчване. Всички те са така наречените мутагени, под въздействието на които всеки ДНК мономер може да промени химическата си структура. Такова изкривяване в биохимията се нарича точкова мутация. Честотата на тяхното появяване в клетъчния геном е доста висока. Мутациите се коригират чрез добре функциониращата работа на системата за клетъчно възстановяване, която включва набор от ензими.
Някои от тях, например, рестриктази, "изрязват" увредени нуклеотиди, полимерази осигуряват синтеза на нормални мономери, лигази "зашиват" възстановените участъци от гена. Ако по някаква причина описаният по-горе механизъм не работи в клетката и дефектният ДНК мономер остане в нейната молекула, мутацията се улавя от процесите на матричен синтез и фенотипно се проявява под формата на протеини с нарушени свойства, които не са в състояние да изпълняват необходимите функции, присъщи на тях вклетъчен метаболизъм. Това е сериозен негативен фактор, който намалява жизнеспособността на клетката и съкращава нейния живот.
