Visa dzīvība uz planētas sastāv no daudzām šūnām,savas organizācijas sakārtotības uzturēšana kodolā ietvertās ģenētiskās informācijas dēļ. To uzglabā, īsteno un pārraida sarežģīti lielmolekulāri savienojumi - nukleīnskābes, kas sastāv no monomēra vienībām - nukleotīdiem. Nukleīnskābju lomu nevar pārvērtēt. To struktūras stabilitāte nosaka normālu organisma darbību, un jebkuras novirzes struktūrā neizbēgami izraisa izmaiņas šūnu organizācijā, fizioloģisko procesu aktivitātē un šūnu dzīvotspējā kopumā.
Nukleotīda jēdziens un tā īpašības
Katra DNS vai RNS molekula sastāv no vairākāmmazie monomērie savienojumi - nukleotīdi. Citiem vārdiem sakot, nukleotīds ir būvmateriāls nukleīnskābēm, koenzīmiem un daudziem citiem bioloģiskiem savienojumiem, kas ir būtiski šūnai tās dzīves laikā.
Šo būtisko vielu galvenās īpašības ir:
• informācijas glabāšana par olbaltumvielu struktūru un iedzimtajām īpašībām;
• kontroles veikšana pār augšanu un vairošanos;
• līdzdalība vielmaiņā un daudzos citos šūnā notiekošos fizioloģiskos procesos.
Nukleotīdu sastāvs
Runājot par nukleotīdiem, nevar nepakavēties pie tik svarīga jautājuma kā to struktūra un sastāvs.
Katrs nukleotīds sastāv no:
• cukura atlikumi;
• slāpekļa bāze;
• fosfātu grupa vai fosforskābes atlikums.
Var teikt, ka nukleotīds ir sarežģīts organisks savienojums. Atkarībā no slāpekļa bāzu sugu sastāva un pentozes veida nukleotīdu struktūrā nukleīnskābes iedala:
• dezoksiribonukleīnskābe jeb DNS;
• ribonukleīnskābe jeb RNS.
Nukleīnskābju sastāvs
Nukleīnskābēs cukuru attēlo pentoze.Tas ir piecu oglekļa cukurs, ko sauc par dezoksiribozi DNS un ribozi RNS. Katrā pentozes molekulā ir pieci oglekļa atomi, četri no tiem kopā ar skābekļa atomu veido piecu locekļu gredzenu, bet piektā ir daļa no HO-CH2 grupas.
Katra oglekļa atoma atrašanās vieta molekulāpentozes ir apzīmētas ar arābu cipariem ar pirmskaitli (1C´, 2C´, 3C´, 4C´, 5C´). Tā kā visiem iedzimtības informācijas nolasīšanas procesiem no nukleīnskābes molekulas ir stingrs virziens, oglekļa atomu numerācija un to atrašanās vieta gredzenā kalpo kā sava veida pareizā virziena indikators.
Pie hidroksilgrupas fosforskābes atlikums ir piesaistīts trešajam un piektajam oglekļa atomam (3C´ un 5C´). Tas nosaka DNS un RNS ķīmisko piederību skābju grupai.
Slāpekļa bāze ir pievienota cukura molekulas pirmajam oglekļa atomam (1C').
Slāpekļa bāzu sugu sastāvs
DNS nukleotīdus, kuru pamatā ir slāpekļa bāze, pārstāv četri veidi:
• adenīns (A);
• guanīns (G);
• citozīns (C);
• timīns (T).
Pirmie divi pieder pie purīnu klases, pēdējie divi pieder pie pirimidīnu klases. Pēc molekulmasas purīni vienmēr ir smagāki par pirimidīniem.
RNS nukleotīdus, kuru pamatā ir slāpekļa bāze, attēlo:
• adenīns (A);
• guanīns (G);
• citozīns (C);
• uracils (U).
Uracils, tāpat kā timīns, ir pirimidīna bāze.
Zinātniskajā literatūrā bieži var atrast citu apzīmējumu slāpekļa bāzēm - latīņu burtiem (A, T, C, G, U).
Pakavēsimies sīkāk pie purīnu un pirimidīnu ķīmiskās struktūras.
Pirimidīni, proti, citozīns, timīns un uracils, sastāv no diviem slāpekļa atomiem un četriem oglekļa atomiem, veidojot sešu locekļu gredzenu. Katram atomam ir savs skaitlis no 1 līdz 6.
Purīni (adenīns un guanīns) sastāv no pirimidīna unimidazols vai divi heterocikli. Purīna bāzes molekulu attēlo četri slāpekļa atomi un pieci oglekļa atomi. Katrs atoms ir numurēts no 1 līdz 9.
Slāpekļa bāzes un pentozes atlikuma kombinācijas rezultātā veidojas nukleozīds. Nukleotīds ir nukleozīdu un fosfātu grupas kombinācija.
