Όλη η ζωή στον πλανήτη αποτελείται από πολλά κύτταρα που διατηρούν την τάξη της οργάνωσής τους λόγω των γενετικών πληροφοριών που περιέχονται στον πυρήνα. Αποθηκεύεται, υλοποιείται και μεταδίδεται με σύνθετες υψηλομοριακές ενώσεις - νουκλεϊκά οξέα, που αποτελούνται από μονομερείς μονάδες - νουκλεοτίδια. Ο ρόλος των νουκλεϊκών οξέων δεν μπορεί να υπερεκτιμηθεί. Η σταθερότητα της δομής τους καθορίζει τη φυσιολογική ζωτική δραστηριότητα του οργανισμού και τυχόν αποκλίσεις στη δομή θα οδηγήσουν αναπόφευκτα σε αλλαγή στην κυτταρική οργάνωση, τη δραστηριότητα των φυσιολογικών διεργασιών και τη βιωσιμότητα των κυττάρων στο σύνολό τους.
Η έννοια του νουκλεοτιδίου και οι ιδιότητές του
Κάθε μόριο DNA ή RNA συναρμολογείται από μικρότερες μονομερείς ενώσεις - νουκλεοτίδια. Με άλλα λόγια, ένα νουκλεοτίδιο είναι ένα δομικό υλικό για νουκλεϊκά οξέα, συνένζυμα και πολλές άλλες βιολογικές ενώσεις που είναι απαραίτητες για ένα κύτταρο κατά τη διάρκεια της ζωής του.
Στις κύριες ιδιότητες αυτών των αναντικατάστατωνουσίες μπορούν να αποδοθούν:
• αποθήκευση πληροφοριών σχετικά με τη δομή της πρωτεΐνης και τα κληρονομικά χαρακτηριστικά;
• έλεγχος της ανάπτυξης και της αναπαραγωγής;
• συμμετοχή στο μεταβολισμό και πολλές άλλες φυσιολογικές διεργασίες που συμβαίνουν στο κύτταρο.
Σύνθεση νουκλεοτιδίων
Μιλώντας για νουκλεοτίδια, δεν μπορούμε παρά να σταθούμε σε ένα τόσο σημαντικό ζήτημα όπως η δομή και η σύνθεσή τους.
Κάθε νουκλεοτίδιο αποτελείται από:
• υπολείμματα ζάχαρης;
• αζωτούχα βάση;
• ομάδα φωσφορικών ή υπολείμματα φωσφορικού οξέος.
Μπορεί να ειπωθεί ότι ένα νουκλεοτίδιο είναι μια σύνθετη οργανική ένωση. Ανάλογα με τη σύνθεση των ειδών των αζωτούχων βάσεων και τον τύπο της πεντόζης στη νουκλεοτιδική δομή, τα νουκλεϊκά οξέα χωρίζονται σε:
• δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ ή DNA;
• ριβονουκλεϊκό οξύ ή RNA.
Σύνθεση νουκλεϊκών οξέων
Στα νουκλεϊκά οξέα, η ζάχαρη αντιπροσωπεύεται από πεντόζη. Αυτό είναι ένα σάκχαρο πέντε άνθρακα, στο DNA ονομάζεται δεοξυριβόζη, στο RNA ονομάζεται ριβόζη. Κάθε μόριο πεντόζης έχει πέντε άτομα άνθρακα, τέσσερα από τα οποία, μαζί με ένα άτομο οξυγόνου, σχηματίζουν έναν πενταμελή δακτύλιο και το πέμπτο είναι μέρος της ομάδας HO-CH2.
Η θέση κάθε ατόμου άνθρακα σε ένα μόριο πεντόζης υποδεικνύεται με έναν αραβικό αριθμό με πρώτο (1C´, 2C´, 3C´, 4C´, 5C´). Δεδομένου ότι όλες οι διαδικασίες ανάγνωσης κληρονομικών πληροφοριών από ένα μόριο νουκλεϊκού οξέος έχουν αυστηρή κατεύθυνση, η αρίθμηση των ατόμων άνθρακα και η διάταξή τους στον δακτύλιο χρησιμεύουν ως ένα είδος ένδειξης της σωστής κατεύθυνσης.
Σύμφωνα με την ομάδα υδροξυλίου προςένα υπόλειμμα φωσφορικού οξέος συνδέεται με το τρίτο και το πέμπτο άτομο άνθρακα (3С´ και 5С´). Καθορίζει τη χημική συσχέτιση του DNA και του RNA στην ομάδα των οξέων.
Μια αζωτούχα βάση συνδέεται με το πρώτο άτομο άνθρακα (1С´) σε ένα μόριο σακχάρου.
Σύνθεση είδους αζωτούχων βάσεων
Τα νουκλεοτίδια DNA από αζωτούχα βάση αντιπροσωπεύονται από τέσσερις τύπους:
• αδενίνη (A);
• γουανίνη (G);
• κυτοσίνη (C);
• θυμίνη (T).
