Toată viața de pe planetă este formată din multe celule care mențin ordinea organizării lor datorită informațiilor genetice conținute în nucleu. Este stocat, implementat și transmis de compuși complecși cu molecule în alte - acizi nucleici, constând din unități monomerice - nucleotide. Rolul acizilor nucleici nu poate fi supraestimat. Stabilitatea structurii lor determină activitatea vitală normală a organismului, iar orice abateri ale structurii vor duce inevitabil la o schimbare a organizării celulare, a activității proceselor fiziologice și a viabilității celulelor în ansamblu.
Conceptul de nucleotidă și proprietățile sale
Fiecare moleculă de ADN sau ARN este asamblată din compuși monomeri mai mici - nucleotide. Cu alte cuvinte, o nucleotidă este un material de construcție pentru acizi nucleici, coenzime și mulți alți compuși biologici care sunt esențiali pentru o celulă în cursul vieții sale.
La principalele proprietăți ale acestor de neînlocuitsubstanțele pot fi atribuite:
• stocarea informațiilor despre structura proteinelor și trăsăturile moștenite;
• control asupra creșterii și reproducerii;
• participarea la metabolism și la multe alte procese fiziologice care au loc în celulă.
Compoziție de nucleotide
Vorbind despre nucleotide, nu putem decât să ne oprim pe o problemă atât de importantă precum structura și compoziția lor.
Fiecare nucleotidă constă din:
• reziduu de zahăr;
• bază azotată;
• grupare fosfat sau reziduu de acid fosforic.
Se poate spune că o nucleotidă este un compus organic complex. În funcție de compoziția specifică a bazelor azotate și de tipul de pentoză din structura nucleotidei, acizii nucleici sunt împărțiți în:
• acid dezoxiribonucleic sau ADN;
• acid ribonucleic sau ARN.
Compoziția acizilor nucleici
În acizii nucleici, zahărul este reprezentat de pentoză. Acesta este un zahăr cu cinci atomi de carbon, în ADN se numește deoxiriboză, în ARN se numește riboză. Fiecare moleculă de pentoză are cinci atomi de carbon, dintre care patru, împreună cu un atom de oxigen, formează un inel cu cinci membri, iar al cincilea face parte din grupa HO-CH2.
Poziția fiecărui atom de carbon într-o moleculă de pentoză este indicată printr-un număr arab cu un prim (1C´, 2C´, 3C´, 4C´, 5C´). Deoarece toate procesele de citire a informațiilor ereditare dintr-o moleculă de acid nucleic au o direcție strictă, numerotarea atomilor de carbon și aranjarea lor în inel servesc ca un fel de indicator al direcției corecte.
Conform grupării hidroxil laun rest de acid fosforic este atașat la al treilea și al cincilea atom de carbon (3С´ și 5С´). Determină afilierea chimică a ADN-ului și ARN-ului la grupul de acizi.
O bază azotată este atașată la primul atom de carbon (1С´) dintr-o moleculă de zahăr.
Compoziția speciilor a bazelor azotate
Nucleotidele ADN pe bază de azot sunt reprezentate de patru tipuri:
• adenină (A);
• guanină (G);
• citozină (C);
• timină (T).
Primele două sunt purine, ultimele două sunt pirimidine. După greutatea moleculară, purinele sunt întotdeauna mai grele decât pirimidinele.
Nucleotidele ARN pe bază de azot sunt reprezentate de:
• adenină (A);
• guanină (G);
• citozină (C);
• uracil (U).
Uracil, ca și timina, este o bază de pirimidină.
În literatura științifică, se poate găsi adesea o altă denumire a bazelor azotate - cu litere latine (A, T, C, G, U).
Să ne oprim mai în detaliu asupra structurii chimice a purinelor și pirimidinelor.
Pirimidinele, și anume citozina, timina și uracilul, sunt reprezentate de doi atomi de azot și patru atomi de carbon, formând un inel cu șase atomi. Fiecare atom are propriul său număr de la 1 la 6.
Purinele (adenina și guanina) constau din pirimidină și imidazol sau din doi heterocicli. Molecula de bază purinică este reprezentată de patru atomi de azot și cinci atomi de carbon. Fiecare atom este numerotat de la 1 la 9.
Ca urmare a conexiunii azotateloro bază și un reziduu de pentoză formează o nucleozidă. O nucleotidă este o combinație între o nucleozidă și o grupare fosfat.
