Vse življenje na planetu je sestavljeno iz številnih celic, ki ohranjajo urejenost svoje organizacije zaradi genetskih informacij, ki jih vsebuje jedro. Shranjujejo, izvajajo in prenašajo ga kompleksne visokomolekularne spojine - nukleinske kisline, sestavljene iz monomernih enot - nukleotidov. Vloge nukleinskih kislin ni mogoče preceniti. Stabilnost njihove strukture določa normalno vitalno aktivnost organizma, kakršna koli odstopanja v strukturi pa bodo neizogibno privedla do spremembe celične organizacije, aktivnosti fizioloških procesov in sposobnosti preživetja celic kot celote.
Pojem nukleotida in njegove lastnosti
Vsaka molekula DNK ali RNA je sestavljena iz manjših monomernih spojin - nukleotidov. Z drugimi besedami, nukleotid je gradbeni material za nukleinske kisline, koencime in številne druge biološke spojine, ki so bistvene za celico v času njenega življenja.
Na glavne lastnosti teh nenadomestljivihsnovi je mogoče pripisati:
• shranjevanje informacij o strukturi beljakovin in dednih lastnostih;
• nadzor nad rastjo in razmnoževanjem;
• sodelovanje pri presnovi in številnih drugih fizioloških procesih, ki se odvijajo v celici.
Nukleotidna sestava
Ko že govorimo o nukleotidih, se ne moremo osredotočiti na tako pomembno vprašanje, kot sta njihova struktura in sestava.
Vsak nukleotid je sestavljen iz:
• ostanek sladkorja;
• dušikova baza;
• fosfatna skupina ali ostanek fosforne kisline.
Lahko rečemo, da je nukleotid kompleksna organska spojina. Glede na vrstno sestavo dušikovih baz in vrsto pentoze v nukleotidni strukturi delimo nukleinske kisline na:
• deoksiribonukleinska kislina ali DNK;
• ribonukleinska kislina ali RNA.
Sestava nukleinskih kislin
V nukleinskih kislinah je sladkor predstavljen s pentozo. To je sladkor s petimi ogljiki, v DNK se imenuje deoksiriboza, v RNA se imenuje riboza. Vsaka molekula pentoze ima pet ogljikovih atomov, od katerih štirje skupaj z atomom kisika tvorijo petčlenski obroč, peta pa je del skupine HO-CH2.
Položaj vsakega atoma ogljika v molekuli pentoze je označen z arabsko številko s praštevilko (1C´, 2C´, 3C´, 4C´, 5C´). Ker imajo vsi procesi branja dednih informacij iz molekule nukleinske kisline strogo smer, številčenje ogljikovih atomov in njihova razporeditev v obroču služita kot nekakšen indikator prave smeri.
Glede na hidroksilno skupino doostanek fosforne kisline je vezan na tretji in peti ogljikov atom (3С´ in 5С´). Določa kemično pripadnost DNK in RNA skupini kislin.
Dušikova baza je vezana na prvi ogljikov atom (1С´) v molekuli sladkorja.
Sestava vrste dušikovih baz
Nukleotidi DNK po dušikovi bazi so predstavljeni s štirimi vrstami:
• adenin (A);
• gvanin (G);
• citozin (C);
• timin (T).
Prva dva sta purini, zadnja dva sta pirimidina. Glede na molekulsko maso so purini vedno težji od pirimidinov.
Nukleotidi RNA po dušikovi bazi so predstavljeni z:
• adenin (A);
• gvanin (G);
• citozin (C);
• uracil (U).
Uracil, tako kot timin, je pirimidinska osnova.
V znanstveni literaturi je pogosto mogoče najti drugo označbo dušikovih baz - z latinskimi črkami (A, T, C, G, U).
Poglejmo podrobneje o kemični strukturi purinov in pirimidinov.
Pirimidini, in sicer citozin, timin in uracil, so predstavljeni z dvema atomoma dušika in štirimi atomi ogljika, ki tvorijo šestčlenski obroč. Vsak atom ima svojo številko od 1 do 6.
Purini (adenin in gvanin) so sestavljeni iz pirimidina in imidazola ali dveh heterociklov. Molekulo purinske baze predstavljajo štirje atomi dušika in pet atomov ogljika. Vsak atom je oštevilčen od 1 do 9.
Kot posledica povezave dušikovihbaza in pentozni ostanek tvorita nukleozid. Nukleotid je kombinacija nukleozida in fosfatne skupine.
