Al het leven op de planeet bestaat uit vele cellen die de ordelijkheid van hun organisatie handhaven dankzij de genetische informatie in de kern. Het wordt opgeslagen, geïmplementeerd en overgedragen door complexe hoogmoleculaire verbindingen - nucleïnezuren, bestaande uit monomeereenheden - nucleotiden. De rol van nucleïnezuren kan niet worden overschat. De stabiliteit van hun structuur bepa alt de normale vitale activiteit van het organisme, en eventuele afwijkingen in de structuur zullen onvermijdelijk leiden tot een verandering in de cellulaire organisatie, de activiteit van fysiologische processen en de levensvatbaarheid van cellen als geheel.
Het concept van een nucleotide en zijn eigenschappen
Elk molecuul DNA of RNA is samengesteld uit kleinere monomere verbindingen - nucleotiden. Met andere woorden, een nucleotide is een bouwstof voor nucleïnezuren, co-enzymen en vele andere biologische verbindingen die essentieel zijn voor een cel in de loop van zijn leven.
Naar de belangrijkste eigenschappen van deze onvervangbarestoffen kunnen worden toegeschreven:
• opslag van informatie over eiwitstructuur en erfelijke eigenschappen;
• controle over groei en voortplanting;
• deelname aan het metabolisme en vele andere fysiologische processen die in de cel plaatsvinden.
Nucleotidesamenstelling
Over nucleotiden gesproken, men kan niet anders dan stilstaan bij zo'n belangrijke kwestie als hun structuur en samenstelling.
Elk nucleotide bestaat uit:
• suikerresidu;
• stikstofbase;
• fosfaatgroep of fosforzuurresidu.
Je kunt zeggen dat een nucleotide een complexe organische verbinding is. Afhankelijk van de soortsamenstelling van stikstofbasen en het type pentose in de nucleotidestructuur, worden nucleïnezuren onderverdeeld in:
• deoxyribonucleïnezuur of DNA;
• ribonucleïnezuur of RNA.
Samenstelling van nucleïnezuren
In nucleïnezuren wordt suiker voorgesteld door pentose. Dit is een suiker met vijf koolstofatomen, in DNA wordt het deoxyribose genoemd, in RNA wordt het ribose genoemd. Elk pentosemolecuul heeft vijf koolstofatomen, waarvan er vier, samen met een zuurstofatoom, een vijfledige ring vormen, en de vijfde maakt deel uit van de HO-CH2-groep.
De positie van elk koolstofatoom in een pentosemolecuul wordt aangegeven door een Arabisch cijfer met een priemgetal (1C´, 2C´, 3C´, 4C´, 5C´). Aangezien alle processen van het aflezen van erfelijke informatie van een nucleïnezuurmolecuul een strikte richting hebben, dienen de nummering van koolstofatomen en hun rangschikking in de ring als een soort indicator van de goede richting.
Volgens de hydroxylgroep naareen fosforzuurresidu is gehecht aan het derde en vijfde koolstofatoom (3С´ en 5С´). Het bepa alt de chemische binding van DNA en RNA aan de groep van zuren.
Een stikstofbase is bevestigd aan het eerste koolstofatoom (1С´) in een suikermolecuul.
Soortensamenstelling van stikstofbasen
DNA-nucleotiden per stikstofbase worden weergegeven door vier typen:
• adenine (A);
• guanine (G);
• cytosine (C);
• thymine (T).
De eerste twee zijn purines, de laatste twee zijn pyrimidines. Door molecuulgewicht zijn purines altijd zwaarder dan pyrimidines.
RNA-nucleotiden per stikstofbase worden weergegeven door:
• adenine (A);
• guanine (G);
• cytosine (C);
• uracil (U).
Uracil is, net als thymine, een pyrimidinebase.
In de wetenschappelijke literatuur kan men vaak een andere aanduiding van stikstofbasen vinden - in Latijnse letters (A, T, C, G, U).
Laten we dieper ingaan op de chemische structuur van purines en pyrimidines.
Pyrimidines, namelijk cytosine, thymine en uracil, worden weergegeven door twee stikstofatomen en vier koolstofatomen, die een zesledige ring vormen. Elk atoom heeft zijn eigen nummer van 1 tot 6.
Purines (adenine en guanine) bestaan uit pyrimidine en imidazool of twee heterocycli. Het purine-basemolecuul wordt weergegeven door vier stikstofatomen en vijf koolstofatomen. Elk atoom is genummerd van 1 tot 9.
Als gevolg van de aansluiting van stikstofhoudendeeen base en een pentoseresidu vormen een nucleoside. Een nucleotide is een combinatie van een nucleoside en een fosfaatgroep.
Vorming van fosfodiesterbindingen
Het is belangrijk om de vraag te begrijpen hoe nucleotiden in een polypeptideketen zijn verbonden en een nucleïnezuurmolecuul vormen. Dit gebeurt door de zogenaamde fosfodiesterbindingen.