Formarea legăturilor fosfodiesterice
Este important să înțelegem întrebarea cum sunt conectate nucleotidele într-un lanț polipeptidic și formează o moleculă de acid nucleic. Acest lucru se întâmplă din cauza așa-numitelor legături fosfodiesterice.
Interacțiunea a două nucleotide dă o dinucleotidă. Formarea unui nou compus are loc prin condensare, atunci când are loc o legătură fosfodiester între reziduul fosfat al unui monomer și gruparea hidroxi a pentozei altuia.
Sinteza unei polinucleotide este repetarea repetată a acestei reacții (de câteva milioane de ori). Lanțul polinucleotidic este construit prin formarea de legături fosfodiester între al treilea și al cincilea atomi de carbon al zaharurilor (3С´ și 5С´).
Asamblarea polinucleotidelor este un proces complex care are loc cu participarea enzimei ADN polimerază, care asigură creșterea lanțului doar de la un capăt (3´) cu o grupare hidroxi liberă.
Structura moleculei de ADN
O moleculă de ADN, ca o proteină, poate avea o structură primară, secundară și terțiară.
Secvența de nucleotide dintr-un lanț de ADN determină structura sa primară. Structura secundară este formată din legături de hidrogen, care se bazează pe principiul complementarității. Cu alte cuvinte, în timpul sintezei dublei helix ADN, operează un anumit tipar: adenina dintr-un lanț corespunde timinei celuil alt, guanina citozinei și invers. Perechi de adenină și timină sau guanină și citozinăse formează datorită a două legături de hidrogen în primul caz și trei în ultimul caz. O astfel de conexiune de nucleotide asigură o legătură puternică între lanțuri și o distanță egală între ele.
Cunoscând secvența de nucleotide a unei catene de ADN, o puteți completa pe a doua prin principiul complementarității sau al adunării.
Structura terțiară a ADN-ului este formată din legături tridimensionale complexe, ceea ce face ca molecula sa să fie mai compactă și să se potrivească într-un volum mic de celule. Deci, de exemplu, lungimea ADN-ului E. coli este mai mare de 1 mm, în timp ce lungimea celulei este mai mică de 5 microni.
Numărul de nucleotide din ADN, și anume raportul lor cantitativ, respectă regula Chergaff (numărul de baze purinice este întotdeauna egal cu numărul de baze pirimidinice). Distanța dintre nucleotide este o valoare constantă egală cu 0,34 nm, ca și greutatea lor moleculară.
Structura moleculei de ARN
ARN este reprezentat de un singur lanț polinucleotidic format prin legături covalente între o pentoză (în acest caz, riboză) și un rest fosfat. Are lungimea mult mai scurtă decât ADN-ul. Există, de asemenea, diferențe în compoziția speciilor a bazelor azotate din nucleotidă. În ARN, uracilul este utilizat în locul bazei pirimidinice a timinei. În funcție de funcțiile îndeplinite în organism, ARN-ul poate fi de trei tipuri.
• Ribozomal (ARNr) - conține de obicei de la 3000 la 5000 de nucleotide. Ca componentă structurală necesară, participă la formarea centrului activ al ribozomilor, locul unuia dintre cele mai importante procese din celulă.- biosinteza proteinelor.
• Transport (ARNt) - constă în medie din 75 - 95 nucleotide, transferă aminoacidul dorit la locul sintezei polipeptidelor din ribozom. Fiecare tip de ARNt (cel puțin 40) are propria sa secvență unică de monomeri sau nucleotide.
• Informațional (ARNm) - foarte divers în compoziția nucleotidei. Transferă informația genetică de la ADN la ribozomi, acționează ca o matrice pentru sinteza unei molecule de proteine.
Rolul nucleotidelor în organism
Nucleotidele din celulă îndeplinesc o serie de funcții importante:
• sunt utilizate ca blocuri de construcție pentru acizii nucleici (nucleotidele din seria purinelor și pirimidinelor);
• sunt implicate în multe procese metabolice din celulă;
• fac parte din ATP - principala sursă de energie în celule;
• acționează ca purtători ai echivalenților reducători în celule (NAD+, NADP+, FAD, FMN);
• îndeplinesc funcția de bioregulatori;
• poate fi considerat ca mesageri secundi ai sintezei extracelulare regulate (de exemplu, cAMP sau cGMP).
Nucleotidul este o unitate monomerică care formează compuși mai complecși - acizi nucleici, fără de care transferul informațiilor genetice, stocarea și reproducerea acesteia sunt imposibile. Nucleotidele libere sunt principalele componente implicate în procesele de semnalizare și energie care susțin funcționarea normală a celulelor și a corpului în ansamblu.
