Τα νουκλεϊκά οξέα, ιδιαίτερα το DNA, είναι αρκετά γνωστά στην επιστήμη. Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι είναι οι ουσίες του κυττάρου, από τις οποίες εξαρτάται η αποθήκευση και η μετάδοση των κληρονομικών του πληροφοριών. Το DNA, που ανακαλύφθηκε το 1868 από τον F. Miescher, είναι ένα μόριο με έντονες όξινες ιδιότητες. Ο επιστήμονας το απομόνωσε από τους πυρήνες των λευκοκυττάρων - κύτταρα του ανοσοποιητικού συστήματος. Τα επόμενα 50 χρόνια, μελέτες νουκλεϊκών οξέων πραγματοποιήθηκαν σποραδικά, καθώς οι περισσότεροι βιοχημικοί θεωρούσαν τις πρωτεΐνες ως τις κύριες οργανικές ουσίες υπεύθυνες, μεταξύ άλλων, για τα κληρονομικά χαρακτηριστικά.
Από την αποκρυπτογράφηση της δομής του DNA από τους Watson και Crick το 1953, ξεκίνησε σοβαρή έρευνα, η οποία ανακάλυψε ότι το δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ είναι ένα πολυμερές και τα νουκλεοτίδια χρησιμεύουν ως μονομερή DNA. Οι τύποι και η δομή τους θα μελετηθούν από εμάς σε αυτήν την εργασία.
Νουκλεοτίδια ως δομικές μονάδες κληρονομικών πληροφοριών
Μία από τις θεμελιώδεις ιδιότητες της ζωντανής ύλης είναι η διατήρηση και μετάδοση πληροφοριών σχετικά με τη δομή και τις λειτουργίες τόσο του κυττάρου όσο και ολόκληρου του οργανισμούγενικά. Αυτόν τον ρόλο παίζει το δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ και τα μονομερή DNA - νουκλεοτίδια είναι ένα είδος «τούβλων» από τα οποία χτίζεται η μοναδική δομή της ουσίας της κληρονομικότητας. Ας εξετάσουμε ποια σημάδια καθοδηγούνταν η άγρια ζωή κατά τη δημιουργία ενός υπερπηνίου νουκλεϊκού οξέος.
Πώς σχηματίζονται τα νουκλεοτίδια
Για να απαντήσουμε σε αυτήν την ερώτηση, χρειαζόμαστε κάποιες γνώσεις οργανικής χημείας. Ειδικότερα, υπενθυμίζουμε ότι στη φύση υπάρχει μια ομάδα αζωτούχων ετεροκυκλικών γλυκοσιδών σε συνδυασμό με μονοσακχαρίτες - πεντόζες (δεοξυριβόζη ή ριβόζη). Ονομάζονται νουκλεοζίτες. Για παράδειγμα, η αδενοσίνη και άλλοι τύποι νουκλεοσιδίων υπάρχουν στο κυτταρόπλασμα ενός κυττάρου. Εισέρχονται σε μια αντίδραση εστεροποίησης με μόρια ορθοφωσφορικού οξέος. Τα προϊόντα αυτής της διαδικασίας θα είναι νουκλεοτίδια. Κάθε μονομερές DNA, και υπάρχουν τέσσερις τύποι, έχει ένα όνομα, όπως νουκλεοτίδια γουανίνης, θυμίνης και κυτοσίνης.
Μονομερή πουρινών του DNA
Στη βιοχημεία, υιοθετείται μια ταξινόμηση που διαιρεί τα μονομερή DNA και τη δομή τους σε δύο ομάδες: για παράδειγμα, τα νουκλεοτίδια αδενίνης και γουανίνης είναι πουρίνες. Περιέχουν παράγωγα της πουρίνης, μιας οργανικής ουσίας με τύπο C5H4N44. Το μονομερές DNA, ένα νουκλεοτίδιο γουανίνης, περιέχει επίσης μια αζωτούχα βάση πουρίνης συνδεδεμένη με τη δεοξυριβόζη μέσω ενός Ν-γλυκοσιδικού δεσμού στη βήτα διαμόρφωση.
