Целият живот на планетата се състои от много клетки, които поддържат подредеността на своята организация благодарение на генетичната информация, съдържаща се в ядрото. Той се съхранява, реализира и предава от сложни високомолекулни съединения - нуклеинови киселини, състоящи се от мономерни единици - нуклеотиди. Ролята на нуклеиновите киселини не може да бъде надценена. Стабилността на тяхната структура определя нормалната жизнена дейност на организма и всякакви отклонения в структурата неизбежно ще доведат до промяна в клетъчната организация, активността на физиологичните процеси и жизнеспособността на клетките като цяло.
Концепцията за нуклеотид и неговите свойства
Всяка молекула на ДНК или РНК е сглобена от по-малки мономерни съединения - нуклеотиди. С други думи, нуклеотидът е строителен материал за нуклеинови киселини, коензими и много други биологични съединения, които са от съществено значение за клетката в хода на нейния живот.
Към основните свойства на тези незаменимивещества могат да бъдат приписани:
• съхранение на информация за протеиновата структура и наследствени черти;
• контрол върху растежа и размножаването;
• участие в метаболизма и много други физиологични процеси, протичащи в клетката.
Нуклеотиден състав
Говорейки за нуклеотиди, не може да не се спрем на такъв важен въпрос като тяхната структура и състав.
Всеки нуклеотид се състои от:
• захарен остатък;
• азотна основа;
• фосфатна група или остатък от фосфорна киселина.
Може да се каже, че нуклеотидът е сложно органично съединение. В зависимост от видовия състав на азотните основи и вида на пентозата в нуклеотидната структура, нуклеиновите киселини се разделят на:
• дезоксирибонуклеинова киселина, или ДНК;
• рибонуклеинова киселина, или РНК.
Състав на нуклеиновите киселини
В нуклеиновите киселини захарта е представена от пентоза. Това е петвъглеродна захар, в ДНК се нарича дезоксирибоза, в РНК се нарича рибоза. Всяка пентозна молекула има пет въглеродни атома, четири от които, заедно с кислороден атом, образуват петчленен пръстен, а петата е част от групата HO-CH2.
Позицията на всеки въглероден атом в пентозната молекула се обозначава с арабска цифра с просто число (1C´, 2C´, 3C´, 4C´, 5C´). Тъй като всички процеси на четене на наследствена информация от молекула на нуклеинова киселина имат стриктна посока, номерирането на въглеродните атоми и тяхното подреждане в пръстена служат като вид индикатор за правилната посока.
Според хидроксилната група къмкъм третия и петия въглероден атом (3С´ и 5С´) е прикрепен остатък от фосфорна киселина. Той определя химическата принадлежност на ДНК и РНК към групата на киселините.
Азотна основа е прикрепена към първия въглероден атом (1С´) в захарна молекула.
Видов състав на азотни основи
ДНК нуклеотидите по азотна основа са представени от четири типа:
• аденин (A);
• гуанин (G);
• цитозин (C);
• тимин (T).
Първите два са пурини, последните два са пиримидини. По молекулно тегло пурините винаги са по-тежки от пиримидините.
РНК нуклеотидите по азотна основа са представени с:
• аденин (A);
• гуанин (G);
• цитозин (C);
• урацил (U).
Урацил, подобно на тимин, е пиримидинова основа.
В научната литература често може да се намери друго обозначение на азотните основи - с латински букви (A, T, C, G, U).
Нека се спрем по-подробно на химическата структура на пурините и пиримидините.
Пиримидините, а именно цитозин, тимин и урацил, са представени от два азотни атома и четири въглеродни атома, образуващи шестчленен пръстен. Всеки атом има собствен номер от 1 до 6.
Пурините (аденин и гуанин) се състоят от пиримидин и имидазол или два хетероцикъла. Пуриновата основна молекула е представена от четири азотни атома и пет въглеродни атома. Всеки атом е номериран от 1 до 9.
В резултат на свързването на азотниоснова и пентозен остатък образуват нуклеозид. Нуклеотидът е комбинация от нуклеозид и фосфатна група.
Образуване на фосфодиестерни връзки
Важно е да се разбере въпроса как нуклеотидите са свързани в полипептидна верига и образуват молекула на нуклеинова киселина. Това се случва благодарение на така наречените фосфодиестерни връзки.