Οι δύο πρώτες είναι πουρίνες, οι δύο τελευταίες είναι πυριμιδίνες. Με μοριακό βάρος, οι πουρίνες είναι πάντα βαρύτερες από τις πυριμιδίνες.
Τα
νουκλεοτίδια RNA από αζωτούχα βάση αντιπροσωπεύονται από:
• αδενίνη (A);
• γουανίνη (G);
• κυτοσίνη (C);
• ουρακίλη (U).
Η ουρακίλη, όπως και η θυμίνη, είναι μια βάση πυριμιδίνης.
Στην επιστημονική βιβλιογραφία, μπορεί κανείς συχνά να βρει άλλη ονομασία αζωτούχων βάσεων - με λατινικά γράμματα (A, T, C, G, U).
Ας σταθούμε λεπτομερέστερα στη χημική δομή των πουρινών και των πυριμιδινών.
Οι πυριμιδίνες, δηλαδή η κυτοσίνη, η θυμίνη και η ουρακίλη, αντιπροσωπεύονται από δύο άτομα αζώτου και τέσσερα άτομα άνθρακα, σχηματίζοντας έναν εξαμελή δακτύλιο. Κάθε άτομο έχει τον δικό του αριθμό από το 1 έως το 6.
Πουρίνες (αδενίνη και γουανίνη) αποτελούνται από πυριμιδίνη και ιμιδαζόλη ή δύο ετερόκυκλους. Το μόριο βάσης πουρίνης αντιπροσωπεύεται από τέσσερα άτομα αζώτου και πέντε άτομα άνθρακα. Κάθε άτομο αριθμείται από το 1 έως το 9.
Ως αποτέλεσμα της σύνδεσης αζωτούχωνμια βάση και ένα υπόλειμμα πεντόζης σχηματίζουν έναν νουκλεοζίτη. Ένα νουκλεοτίδιο είναι ένας συνδυασμός ενός νουκλεοσιδίου και μιας φωσφορικής ομάδας.
Σχηματισμός φωσφοδιεστερικών δεσμών
Είναι σημαντικό να κατανοήσουμε το ερώτημα του πώς τα νουκλεοτίδια συνδέονται σε μια πολυπεπτιδική αλυσίδα και σχηματίζουν ένα μόριο νουκλεϊκού οξέος. Αυτό συμβαίνει λόγω των λεγόμενων φωσφοδιεστερικών δεσμών.
Η αλληλεπίδραση δύο νουκλεοτιδίων δίνει ένα δινουκλεοτίδιο. Ο σχηματισμός μιας νέας ένωσης συμβαίνει με συμπύκνωση, όταν εμφανίζεται ένας φωσφοδιεστερικός δεσμός μεταξύ του φωσφορικού υπολείμματος ενός μονομερούς και της υδροξυ ομάδας της πεντόζης ενός άλλου.
Σύνθεση ενός πολυνουκλεοτιδίου είναι επαναλαμβανόμενη επανάληψη αυτής της αντίδρασης (αρκετά εκατομμύρια φορές). Η πολυνουκλεοτιδική αλυσίδα χτίζεται μέσω του σχηματισμού φωσφοδιεστερικών δεσμών μεταξύ του τρίτου και του πέμπτου άνθρακες σακχάρων (3С´ και 5Σ´).
Η συγκρότηση πολυνουκλεοτιδίων είναι μια πολύπλοκη διαδικασία που λαμβάνει χώρα με τη συμμετοχή του ενζύμου DNA πολυμεράσης, το οποίο εξασφαλίζει την ανάπτυξη της αλυσίδας μόνο από το ένα άκρο (3') με μια ελεύθερη ομάδα υδροξυλίου.
Δομή του μορίου DNA
Ένα μόριο DNA, όπως μια πρωτεΐνη, μπορεί να έχει πρωτογενή, δευτεροταγή και τριτοταγή δομή.
Η αλληλουχία των νουκλεοτιδίων σε μια αλυσίδα DNA καθορίζει την πρωτογενή δομή της. Η δευτερογενής δομή σχηματίζεται από δεσμούς υδρογόνου, οι οποίοι βασίζονται στην αρχή της συμπληρωματικότητας. Με άλλα λόγια, κατά τη σύνθεση της διπλής έλικας του DNA, λειτουργεί ένα συγκεκριμένο σχέδιο: η αδενίνη της μιας αλυσίδας αντιστοιχεί στη θυμίνη της άλλης, η γουανίνη στην κυτοσίνη και αντίστροφα. Ζεύγη αδενίνης και θυμίνης ή γουανίνης και κυτοσίνηςσχηματίζονται λόγω δύο στην πρώτη και τριών στην τελευταία περίπτωση δεσμών υδρογόνου. Μια τέτοια σύνδεση νουκλεοτιδίων παρέχει έναν ισχυρό δεσμό μεταξύ των αλυσίδων και μια ίση απόσταση μεταξύ τους.
