Nucleïnezuren, vooral DNA, zijn vrij goed bekend in de wetenschap. Dit wordt verklaard door het feit dat het de stoffen van de cel zijn, waarvan de opslag en overdracht van de erfelijke informatie afhangt. DNA, in 1868 ontdekt door F. Miescher, is een molecuul met uitgesproken zure eigenschappen. De wetenschapper isoleerde het uit de kernen van leukocyten - cellen van het immuunsysteem. In de loop van de volgende 50 jaar werden sporadisch nucleïnezuren onderzocht, aangezien de meeste biochemici eiwitten beschouwden als de belangrijkste organische stoffen die onder meer verantwoordelijk waren voor erfelijke eigenschappen.
Sinds de ontcijfering van de structuur van DNA door Watson en Crick in 1953, begon serieus onderzoek, waaruit bleek dat deoxyribonucleïnezuur een polymeer is en dat nucleotiden dienen als DNA-monomeren. Hun typen en structuur zullen door ons in dit werk worden bestudeerd.
Nucleotiden als structurele eenheden van erfelijke informatie
Een van de fundamentele eigenschappen van levende materie is het behoud en de overdracht van informatie over de structuur en functies van zowel de cel als het hele organismeover het algemeen. Deze rol wordt gespeeld door deoxyribonucleïnezuur en DNA-monomeren - nucleotiden zijn een soort "stenen" waaruit de unieke structuur van de erfelijke stof is opgebouwd. Laten we eens kijken door welke tekenen dieren in het wild werden geleid bij het maken van een nucleïnezuur-supercoil.
Hoe nucleotiden worden gevormd
Om deze vraag te beantwoorden, hebben we enige kennis van organische chemie nodig. In het bijzonder herinneren we eraan dat er in de natuur een groep stikstofbevattende heterocyclische glycosiden is gecombineerd met monosachariden - pentosen (deoxyribose of ribose). Ze worden nucleosiden genoemd. Adenosine en andere soorten nucleosiden zijn bijvoorbeeld aanwezig in het cytosol van een cel. Ze gaan een veresteringsreactie aan met orthofosforzuurmoleculen. De producten van dit proces zullen nucleotiden zijn. Elk DNA-monomeer, en er zijn vier typen, heeft een naam, zoals guanine-, thymine- en cytosine-nucleotiden.
Purinemonomeren van DNA
In de biochemie wordt een classificatie aangenomen die DNA-monomeren en hun structuur in twee groepen verdeelt: adenine- en guanine-nucleotiden zijn bijvoorbeeld purine. Ze bevatten derivaten van purine, een organische stof met de formule C5H4N44. Het DNA-monomeer, een guanine-nucleotide, bevat ook een purine-stikstofbase die is verbonden met deoxyribose door een N-glycosidische binding in de bètaconfiguratie.
Pyrimidine-nucleotiden
Stikstofhoudende basen,cytidine en thymidine genoemd, zijn derivaten van de organische stof pyrimidine. De formule is C4H4N2. Het molecuul is een zesledige vlakke heterocyclus die twee stikstofatomen bevat. Het is bekend dat in plaats van een thyminenucleotide, ribonucleïnezuurmoleculen, zoals rRNA, tRNA en mRNA, een uracil-monomeer bevatten. Tijdens transcriptie, tijdens de overdracht van informatie van het DNA-gen naar het mRNA-molecuul, wordt het thymine-nucleotide vervangen door adenine en het adenine-nucleotide wordt vervangen door uracil in de gesynthetiseerde mRNA-keten. Dat wil zeggen, het volgende record zal eerlijk zijn: A - U, T - A.
