Visa dzīvība uz planētas sastāv no daudzām šūnām, kas uztur sakārtotību savā organizācijā kodolā esošās ģenētiskās informācijas dēļ. To uzglabā, realizē un pārraida sarežģīti lielmolekulāri savienojumi - nukleīnskābes, kas sastāv no monomēra vienībām - nukleotīdiem. Nukleīnskābju lomu nevar pārvērtēt. To struktūras stabilitāte nosaka normālu organisma vitālo aktivitāti, un jebkuras novirzes struktūrā neizbēgami novedīs pie izmaiņām šūnu organizācijā, fizioloģisko procesu aktivitātē un šūnu dzīvotspējā kopumā.
Nukleotīda jēdziens un tā īpašības
Katra DNS vai RNS molekula tiek samontēta no mazākiem monomēru savienojumiem – nukleotīdiem. Citiem vārdiem sakot, nukleotīds ir būvmateriāls nukleīnskābēm, koenzīmiem un daudziem citiem bioloģiskiem savienojumiem, kas ir būtiski šūnai tās dzīves laikā.
Šo neaizvietojamo galvenajām īpašībāmvielas var attiecināt:
• informācijas uzglabāšana par olb altumvielu struktūru un iedzimtajām iezīmēm;
• augšanas un vairošanās kontrole;
• līdzdalība vielmaiņas un daudzos citos šūnā notiekošos fizioloģiskajos procesos.
Nukleotīdu sastāvs
Runājot par nukleotīdiem, nevar nepakavēties pie tik svarīga jautājuma kā to struktūra un sastāvs.
Katrs nukleotīds sastāv no:
• cukura atlikums;
• 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 vai DNS;
• ribonukleīnskābe vai RNS.
Nukleīnskābju sastāvs
Nukleīnskābēs cukuru attēlo pentoze. Tas ir piecu oglekļa cukurs, DNS to sauc par dezoksiribozi, RNS to sauc par ribozi. Katrā pentozes molekulā ir pieci oglekļa atomi, no kuriem četri kopā ar skābekļa atomu veido piecu locekļu gredzenu, bet piektā ir daļa no HO-CH2 grupas.
Katra oglekļa atoma atrašanās vieta pentozes molekulā ir norādīta 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 izvietojums gredzenā kalpo kā sava veida pareizā virziena indikators.
Saskaņā ar hidroksilgrupu uzpie trešā un piektā oglekļa atoma (3С´ un 5С´) ir piesaistīts fosforskābes atlikums. Tas nosaka DNS un RNS ķīmisko piederību skābju grupai.
Slāpekļa bāze ir pievienota pirmajam oglekļa atomam (1С´) cukura molekulā.
Slāpekļa bāzu sugu sastāvs
DNS nukleotīdus pēc slāpekļa bāzes apzīmē četri veidi:
• adenīns (A);
• guanīns (G);
• citozīns (C);
• timīns (T).
Pirmie divi ir purīni, pēdējie divi ir pirimidīni. Pēc molekulmasas purīni vienmēr ir smagāki par pirimidīniem.
RNS nukleotīdus ar slāpekļa bāzi apzīmē ar:
• adenīns (A);
• guanīns (G);
• citozīns (C);
• uracils (U).
Uracils, tāpat kā timīns, ir pirimidīna bāze.
Zinātniskajā literatūrā bieži var atrast citu slāpekļa bāzu apzīmējumu - latīņu burtiem (A, T, C, G, U).
Pakavēsimies sīkāk pie purīnu un pirimidīnu ķīmiskās struktūras.
Pirimidīnus, proti, citozīnu, timīnu un uracilu, attēlo divi slāpekļa atomi un četri oglekļa atomi, veidojot sešu locekļu gredzenu. Katram atomam ir savs skaitlis no 1 līdz 6.
Purīni (adenīns un guanīns) sastāv no pirimidīna un imidazola vai diviem heterocikliem. Purīna bāzes molekulu attēlo četri slāpekļa atomi un pieci oglekļa atomi. Katrs atoms ir numurēts no 1 līdz 9.