Γνωρίζοντας την αλληλουχία νουκλεοτιδίων ενός κλώνου DNA, μπορείτε να ολοκληρώσετε τη δεύτερη με την αρχή της συμπληρωματικότητας ή της προσθήκης.
Η τριτοταγής δομή του DNA σχηματίζεται από πολύπλοκους τρισδιάστατους δεσμούς, γεγονός που καθιστά το μόριο του πιο συμπαγές και ικανό να χωράει σε έναν μικρό όγκο κυττάρων. Έτσι, για παράδειγμα, το μήκος του DNA του E. coli είναι μεγαλύτερο από 1 mm, ενώ το μήκος του κυττάρου είναι μικρότερο από 5 μικρά.
Ο αριθμός των νουκλεοτιδίων στο DNA, δηλαδή η ποσοτική τους αναλογία, υπακούει στον κανόνα Chergaff (ο αριθμός των βάσεων πουρίνης είναι πάντα ίσος με τον αριθμό των βάσεων πυριμιδίνης). Η απόσταση μεταξύ των νουκλεοτιδίων είναι σταθερή τιμή ίση με 0,34 nm, όπως και το μοριακό τους βάρος.
Η δομή του μορίου RNA
Το
RNA αντιπροσωπεύεται από μια μοναδική πολυνουκλεοτιδική αλυσίδα που σχηματίζεται μέσω ομοιοπολικών δεσμών μεταξύ μιας πεντόζης (στην περίπτωση αυτή, ριβόζης) και ενός υπολείμματος φωσφορικού. Είναι πολύ μικρότερο από το DNA σε μήκος. Υπάρχουν επίσης διαφορές στη σύνθεση των ειδών των αζωτούχων βάσεων στο νουκλεοτίδιο. Στο RNA, η ουρακίλη χρησιμοποιείται αντί για τη βάση πυριμιδίνης της θυμίνης. Ανάλογα με τις λειτουργίες που εκτελούνται στο σώμα, το RNA μπορεί να είναι τριών τύπων.
• Ριβοσωμικό (rRNA) - συνήθως περιέχει από 3000 έως 5000 νουκλεοτίδια. Ως απαραίτητο δομικό συστατικό, συμμετέχει στο σχηματισμό του ενεργού κέντρου των ριβοσωμάτων, της θέσης μιας από τις πιο σημαντικές διεργασίες στο κύτταρο.- βιοσύνθεση πρωτεΐνης.
• Μεταφορά (tRNA) - αποτελείται κατά μέσο όρο από 75 - 95 νουκλεοτίδια, μεταφέρει το επιθυμητό αμινοξύ στη θέση σύνθεσης πολυπεπτιδίου στο ριβόσωμα. Κάθε τύπος tRNA (τουλάχιστον 40) έχει τη δική του μοναδική αλληλουχία μονομερών ή νουκλεοτιδίων.
• Ενημερωτικό (mRNA) - πολύ διαφορετική στη σύνθεση νουκλεοτιδίων. Μεταφέρει γενετικές πληροφορίες από το DNA στα ριβοσώματα, λειτουργεί ως μήτρα για τη σύνθεση ενός μορίου πρωτεΐνης.
Ο ρόλος των νουκλεοτιδίων στο σώμα
Νουκλεοτίδια στο κύτταρο εκτελούν μια σειρά από σημαντικές λειτουργίες:
• χρησιμοποιούνται ως δομικά στοιχεία για τα νουκλεϊκά οξέα (νουκλεοτίδια της σειράς πουρίνης και πυριμιδίνης), • εμπλέκονται σε πολλές μεταβολικές διεργασίες στο κύτταρο·
• αποτελούν μέρος του ATP - η κύρια πηγή ενέργειας στα κύτταρα;
• ενεργούν ως φορείς αναγωγικών ισοδυνάμων στα κύτταρα (NAD+, NADP+, FAD, FMN);
• εκτελούν τη λειτουργία των βιορυθμιστών;
• μπορεί να θεωρηθεί ως δεύτερος αγγελιοφόρος εξωκυτταρική τακτική σύνθεση (για παράδειγμα, cAMP ή cGMP).
Το
Το νουκλεοτίδιο είναι μια μονομερής μονάδα που σχηματίζει πιο σύνθετες ενώσεις - νουκλεϊκά οξέα, χωρίς τα οποία η μεταφορά της γενετικής πληροφορίας, η αποθήκευση και η αναπαραγωγή της είναι αδύνατη. Τα ελεύθερα νουκλεοτίδια είναι τα κύρια συστατικά που εμπλέκονται στις διεργασίες σηματοδότησης και ενέργειας που υποστηρίζουν την κανονική λειτουργία των κυττάρων και του σώματος συνολικά.