De interactie van twee nucleotiden geeft een dinucleotide. De vorming van een nieuwe verbinding vindt plaats door condensatie, wanneer een fosfodiesterbinding optreedt tussen de fosfaatrest van het ene monomeer en de hydroxygroep van het pentose van een ander.
Synthese van een polynucleotide is herhaalde herhaling van deze reactie (meerdere miljoenen keren). De polynucleotideketen wordt opgebouwd door de vorming van fosfodiesterbindingen tussen het derde en vijfde koolstofatoom van suikers (3С´ en 5С´).
Polynucleotide-assemblage is een complex proces dat plaatsvindt met de deelname van het DNA-polymerase-enzym, dat zorgt voor de groei van de keten slechts vanaf één uiteinde (3´) met een vrije hydroxygroep.
Structuur van het DNA-molecuul
Een DNA-molecuul kan, net als een eiwit, een primaire, secundaire en tertiaire structuur hebben.
De volgorde van nucleotiden in een DNA-keten bepa alt de primaire structuur. De secundaire structuur wordt gevormd door waterstofbruggen, die gebaseerd zijn op het principe van complementariteit. Met andere woorden, tijdens de synthese van de dubbele DNA-helix werkt een bepaald patroon: adenine van de ene keten komt overeen met de thymine van de andere, guanine met cytosine en vice versa. Paren van adenine en thymine of guanine en cytosineworden gevormd door twee in het eerste en drie in het laatste geval waterstofbruggen. Zo'n verbinding van nucleotiden zorgt voor een sterke binding tussen de ketens en een gelijke afstand ertussen.
Als je de nucleotidesequentie van één DNA-streng kent, kun je de tweede voltooien door het principe van complementariteit of toevoeging.
De tertiaire structuur van DNA wordt gevormd door complexe driedimensionale bindingen, waardoor het molecuul compacter wordt en in een klein celvolume past. Zo is bijvoorbeeld de lengte van E. coli-DNA meer dan 1 mm, terwijl de lengte van de cel minder dan 5 micron is.
Het aantal nucleotiden in DNA, namelijk hun kwantitatieve verhouding, voldoet aan de Chergaff-regel (het aantal purinebasen is altijd gelijk aan het aantal pyrimidinebasen). De afstand tussen nucleotiden is een constante waarde gelijk aan 0,34 nm, evenals hun molecuulgewicht.
De structuur van het RNA-molecuul
RNA wordt weergegeven door een enkele polynucleotideketen gevormd door covalente bindingen tussen een pentose (in dit geval ribose) en een fosfaatresidu. Het is veel korter dan DNA in lengte. Er zijn ook verschillen in de soortensamenstelling van stikstofbasen in het nucleotide. In RNA wordt uracil gebruikt in plaats van de pyrimidinebase van thymine. Afhankelijk van de functies die in het lichaam worden uitgevoerd, kan RNA van drie typen zijn.
• Ribosomaal (rRNA) - bevat gewoonlijk 3000 tot 5000 nucleotiden. Als een noodzakelijke structurele component neemt het deel aan de vorming van het actieve centrum van ribosomen, de plaats van een van de belangrijkste processen in de cel- eiwitbiosynthese.
• Transport (tRNA) - bestaat uit gemiddeld 75 - 95 nucleotiden, transporteert het gewenste aminozuur naar de plaats van polypeptidesynthese in het ribosoom. Elk type tRNA (minstens 40) heeft zijn eigen unieke sequentie van monomeren of nucleotiden.
• Informatief (mRNA) - zeer divers in nucleotidesamenstelling. Brengt genetische informatie over van DNA naar ribosomen, fungeert als een matrix voor de synthese van een eiwitmolecuul.
De rol van nucleotiden in het lichaam
Nucleotiden in de cel vervullen een aantal belangrijke functies:
• worden gebruikt als bouwstenen voor nucleïnezuren (nucleotiden van de purine- en pyrimidine-reeks);
• zijn betrokken bij veel stofwisselingsprocessen in de cel;
• maken deel uit van ATP - de belangrijkste energiebron in cellen;
• fungeren als dragers van reducerende equivalenten in cellen (NAD+, NADP+, FAD, FMN);
• vervullen de functie van bioregulatoren;
• kan worden beschouwd als tweede boodschappers extracellulaire reguliere synthese (bijvoorbeeld cAMP of cGMP).
Nucleotide is een monomere eenheid die complexere verbindingen vormt - nucleïnezuren, zonder welke de overdracht van genetische informatie, de opslag en reproductie ervan onmogelijk is. Vrije nucleotiden zijn de belangrijkste componenten die betrokken zijn bij signaal- en energieprocessen die de normale werking van cellen en het lichaam als geheel ondersteunen.