νουκλεοτίδια πυριμιδίνης
Αζωτούχες βάσεις,που ονομάζονται κυτιδίνη και θυμιδίνη, είναι παράγωγα της οργανικής ουσίας πυριμιδίνη. Ο τύπος του είναι C4H4N2. Το μόριο είναι ένας εξαμελής επίπεδος ετερόκυκλος που περιέχει δύο άτομα αζώτου. Είναι γνωστό ότι αντί για ένα νουκλεοτίδιο θυμίνης, μόρια ριβονουκλεϊκού οξέος, όπως rRNA, tRNA και mRNA, περιέχουν ένα μονομερές ουρακίλης. Κατά τη μεταγραφή, κατά τη μεταφορά πληροφοριών από το γονίδιο DNA στο μόριο mRNA, το νουκλεοτίδιο θυμίνης αντικαθίσταται από αδενίνη και το νουκλεοτίδιο αδενίνης αντικαθίσταται από ουρακίλη στη συντιθέμενη αλυσίδα mRNA. Δηλαδή, το ακόλουθο ρεκόρ θα είναι δίκαιο: A - U, T - A.
κανόνας Chargaff
Στην προηγούμενη ενότητα, έχουμε ήδη εν μέρει αγγίξει τις αρχές της αντιστοιχίας μεταξύ μονομερών στις αλυσίδες DNA και στο σύμπλεγμα γονιδίου-mRNA. Ο διάσημος βιοχημικός E. Chargaff καθιέρωσε μια εντελώς μοναδική ιδιότητα των μορίων δεοξυριβονουκλεϊκού οξέος, δηλαδή ότι ο αριθμός των νουκλεοτιδίων αδενίνης σε αυτό είναι πάντα ίσος με τη θυμίνη και τη γουανίνη - με την κυτοσίνη. Η κύρια θεωρητική βάση των αρχών του Chargaff ήταν η έρευνα των Watson και Crick, οι οποίοι καθόρισαν ποια μονομερή αποτελούν το μόριο DNA και ποια χωρική οργάνωση έχουν. Ένα άλλο σχέδιο, που προέρχεται από τον Chargaff και ονομάζεται αρχή της συμπληρωματικότητας, υποδεικνύει τη χημική σχέση των βάσεων πουρίνης και πυριμιδίνης και την ικανότητά τους να σχηματίζουν δεσμούς υδρογόνου όταν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Αυτό σημαίνει ότι η διάταξη των μονομερών και στους δύο κλώνους DNA καθορίζεται αυστηρά: για παράδειγμα, το αντίθετο Α του πρώτου κλώνου DNA μπορεί να είναιμόνο το Τ είναι διαφορετικό και μεταξύ τους προκύπτουν δύο δεσμοί υδρογόνου. Απέναντι από το νουκλεοτίδιο γουανίνης, μπορεί να εντοπιστεί μόνο η κυτοσίνη. Σε αυτή την περίπτωση, σχηματίζονται τρεις δεσμοί υδρογόνου μεταξύ των αζωτούχων βάσεων.
Ο ρόλος των νουκλεοτιδίων στον γενετικό κώδικα
Για να πραγματοποιηθεί η αντίδραση της βιοσύνθεσης πρωτεϊνών που συμβαίνει στα ριβοσώματα, υπάρχει ένας μηχανισμός για τη μεταφορά πληροφοριών σχετικά με τη σύνθεση αμινοξέων του πεπτιδίου από την αλληλουχία νουκλεοτιδίων mRNA στην αλληλουχία αμινοξέων. Αποδείχθηκε ότι τρία γειτονικά μονομερή φέρουν πληροφορίες για ένα από τα 20 πιθανά αμινοξέα. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται γενετικός κώδικας. Στην επίλυση προβλημάτων στη μοριακή βιολογία, χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό τόσο της σύστασης αμινοξέων ενός πεπτιδίου όσο και για την αποσαφήνιση του ερωτήματος: ποια μονομερή σχηματίζουν ένα μόριο DNA, με άλλα λόγια, ποια είναι η σύνθεση του αντίστοιχου γονιδίου. Για παράδειγμα, η τριπλέτα ΑΑΑ (κωδόνιο) στο γονίδιο κωδικοποιεί το αμινοξύ φαινυλαλανίνη στο μόριο πρωτεΐνης και στον γενετικό κώδικα θα αντιστοιχεί στην τριπλέτα UUU στην αλυσίδα mRNA.