Tvorba fosfodiesterskih vezi
Pomembno je razumeti vprašanje, kako so nukleotidi povezani v polipeptidno verigo in tvorijo molekulo nukleinske kisline. To se zgodi zaradi tako imenovanih fosfodiestrovskih vezi.
Interakcija dveh nukleotidov daje dinukleotid. Do nastanka nove spojine pride s kondenzacijo, ko nastane fosfodiesterska vez med fosfatnim ostankom enega monomera in hidroksi skupino pentoze drugega.
Sinteza polinukleotida je večkratno ponavljanje te reakcije (več milijonov krat). Polinukleotidna veriga je zgrajena s tvorbo fosfodiesterskih vezi med tretjim in petim ogljikom sladkorjev (3С´ in 5С´).
Sestavljanje polinukleotidov je kompleksen proces, ki poteka ob sodelovanju encima DNA polimeraze, ki zagotavlja rast verige samo z enega konca (3´) s prosto hidroksi skupino.
Struktura molekule DNK
Molekula DNK, tako kot beljakovina, ima lahko primarno, sekundarno in terciarno strukturo.
Zaporedje nukleotidov v verigi DNK določa njeno primarno strukturo. Sekundarno strukturo tvorijo vodikove vezi, ki temeljijo na principu komplementarnosti. Z drugimi besedami, med sintezo dvojne vijačnice DNK deluje določen vzorec: adenin ene verige ustreza timinu druge, gvanin citozinu in obratno. Pari adenina in timina ali gvanina in citozinanastanejo zaradi dveh v prvem in treh v zadnjem primeru vodikovih vezi. Takšna povezava nukleotidov zagotavlja močno vez med verigami in enako razdaljo med njimi.
Če poznate nukleotidno zaporedje ene verige DNK, lahko dokončate drugo po principu komplementarnosti ali dodajanja.
Terciarno strukturo DNK tvorijo kompleksne tridimenzionalne vezi, zaradi česar je njena molekula bolj kompaktna in se lahko prilega majhnemu volumnu celice. Tako je na primer dolžina DNK E. coli večja od 1 mm, medtem ko je dolžina celice manjša od 5 mikronov.
Število nukleotidov v DNK, in sicer njihovo kvantitativno razmerje, ustreza Chergaffovemu pravilu (število purinskih baz je vedno enako številu pirimidinskih baz). Razdalja med nukleotidi je konstantna vrednost, enaka 0,34 nm, prav tako njihova molekulska masa.
Struktura molekule RNA
RNA je predstavljena z eno samo polinukleotidno verigo, tvorjeno s kovalentnimi vezmi med pentozo (v tem primeru ribozo) in fosfatnim ostankom. Po dolžini je veliko krajši od DNK. Razlike so tudi v vrstni sestavi dušikovih baz v nukleotidu. V RNA se namesto pirimidinske baze timina uporablja uracil. Glede na funkcije, ki se izvajajo v telesu, je RNA lahko treh vrst.
• Ribosomska (rRNA) - običajno vsebuje od 3000 do 5000 nukleotidov. Kot nujna strukturna komponenta sodeluje pri tvorbi aktivnega centra ribosomov, mesta enega najpomembnejših procesov v celici.- biosinteza beljakovin.
• Transport (tRNA) - sestavlja povprečno 75 - 95 nukleotidov, prenese želeno aminokislino na mesto sinteze polipeptida v ribosomu. Vsaka vrsta tRNA (najmanj 40) ima svoje edinstveno zaporedje monomerov ali nukleotidov.
• Informacijska (mRNA) – zelo raznolika v nukleotidni sestavi. Prenaša genetske informacije iz DNK na ribosome, deluje kot matrica za sintezo beljakovinske molekule.
Vloga nukleotidov v telesu
Nukleotidi v celici opravljajo številne pomembne funkcije:
• se uporabljajo kot gradniki za nukleinske kisline (nukleotidi purinskega in pirimidinskega niza);
• sodelujejo v številnih metabolnih procesih v celici;
• so del ATP - glavni vir energije v celicah;
• delujejo kot nosilci redukcijskih ekvivalentov v celicah (NAD+, NADP+, FAD, FMN);
• opravljajo funkcijo bioregulatorjev;
• se lahko obravnavajo kot sekundarni prenašalci zunajcelične redne sinteze (na primer cAMP ali cGMP).
Nukleotid je monomerna enota, ki tvori kompleksnejše spojine - nukleinske kisline, brez katerih je prenos genetskih informacij, njihovo shranjevanje in razmnoževanje nemogoče. Prosti nukleotidi so glavne komponente, vključene v signalne in energijske procese, ki podpirajo normalno delovanje celic in telesa kot celote.