Slāpekļa savienojuma rezultātābāze un pentozes atlikums veido nukleozīdu. 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.
Polinukleotīda sintēze ir atkārtota šīs reakcijas atkārtošana (vairākus miljonus reižu). Polinukleotīdu ķēde tiek veidota, veidojot fosfodiestera saites starp cukura trešo un piekto oglekli (3С´ un 5С´).
Polinukleotīdu montāža ir sarežģīts process, kas notiek ar DNS polimerāzes enzīma līdzdalību, 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 ķēdē nosaka tās primāro struktūru. Sekundāro struktūru veido ūdeņraža saites, 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 pāriveidojas divu pirmajā un trīs pēdējā gadījumā ūdeņraža saišu dēļ. Šāds nukleotīdu savienojums nodrošina spēcīgu saikni starp ķēdēm un vienādu attālumu starp tām.
Zinot vienas DNS virknes nukleotīdu secību, otro var pabeigt pēc komplementaritātes vai pievienošanas principa.
DNS terciāro struktūru veido sarežģītas trīsdimensiju saites, kas padara tās molekulu kompaktāku un spējīgu iekļauties nelielā šūnas tilpumā. Tā, piemēram, E. coli DNS garums ir lielāks par 1 mm, bet šūnas garums ir mazāks par 5 mikroniem.
Nukleotīdu skaits DNS, proti, to kvantitatīvā attiecība, atbilst 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 struktūra
RNS ir attēlota ar vienu polinukleotīdu ķēdi, kas veidojas ar kovalentām saitēm starp pentozi (šajā gadījumā ribozi) un fosfāta atlikumu. Tas ir daudz īsāks nekā DNS garumā. Atšķirības ir arī nukleotīdā esošo slāpekļa bāzu sugu sastāvā. RNS timīna pirimidīna bāzes vietā izmanto uracilu. Atkarībā no organismā veiktajām funkcijām RNS var būt trīs veidu.
• Ribosomāls (rRNS) – parasti satur no 3000 līdz 5000 nukleotīdu. Kā nepieciešama struktūras sastāvdaļa tā piedalās ribosomu aktīvā centra veidošanā, kas ir viens no svarīgākajiem procesiem šūnā.- proteīnu biosintēze.
• Transports (tRNS) - sastāv vidēji no 75 - 95 nukleotīdiem, pārnes vēlamo aminoskābi uz polipeptīdu sintēzes vietu ribosomā. Katram tRNS tipam (vismaz 40) ir sava unikāla monomēru vai nukleotīdu secība.
• Informatīvā (mRNS) – ļoti daudzveidīga nukleotīdu sastāvā. Pārnes ģenētisko informāciju no DNS uz ribosomām, darbojas kā matrica proteīna molekulas sintēzei.
Nukleotīdu loma organismā
Nukleotīdi šūnā veic vairākas svarīgas funkcijas:
• tiek izmantoti kā nukleīnskābju veidošanas bloki (purīna un pirimidīna sērijas nukleotīdi);
• ir iesaistīti daudzos vielmaiņas procesos šūnā;
• ir daļa no ATP - galvenais enerģijas avots šūnās;
• darbojas kā reducējošu ekvivalentu nesēji šūnās (NAD+, NADP+, FAD, FMN);
• veic bioregulatoru funkciju;
• var uzskatīt par sekundārajiem ārpusšūnu regulārās sintēzes vēstnešiem (piemēram, cAMP vai cGMP).
Nukleotīds ir monomēra vienība, kas veido sarežģītākus savienojumus – nukleīnskābes, bez kurām nav iespējama ģenētiskās informācijas nodošana, tās uzglabāšana un pavairošana. Brīvie nukleotīdi ir galvenie komponenti, kas iesaistīti signālu un enerģijas procesos, kas atbalsta normālu šūnu un ķermeņa darbību kopumā.