Взаимодействието на два нуклеотида дава динуклеотид. Образуването на ново съединение става чрез кондензация, когато възниква фосфодиестерна връзка между фосфатния остатък на един мономер и хидроксилната група на пентозата на друг.
Синтезът на полинуклеотид е многократно повторение на тази реакция (няколко милиона пъти). Полинуклеотидната верига се изгражда чрез образуването на фосфодиестерни връзки между третия и петия въглерод на захарите (3С´ и 5С´).
Сглобяването на полинуклеотида е сложен процес, който протича с участието на ензима ДНК полимераза, който осигурява растежа на веригата само от единия край (3´) със свободна хидрокси група.
Структура на ДНК молекулата
Молекула на ДНК, подобно на протеин, може да има първична, вторична и третична структура.
Последователността от нуклеотиди в ДНК веригата определя нейната първична структура. Вторичната структура се образува от водородни връзки, които се основават на принципа на комплементарност. С други думи, по време на синтеза на двойната спирала на ДНК действа определен модел: аденинът на едната верига съответства на тимина на другата, гуанин на цитозин и обратно. Двойки аденин и тимин или гуанин и цитозинсе образуват поради две в първия и три в последния случай водородни връзки. Такава връзка на нуклеотидите осигурява силна връзка между веригите и еднакво разстояние между тях.
Познавайки нуклеотидната последователност на една ДНК верига, можете да завършите втората по принципа на допълване или добавяне.
Третичната структура на ДНК се формира от сложни триизмерни връзки, което прави нейната молекула по-компактна и способна да се побере в малък клетъчен обем. Така например дължината на ДНК на E. coli е повече от 1 mm, докато дължината на клетката е по-малка от 5 микрона.
Броят на нуклеотидите в ДНК, а именно тяхното количествено съотношение, се подчинява на правилото на Чергаф (броят на пуриновите бази винаги е равен на броя на пиримидиновите бази). Разстоянието между нуклеотидите е постоянна стойност, равна на 0,34 nm, както и тяхното молекулно тегло.
Структурата на РНК молекулата
РНК е представена от единична полинуклеотидна верига, образувана чрез ковалентни връзки между пентоза (в този случай рибоза) и фосфатен остатък. По дължина е много по-къса от ДНК. Съществуват и различия във видовия състав на азотните бази в нуклеотида. В РНК се използва урацил вместо пиримидинова база на тимина. В зависимост от функциите, изпълнявани в тялото, РНК може да бъде три вида.
• Рибозомна (рРНК) - обикновено съдържа от 3000 до 5000 нуклеотида. Като необходим структурен компонент, той участва в образуването на активния център на рибозомите, мястото на един от най-важните процеси в клетката- протеинова биосинтеза.
• Транспорт (tRNA) - състои се средно от 75 - 95 нуклеотида, пренася желаната аминокиселина до мястото на полипептиден синтез в рибозомата. Всеки тип тРНК (най-малко 40) има своя уникална последователност от мономери или нуклеотиди.
• Информационна (иРНК) – много разнообразна по нуклеотиден състав. Прехвърля генетична информация от ДНК към рибозоми, действа като матрица за синтеза на протеинова молекула.
Ролята на нуклеотидите в тялото
Нуклеотидите в клетката изпълняват редица важни функции:
• се използват като градивни елементи за нуклеиновите киселини (нуклеотиди от серията пурини и пиримидин);
• участват в много метаболитни процеси в клетката;
• са част от АТФ - основният източник на енергия в клетките;
• действат като носители на редуциращи еквиваленти в клетките (NAD+, NADP+, FAD, FMN);
• изпълняват функцията на биорегулатори;
• може да се разглежда като втори пратеник на извънклетъчния редовен синтез (например cAMP или cGMP).
Нуклеотидът е мономерна единица, която образува по-сложни съединения - нуклеинови киселини, без които преносът на генетична информация, нейното съхранение и възпроизвеждане е невъзможен. Свободните нуклеотиди са основните компоненти, участващи в сигналните и енергийните процеси, които поддържат нормалното функциониране на клетките и тялото като цяло.