Fosfodiestera saišu veidošanās
Ir svarīgi saprast jautājumu par to, kā nukleotīdi ir savienoti polipeptīdu ķēdē un veido nukleīnskābes molekulu. Tas notiek tā saukto fosfodiestera saišu dēļ.
Divu nukleotīdu mijiedarbība rada dinukleotīdu.Jauna savienojuma veidošanās notiek kondensācijas ceļā, kad starp viena monomēra fosfāta atlikumu un cita monomēra pentozes hidroksigrupu veidojas fosfodiestera saite.
Polinukleotīdu sintēze - atkārtota atkārtošanašī reakcija (vairākus miljonus reižu). Polinukleotīdu ķēde tiek veidota, veidojot fosfodiestera saites starp cukura trešo un piekto oglekli (3C' un 5C').
Polinukleotīdu montāža ir sarežģīts process, kas notiek, piedaloties enzīmam DNS polimerāzei, kas nodrošina ķēdes augšanu tikai no viena gala (3´) ar brīvu hidroksigrupu.
DNS molekulas struktūra
DNS molekulai, tāpat kā proteīnam, var būt primārā, sekundārā un terciārā struktūra.
Nukleotīdu secība DNS ķēdēnosaka tā primāro struktūru. Sekundārā struktūra veidojas ūdeņraža saišu dēļ, kuru pamatā ir komplementaritātes princips. Citiem vārdiem sakot, DNS dubultspirāles sintēzes laikā darbojas noteikts modelis: vienas ķēdes adenīns atbilst otras ķēdes timīnam, guanīns - citozīnam un otrādi. Adenīna un timīna vai guanīna un citozīna pāri veidojas, pateicoties divām pirmajām un trīs otrajā gadījumā ūdeņraža saitēm. Šis nukleotīdu savienojums nodrošina spēcīgu ķēžu savienojumu un vienādu attālumu starp tām.
Zinot vienas DNS virknes nukleotīdu secību, otro var pabeigt, izmantojot komplementaritātes vai pievienošanas principu.
DNS terciāro struktūru veidosarežģītas trīsdimensiju saites, kas padara tās molekulu kompaktāku un spēj iekļauties nelielā šūnas tilpumā. Piemēram, E. coli DNS garums ir lielāks par 1 mm, bet šūnas garums ir mazāks par 5 mikroniem.
Nukleotīdu skaits DNS, proti, tiekvantitatīvā attiecība, pakļaujas Čergafa likumam (purīna bāzu skaits vienmēr ir vienāds ar pirimidīna bāzu skaitu). Attālums starp nukleotīdiem ir nemainīga vērtība, kas vienāda ar 0,34 nm, tāpat kā to molekulmasa.
RNS molekulas uzbūve
RNS attēlo viena polinukleotīdu ķēde,veidojas kovalentās saites starp pentozi (šajā gadījumā ribozi) un fosfāta daļu. Tas ir daudz īsāks nekā DNS. Atšķirības ir arī nukleotīdā esošo slāpekļa bāzu sugu sastāvā. RNS pirimidīna bāzes timīna vietā izmanto uracilu. Atkarībā no organismā veiktajām funkcijām RNS var būt trīs veidu.
• Ribosomāls (rRNS) – parasti satur no 3000līdz 5000 nukleotīdiem. Kā nepieciešama strukturāla sastāvdaļa tā piedalās ribosomu aktīvā centra veidošanā, kur notiek viens no svarīgākajiem procesiem šūnā - proteīnu biosintēze.
• Transports (tRNS) – vidēji sastāv no 75 -95 nukleotīdus, veic vajadzīgās aminoskābes pārnešanu uz polipeptīdu sintēzes vietu ribosomā. Katram tRNS tipam (vismaz 40) ir sava unikāla monomēru vai nukleotīdu secība.
• Informācija (mRNS) – ļoti daudzveidīga nukleotīdu sastāvā. Pārnes ģenētisko informāciju no DNS uz ribosomām un darbojas kā matrica proteīnu molekulu sintēzei.
Nukleotīdu loma organismā
Nukleotīdi šūnā veic vairākas svarīgas funkcijas:
• izmanto kā nukleīnskābju (purīna un pirimidīna sērijas nukleotīdu) celtniecības blokus;
• piedalīties daudzos vielmaiņas procesos šūnā;
• ir daļa no ATP – galvenā enerģijas avota šūnās;
• darboties kā reducējošu ekvivalentu nesēji šūnās (NAD+, NADP+, FAD, FMN);
• veikt bioregulatoru funkciju;
• var uzskatīt par ekstracelulārās regulārās sintēzes otriem vēstnešiem (piemēram, cAMP vai cGMP).
Nukleotīds ir monomēra vienība, kas veidojassarežģītāki savienojumi ir nukleīnskābes, bez kurām nav iespējama ģenētiskās informācijas nodošana, tās uzglabāšana un pavairošana. Brīvie nukleotīdi ir galvenie komponenti, kas iesaistīti signalizācijas un enerģijas procesos, kas atbalsta normālu šūnu un ķermeņa darbību kopumā.
