Nukleinske kisline, zlasti DNK, so v znanosti precej dobro poznane. To je razloženo z dejstvom, da so snovi celice, od katerih je odvisno shranjevanje in prenos njenih dednih informacij. DNK, ki jo je leta 1868 odkril F. Miescher, je molekula z izrazitimi kislinskimi lastnostmi. Znanstvenik ga je izoliral iz jeder levkocitov - celic imunskega sistema. V naslednjih 50 letih so študije nukleinskih kislin izvajali občasno, saj je večina biokemikov menila, da so beljakovine glavne organske snovi, ki so med drugim odgovorne za dedne lastnosti.
Od dešifriranja strukture DNK s strani Watsona in Cricka leta 1953 so se začele resne raziskave, ki so ugotovile, da je deoksiribonukleinska kislina polimer, nukleotidi pa služijo kot monomeri DNK. Njihove vrste in strukturo bomo preučili v tem delu.
Nukleotidi kot strukturne enote dednih informacij
Ena od temeljnih lastnosti žive snovi je ohranjanje in prenos informacij o zgradbi in funkcijah tako celice kot celotnega organizmana splošno. To vlogo igra deoksiribonukleinska kislina, monomeri DNK - nukleotidi pa so neke vrste "opeke", iz katerih je zgrajena edinstvena struktura snovi dednosti. Razmislimo, po katerih znakih so se divje živali vodile pri ustvarjanju supertuljave nukleinske kisline.
Kako nastanejo nukleotidi
Za odgovor na to vprašanje potrebujemo nekaj znanja o organski kemiji. Zlasti spomnimo, da v naravi obstaja skupina heterocikličnih glikozidov, ki vsebujejo dušik, v kombinaciji z monosaharidi - pentozami (deoksiriboza ali riboza). Imenujejo se nukleozidi. Na primer, adenozin in druge vrste nukleozidov so prisotni v citosolu celice. Vstopijo v reakcijo esterifikacije z molekulami ortofosforne kisline. Produkti tega procesa bodo nukleotidi. Vsak monomer DNK in obstajajo štiri vrste, ima ime, kot so nukleotidi gvanina, timina in citozina.
purinski monomeri DNK
V biokemiji je sprejeta klasifikacija, ki monomere DNK in njihovo strukturo deli v dve skupini: na primer, adeninski in gvaninski nukleotidi so purinski. Vsebujejo derivate purina, organske snovi s formulo C5H4N44. Monomer DNA, gvaninski nukleotid, vsebuje tudi purinsko dušikovo bazo, povezano z deoksiribozo z N-glikozidno vezjo v beta konfiguraciji.
Pirimidinski nukleotidi
Dušikove baze,imenovana citidin in timidin, sta derivata organske snovi pirimidina. Njegova formula je C4H4N2. Molekula je šestčlenski ravninski heterocikel, ki vsebuje dva atoma dušika. Znano je, da namesto timinskega nukleotida molekule ribonukleinske kisline, kot so rRNA, tRNA in mRNA, vsebujejo uracil monomer. Med transkripcijo, med prenosom informacij z gena DNK na molekulo mRNA, se nukleotid timina nadomesti z adeninom, adenin nukleotid pa z uracilom v sintetizirani verigi mRNA. To pomeni, da bo pravičen naslednji zapis: A - U, T - A.
