Veškerý život na planetě se skládá z mnoha buněk, které udržují pořádek ve své organizaci díky genetické informaci obsažené v jádře. Ukládají, realizují a přenášejí jej komplexní vysokomolekulární sloučeniny – nukleové kyseliny, skládající se z monomerních jednotek – nukleotidů. Úlohu nukleových kyselin nelze přeceňovat. Stabilita jejich struktury určuje normální vitální aktivitu organismu a jakékoli odchylky ve struktuře nevyhnutelně povedou ke změně buněčné organizace, aktivity fyziologických procesů a životaschopnosti buněk jako celku.
Koncept nukleotidu a jeho vlastnosti
Každá molekula DNA nebo RNA je sestavena z menších monomerních sloučenin - nukleotidů. Jinými slovy, nukleotid je stavební materiál pro nukleové kyseliny, koenzymy a mnoho dalších biologických sloučenin, které jsou pro buňku v průběhu jejího života nezbytné.
K hlavním vlastnostem těchto nenahraditelnýchlátky lze přiřadit:
• ukládání informací o struktuře bílkovin a dědičných vlastnostech;
• kontrola růstu a reprodukce;
• účast na metabolismu a mnoha dalších fyziologických procesech probíhajících v buňce.
Složení nukleotidů
Když už mluvíme o nukleotidech, nelze se nezastavit u tak důležité otázky, jako je jejich struktura a složení.
Každý nukleotid se skládá z:
• cukerný zbytek;
• dusíkatá báze;
• fosfátová skupina nebo zbytek kyseliny fosforečné.
Dá se říci, že nukleotid je komplexní organická sloučenina. V závislosti na druhovém složení dusíkatých bází a typu pentózy ve struktuře nukleotidů se nukleové kyseliny dělí na:
• kyselina deoxyribonukleová nebo DNA;
• kyselina ribonukleová nebo RNA.
Složení nukleových kyselin
V nukleových kyselinách je cukr zastoupen pentózou. Jedná se o pětiuhlíkový cukr, v DNA se nazývá deoxyribóza, v RNA se nazývá ribóza. Každá molekula pentózy má pět atomů uhlíku, z nichž čtyři spolu s atomem kyslíku tvoří pětičlenný kruh a pátý je součástí skupiny HO-CH2.
Pozice každého atomu uhlíku v molekule pentózy je označena arabskou číslicí s prvočíslem (1C´, 2C´, 3C´, 4C´, 5C´). Protože všechny procesy čtení dědičné informace z molekuly nukleové kyseliny mají striktní směr, slouží číslování atomů uhlíku a jejich uspořádání v kruhu jako jakýsi indikátor správného směru.
Podle hydroxylové skupiny kzbytek kyseliny fosforečné je připojen ke třetímu a pátému atomu uhlíku (3С´ a 5С´). Určuje chemickou příslušnost DNA a RNA ke skupině kyselin.
Dusíkatá báze je připojena k prvnímu atomu uhlíku (1С´) v molekule cukru.
Druhové složení dusíkatých bází
Nukleotidy DNA podle dusíkaté báze jsou reprezentovány čtyřmi typy:
• adenin (A);
• guanin (G);
• cytosin (C);
• thymin (T).
První dva jsou puriny, poslední dva jsou pyrimidiny. Podle molekulové hmotnosti jsou puriny vždy těžší než pyrimidiny.
nukleotidy RNA podle dusíkaté báze jsou reprezentovány:
• adenin (A);
• guanin (G);
• cytosin (C);
• uracil (U).
Uracil, stejně jako thymin, je pyrimidinová báze.
V odborné literatuře lze často najít jiné označení dusíkatých bází - latinkou (A, T, C, G, U).
Pojďme se podrobněji zabývat chemickou strukturou purinů a pyrimidinů.
Pyrimidiny, jmenovitě cytosin, thymin a uracil, jsou reprezentovány dvěma atomy dusíku a čtyřmi atomy uhlíku, které tvoří šestičlenný kruh. Každý atom má své vlastní číslo od 1 do 6.
Puriny (adenin a guanin) se skládají z pyrimidinu a imidazolu nebo dvou heterocyklů. Molekula purinové báze je reprezentována čtyřmi atomy dusíku a pěti atomy uhlíku. Každý atom je očíslován od 1 do 9.
V důsledku spojení dusíkatýchbáze a pentózový zbytek tvoří nukleosid. Nukleotid je kombinací nukleosidu a fosfátové skupiny.
