Nukleové kyseliny, zejména DNA, jsou ve vědě docela dobře známé. To se vysvětluje tím, že jsou to látky buňky, na kterých závisí ukládání a přenos její dědičné informace. DNA, objevená již v roce 1868 F. Miescherem, je molekula s výraznými kyselými vlastnostmi. Vědec ji izoloval z jader leukocytů – buněk imunitního systému. Během následujících 50 let byly studie nukleových kyselin prováděny sporadicky, protože většina biochemiků považovala proteiny za hlavní organické látky zodpovědné mimo jiné za dědičné znaky.
Od rozluštění struktury DNA Watsonem a Crickem v roce 1953 začal seriózní výzkum, který zjistil, že kyselina deoxyribonukleová je polymer a nukleotidy slouží jako monomery DNA. Jejich typy a strukturu budeme v této práci studovat.
Nukleotidy jako strukturální jednotky dědičné informace
Jednou ze základních vlastností živé hmoty je uchování a přenos informací o stavbě a funkcích buňky i celého organismuobvykle. Tuto roli hraje deoxyribonukleová kyselina a monomery DNA - nukleotidy jsou jakési "cihly", z nichž je postavena jedinečná struktura látky dědičnosti. Podívejme se, jakými znaky se divoká zvěř řídila při vytváření supercoil nukleové kyseliny.
Jak vznikají nukleotidy
K zodpovězení této otázky potřebujeme určité znalosti organické chemie. Zejména připomínáme, že v přírodě existuje skupina heterocyklických glykosidů obsahujících dusík kombinovaných s monosacharidy - pentózami (deoxyribóza nebo ribóza). Říká se jim nukleosidy. Například adenosin a další typy nukleosidů jsou přítomny v cytosolu buňky. Vstupují do esterifikační reakce s molekulami kyseliny ortofosforečné. Produkty tohoto procesu budou nukleotidy. Každý monomer DNA, a existují čtyři typy, má svůj název, jako jsou nukleotidy guanin, thymin a cytosin.
Purinové monomery DNA
V biochemii je přijata klasifikace, která rozděluje monomery DNA a jejich strukturu do dvou skupin: například adeninové a guaninové nukleotidy jsou purinové. Obsahují deriváty purinu, organické látky se vzorcem C5H4N44. Monomer DNA, guanin nukleotid, také obsahuje purinovou dusíkatou bázi spojenou s deoxyribózou N-glykosidickou vazbou v beta konfiguraci.
Pyrimidinové nukleotidy
Dusíkaté báze,nazývané cytidin a thymidin, jsou deriváty organické látky pyrimidinu. Jeho vzorec je C4H4N2. Molekula je šestičlenný planární heterocyklus obsahující dva atomy dusíku. Je známo, že namísto thyminového nukleotidu obsahují molekuly ribonukleové kyseliny, jako je rRNA, tRNA a mRNA, monomer uracilu. Při transkripci, při přenosu informace z genu DNA do molekuly mRNA, je v syntetizovaném řetězci mRNA thyminový nukleotid nahrazen adeninem a adeninový nukleotid je nahrazen uracilem. To znamená, že následující rekord bude spravedlivý: A - U, T - A.
Pravidlo Chargaff
V předchozí části jsme se již částečně dotkli principů korespondence mezi monomery v řetězcích DNA a v komplexu gen-mRNA. Slavný biochemik E. Chargaff prokázal zcela unikátní vlastnost molekul deoxyribonukleové kyseliny, totiž že počet adeninových nukleotidů v nich je vždy roven thyminu a guaninu - cytosinu. Hlavním teoretickým základem Chargaffových principů byl výzkum Watsona a Cricka, kteří zjistili, které monomery tvoří molekulu DNA a jakou mají prostorovou organizaci. Další vzorec, odvozený Chargaffem a nazvaný princip komplementarity, naznačuje chemický vztah purinových a pyrimidinových bází a jejich schopnost tvořit vodíkové vazby při vzájemné interakci. To znamená, že uspořádání monomerů v obou řetězcích DNA je přísně určeno: například protilehlý A prvního řetězce DNA může býtpouze T je různé a vznikají mezi nimi dvě vodíkové vazby. Naproti guaninovému nukleotidu lze lokalizovat pouze cytosin. V tomto případě se mezi dusíkatými bázemi vytvoří tři vodíkové vazby.
Role nukleotidů v genetickém kódu
Pro provedení reakce biosyntézy proteinů probíhající v ribozomech existuje mechanismus pro přenos informací o aminokyselinovém složení peptidu z nukleotidové sekvence mRNA do aminokyselinové sekvence. Ukázalo se, že tři sousedící monomery nesou informaci o jedné z 20 možných aminokyselin. Tento jev se nazývá genetický kód. Při řešení problémů v molekulární biologii se používá k určení jak aminokyselinového složení peptidu, tak k objasnění otázky: které monomery tvoří molekulu DNA, jinými slovy, jaké je složení odpovídajícího genu. Například triplet (kodon) AAA v genu kóduje aminokyselinu fenylalanin v molekule proteinu a v genetickém kódu bude odpovídat tripletu UUU v řetězci mRNA.
Interakce nukleotidů v procesu reduplikace DNA
Jak bylo zjištěno dříve, strukturní jednotky, monomery DNA jsou nukleotidy. Jejich specifická sekvence v řetězcích je templátem pro proces syntézy dceřiné molekuly deoxyribonukleové kyseliny. K tomuto jevu dochází v S-stadiu buněčné interfáze. Nukleotidová sekvence nové molekuly DNA se sestavuje na rodičovských řetězcích působením enzymu DNA polymerázy, přičemž se bere v úvahu principkomplementarita (A - T, D - C). Replikace se týká reakcí syntézy matrice. To znamená, že monomery DNA a jejich struktura v rodičovských řetězcích slouží jako základ, tedy matrice pro její podřízenou kopii.
Může se změnit struktura nukleotidu
Mimochodem, řekněme, že kyselina deoxyribonukleová je velmi konzervativní struktura buněčného jádra. Má to logické vysvětlení: dědičná informace uložená v chromatinu jádra musí být nezměněna a zkopírována bez zkreslení. Inu, buněčný genom je neustále „pod puškou“faktorů prostředí. Například takové agresivní chemické sloučeniny jako alkohol, drogy, radioaktivní záření. Všechny jsou tzv. mutageny, pod jejichž vlivem může jakýkoli monomer DNA změnit svou chemickou strukturu. Takové zkreslení se v biochemii nazývá bodová mutace. Četnost jejich výskytu v buněčném genomu je poměrně vysoká. Mutace jsou korigovány dobře fungující prací buněčného opravného systému, který zahrnuje sadu enzymů.
Některé z nich, například restriktázy, „vyříznou“poškozené nukleotidy, polymerázy zajišťují syntézu normálních monomerů, ligázy „šijí“obnovené úseky genu. Pokud z nějakého důvodu výše popsaný mechanismus v buňce nefunguje a defektní monomer DNA zůstává v její molekule, je mutace zachycena procesy syntézy matrice a fenotypicky se projeví ve formě proteinů se zhoršenými vlastnostmi, které nejsou schopni vykonávat nezbytné funkce, které jsou jim vlastníbuněčný metabolismus. To je vážný negativní faktor, který snižuje životaschopnost buňky a zkracuje její životnost.