Chargaff pravilo
V prejšnjem razdelku smo se že delno dotaknili načel korespondence med monomeri v verigah DNK in v kompleksu gen-mRNA. Slavni biokemik E. Chargaff je ugotovil povsem edinstveno lastnost molekul deoksiribonukleinske kisline, in sicer, da je število nukleotidov adenina v njej vedno enako timinu, gvanina pa citozinu. Glavna teoretična osnova Chargaffovih načel je bila raziskava Watsona in Cricka, ki sta ugotovila, kateri monomeri tvorijo molekulo DNK in kakšno prostorsko organizacijo imajo. Drug vzorec, ki ga je izpeljal Chargaff in se imenuje načelo komplementarnosti, kaže na kemično razmerje purinskih in pirimidinskih baz ter njihovo sposobnost tvorbe vodikovih vezi med medsebojno interakcijo. To pomeni, da je razporeditev monomerov v obeh verigah DNK strogo določena: na primer nasproti A prve verige DNK je lahkosamo T je drugačen in med njima nastaneta dve vodikovi vezi. Nasproti gvaninskega nukleotida se lahko nahaja le citozin. V tem primeru se med dušikovimi bazami tvorijo tri vodikove vezi.
Vloga nukleotidov v genetski kodi
Za izvedbo reakcije biosinteze beljakovin, ki poteka v ribosomih, obstaja mehanizem za prenos informacij o aminokislinski sestavi peptida iz nukleotidne sekvence mRNA v zaporedje aminokislin. Izkazalo se je, da trije sosednji monomeri nosijo informacije o eni od 20 možnih aminokislin. Ta pojav se imenuje genetska koda. Pri reševanju problemov v molekularni biologiji se uporablja za določitev aminokislinske sestave peptida in za pojasnitev vprašanja: kateri monomeri tvorijo molekulo DNK, z drugimi besedami, kakšna je sestava ustreznega gena. Na primer, triplet AAA (kodon) v genu kodira aminokislino fenilalanin v proteinski molekuli, v genetski kodi pa bo ustrezal tripletu UUU v verigi mRNA.
Interakcija nukleotidov v procesu reduplikacije DNK
Kot je bilo ugotovljeno prej, so strukturne enote, monomeri DNK nukleotidi. Njihovo specifično zaporedje v verigah je predloga za proces sinteze hčerinske molekule deoksiribonukleinske kisline. Ta pojav se pojavi v S-stopnji celične interfaze. Nukleotidno zaporedje nove molekule DNK se sestavi na matičnih verigah pod delovanjem encima DNA polimeraze ob upoštevanju načelakomplementarnost (A - T, D - C). Replikacija se nanaša na reakcije sinteze matriksa. To pomeni, da monomeri DNK in njihova struktura v matičnih verigah služijo kot osnova, torej matrika za njeno podrejeno kopijo.
Ali se lahko struktura nukleotida spremeni
Mimogrede, recimo, da je deoksiribonukleinska kislina zelo konzervativna struktura celičnega jedra. Za to obstaja logična razlaga: dedne informacije, shranjene v kromatinu jedra, morajo biti nespremenjene in kopirane brez popačenja. No, celični genom je nenehno "pod pištolo" okoljskih dejavnikov. Na primer, tako agresivne kemične spojine, kot so alkohol, droge, radioaktivno sevanje. Vsi so tako imenovani mutageni, pod vplivom katerih lahko kateri koli monomer DNK spremeni svojo kemično strukturo. Takšno izkrivljanje v biokemiji se imenuje točkovna mutacija. Pogostost njihovega pojavljanja v celičnem genomu je precej visoka. Mutacije se popravijo z dobro delujočim delom celičnega popravljalnega sistema, ki vključuje niz encimov.
Nekatere izmed njih, na primer restriktaze, "izrežejo" poškodovane nukleotide, polimeraze zagotavljajo sintezo normalnih monomerov, ligaze "šijejo" obnovljene dele gena. Če iz nekega razloga zgoraj opisani mehanizem v celici ne deluje in okvarjen monomer DNK ostane v njeni molekuli, se mutacija pobere s procesi matriksne sinteze in se fenotipsko manifestira v obliki beljakovin z okvarjenimi lastnostmi, ki ne morejo opravljati potrebnih funkcij, ki so jim lastne vcelični metabolizem. To je resen negativni dejavnik, ki zmanjšuje sposobnost preživetja celice in skrajša njeno življenjsko dobo.