Vznik fosfodiesterových vazeb
Je důležité pochopit otázku, jak jsou nukleotidy spojeny v polypeptidovém řetězci a tvoří molekulu nukleové kyseliny. To se děje díky takzvaným fosfodiesterovým vazbám.
Interakcí dvou nukleotidů vzniká dinukleotid. Ke vzniku nové sloučeniny dochází kondenzací, kdy dochází k fosfodiesterové vazbě mezi fosfátovým zbytkem jednoho monomeru a hydroxyskupinou pentózy druhého.
Syntéza polynukleotidu je opakované opakování této reakce (několikrát milionkrát). Polynukleotidový řetězec je vybudován tvorbou fosfodiesterových vazeb mezi třetím a pátým uhlíkem cukrů (3С´ a 5С´).
Skládání polynukleotidů je komplexní proces, ke kterému dochází za účasti enzymu DNA polymerázy, který zajišťuje růst řetězce pouze z jednoho konce (3´) s volnou hydroxyskupinou.
Struktura molekuly DNA
Molekula DNA, stejně jako protein, může mít primární, sekundární a terciární strukturu.
Sekvence nukleotidů v řetězci DNA určuje jeho primární strukturu. Sekundární struktura je tvořena vodíkovými vazbami, které jsou založeny na principu komplementarity. Jinými slovy, při syntéze dvoušroubovice DNA funguje určitý vzorec: adenin jednoho řetězce odpovídá thyminu druhého, guanin cytosinu a naopak. Páry adenin a thymin nebo guanin a cytosinse tvoří v důsledku dvou v prvním a tří v posledním případě vodíkových vazeb. Takové spojení nukleotidů poskytuje silnou vazbu mezi řetězci a stejnou vzdálenost mezi nimi.
Znáte-li nukleotidovou sekvenci jednoho vlákna DNA, můžete dokončit druhý na principu komplementarity nebo sčítání.
Terciární struktura DNA je tvořena složitými trojrozměrnými vazbami, díky čemuž je její molekula kompaktnější a schopnější se vejít do malého objemu buňky. Takže například délka DNA E. coli je větší než 1 mm, zatímco délka buňky je menší než 5 mikronů.
Počet nukleotidů v DNA, konkrétně jejich kvantitativní poměr, se řídí Chergaffovým pravidlem (počet purinových bází je vždy roven počtu pyrimidinových bází). Vzdálenost mezi nukleotidy je konstantní hodnota rovna 0,34 nm, stejně jako jejich molekulová hmotnost.
Struktura molekuly RNA
RNA je reprezentována jedním polynukleotidovým řetězcem vytvořeným prostřednictvím kovalentních vazeb mezi pentózou (v tomto případě ribózou) a fosfátovým zbytkem. Je mnohem kratší než DNA. Rozdíly jsou i v druhovém složení dusíkatých bází v nukleotidu. V RNA se místo pyrimidinové báze thyminu používá uracil. V závislosti na funkcích vykonávaných v těle může být RNA tří typů.
• Ribozomální (rRNA) – obvykle obsahuje 3000 až 5000 nukleotidů. Jako nezbytná strukturální složka se podílí na tvorbě aktivního centra ribozomů, místa jednoho z nejdůležitějších procesů v buňce.- biosyntéza proteinů.
• Transport (tRNA) - sestává v průměru ze 75 - 95 nukleotidů, přenáší požadovanou aminokyselinu do místa syntézy polypeptidu v ribozomu. Každý typ tRNA (nejméně 40) má svou vlastní unikátní sekvenci monomerů nebo nukleotidů.
• Informační (mRNA) – velmi různorodé ve složení nukleotidů. Přenáší genetickou informaci z DNA do ribozomů, působí jako matrice pro syntézu molekuly proteinu.
Role nukleotidů v těle
Nukleotidy v buňce plní řadu důležitých funkcí:
• se používají jako stavební kameny pro nukleové kyseliny (nukleotidy purinové a pyrimidinové řady);
• se účastní mnoha metabolických procesů v buňce;
• jsou součástí ATP - hlavní zdroj energie v buňkách;
• působí jako nosiče redukčních ekvivalentů v buňkách (NAD+, NADP+, FAD, FMN);
• plní funkci bioregulátorů;
• lze považovat za druhé posly extracelulární pravidelnou syntézu (například cAMP nebo cGMP).
Nukleotid je monomerní jednotka, která tvoří složitější sloučeniny - nukleové kyseliny, bez kterých není přenos genetické informace, její ukládání a reprodukce nemožný. Volné nukleotidy jsou hlavními složkami zapojenými do signalizačních a energetických procesů, které podporují normální fungování buněk a těla jako celku.