Chargaff-regel
In de vorige paragraaf hebben we het al gedeeltelijk gehad over de principes van correspondentie tussen monomeren in DNA-ketens en in het gen-mRNA-complex. De beroemde biochemicus E. Chargaff heeft een volledig unieke eigenschap van deoxyribonucleïnezuurmoleculen vastgesteld, namelijk dat het aantal adeninenucleotiden daarin altijd gelijk is aan thymine en guanine aan cytosine. De belangrijkste theoretische basis van Chargaffs principes was het onderzoek van Watson en Crick, die vaststelden welke monomeren het DNA-molecuul vormen en welke ruimtelijke organisatie ze hebben. Een ander patroon, afgeleid door Chargaff en het principe van complementariteit genoemd, geeft de chemische relatie aan van purine- en pyrimidinebasen en hun vermogen om waterstofbruggen te vormen wanneer ze met elkaar in wisselwerking staan. Dit betekent dat de rangschikking van monomeren in beide DNA-strengen strikt bepaald is: bijvoorbeeld tegenover A van de eerste DNA-streng kanalleen T is anders en er ontstaan twee waterstofbruggen tussen. Tegenover het guanine-nucleotide kan alleen cytosine worden gelokaliseerd. In dit geval vormen zich drie waterstofbruggen tussen de stikstofbasen.
De rol van nucleotiden in de genetische code
Om de reactie van eiwitbiosynthese in ribosomen uit te voeren, is er een mechanisme voor het overbrengen van informatie over de aminozuursamenstelling van het peptide van de mRNA-nucleotidesequentie naar de aminozuursequentie. Het bleek dat drie aangrenzende monomeren informatie bevatten over een van de 20 mogelijke aminozuren. Dit fenomeen wordt de genetische code genoemd. Bij het oplossen van problemen in de moleculaire biologie wordt het gebruikt om zowel de aminozuursamenstelling van een peptide te bepalen als de vraag te verduidelijken: welke monomeren vormen een DNA-molecuul, oftewel wat is de samenstelling van het overeenkomstige gen. Zo codeert het AAA-triplet (codon) in het gen voor het aminozuur fenylalanine in het eiwitmolecuul en in de genetische code komt het overeen met het UUU-triplet in de mRNA-keten.
Interactie van nucleotiden in het proces van DNA-verdubbeling
Zoals eerder werd ontdekt, zijn structurele eenheden, DNA-monomeren, nucleotiden. Hun specifieke volgorde in de ketens is de sjabloon voor het proces van synthese van het dochtermolecuul van deoxyribonucleïnezuur. Dit fenomeen doet zich voor in het S-stadium van de celinterfase. De nucleotidesequentie van een nieuw DNA-molecuul wordt geassembleerd op de ouderketens onder invloed van het DNA-polymerase-enzym, rekening houdend met het principecomplementariteit (A - T, D - C). Replicatie verwijst naar de reacties van matrixsynthese. Dit betekent dat de DNA-monomeren en hun structuur in de ouderketens als basis dienen, dat wil zeggen de matrix voor de onderliggende kopie.
Kan de structuur van een nucleotide veranderen
Trouwens, laten we zeggen dat deoxyribonucleïnezuur een zeer conservatieve structuur van de celkern is. Daar is een logische verklaring voor: de erfelijke informatie die is opgeslagen in het chromatine van de kern moet onveranderd blijven en onvervormd worden gekopieerd. Welnu, het cellulaire genoom wordt constant "onder het geweer gehouden" van omgevingsfactoren. Bijvoorbeeld agressieve chemische verbindingen zoals alcohol, drugs, radioactieve straling. Het zijn allemaal zogenaamde mutagenen, onder invloed waarvan elk DNA-monomeer zijn chemische structuur kan veranderen. Een dergelijke vervorming wordt in de biochemie een puntmutatie genoemd. De frequentie van hun voorkomen in het celgenoom is vrij hoog. Mutaties worden gecorrigeerd door het goed functionerende werk van het cellulaire reparatiesysteem, dat een reeks enzymen omvat.
Sommige van hen, bijvoorbeeld, restrictasen, "knippen" beschadigde nucleotiden uit, polymerasen zorgen voor de synthese van normale monomeren, ligasen "naaien" de herstelde delen van het gen. Als, om wat voor reden dan ook, het hierboven beschreven mechanisme niet werkt in de cel en het defecte DNA-monomeer in zijn molecuul blijft, wordt de mutatie opgepikt door de processen van matrixsynthese en manifesteert zich fenotypisch in de vorm van eiwitten met verminderde eigenschappen die zijn niet in staat om de noodzakelijke functies die inherent zijn aan hen incellulair metabolisme. Dit is een ernstige negatieve factor die de levensvatbaarheid van de cel vermindert en de levensduur verkort.