Αλληλεπίδραση νουκλεοτιδίων στη διαδικασία αναδιπλασιασμού του DNA
Όπως ανακαλύφθηκε νωρίτερα, οι δομικές μονάδες, τα μονομερή DNA είναι νουκλεοτίδια. Η συγκεκριμένη αλληλουχία τους στις αλυσίδες είναι το πρότυπο για τη διαδικασία σύνθεσης του θυγατρικού μορίου του δεοξυριβονουκλεϊκού οξέος. Αυτό το φαινόμενο εμφανίζεται στο S-στάδιο της κυτταρικής μεσοφάσης. Η νουκλεοτιδική αλληλουχία ενός νέου μορίου DNA συναρμολογείται στις μητρικές αλυσίδες υπό τη δράση του ενζύμου DNA πολυμεράσης, λαμβάνοντας υπόψη την αρχήσυμπληρωματικότητα (Α - Τ, Δ - Γ). Η αντιγραφή αναφέρεται στις αντιδράσεις της σύνθεσης μήτρας. Αυτό σημαίνει ότι τα μονομερή DNA και η δομή τους στις μητρικές αλυσίδες χρησιμεύουν ως βάση, δηλαδή η μήτρα για το θυγατρικό του αντίγραφο.
Μπορεί η δομή ενός νουκλεοτιδίου να αλλάξει
Με την ευκαιρία, ας πούμε ότι το δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ είναι μια πολύ συντηρητική δομή του κυτταρικού πυρήνα. Υπάρχει μια λογική εξήγηση για αυτό: οι κληρονομικές πληροφορίες που είναι αποθηκευμένες στη χρωματίνη του πυρήνα πρέπει να είναι αμετάβλητες και να αντιγράφονται χωρίς παραμόρφωση. Λοιπόν, το κυτταρικό γονιδίωμα βρίσκεται συνεχώς «κάτω από το όπλο» των περιβαλλοντικών παραγόντων. Για παράδειγμα, τέτοιες επιθετικές χημικές ενώσεις όπως το αλκοόλ, τα ναρκωτικά, η ραδιενεργή ακτινοβολία. Όλα αυτά είναι τα λεγόμενα μεταλλαξιογόνα, υπό την επίδραση των οποίων οποιοδήποτε μονομερές DNA μπορεί να αλλάξει τη χημική του δομή. Μια τέτοια παραμόρφωση στη βιοχημεία ονομάζεται σημειακή μετάλλαξη. Η συχνότητα εμφάνισής τους στο γονιδίωμα του κυττάρου είναι αρκετά υψηλή. Οι μεταλλάξεις διορθώνονται με την καλή λειτουργία του συστήματος κυτταρικής επιδιόρθωσης, το οποίο περιλαμβάνει ένα σύνολο ενζύμων.
Μερικά από αυτά, για παράδειγμα, περιοριστές, «κόβουν» κατεστραμμένα νουκλεοτίδια, πολυμεράσες παρέχουν τη σύνθεση κανονικών μονομερών, οι λιγάσες «ράβουν» τα αποκατεστημένα τμήματα του γονιδίου. Εάν, για κάποιο λόγο, ο μηχανισμός που περιγράφεται παραπάνω δεν λειτουργεί στο κύτταρο και το ελαττωματικό μονομερές DNA παραμένει στο μόριό του, η μετάλλαξη συλλέγεται από τις διαδικασίες σύνθεσης μήτρας και φαινοτυπικά εκδηλώνεται με τη μορφή πρωτεϊνών με μειωμένες ιδιότητες που δεν είναι σε θέση να εκτελέσουν τις απαραίτητες λειτουργίες που είναι εγγενείς σε αυτάκυτταρικό μεταβολισμό. Αυτός είναι ένας σοβαρός αρνητικός παράγοντας που μειώνει τη βιωσιμότητα του κυττάρου και μειώνει τη διάρκεια ζωής του.
