Nukleové kyseliny, najmä DNA, sú vo vede pomerne dobre známe. Vysvetľuje sa to tým, že ide o látky bunky, od ktorých závisí ukladanie a prenos jej dedičných informácií. DNA, ktorú v roku 1868 objavil F. Miescher, je molekula s výraznými kyslými vlastnosťami. Vedec ho izoloval z jadier leukocytov – buniek imunitného systému. Počas nasledujúcich 50 rokov sa štúdie nukleových kyselín uskutočňovali sporadicky, pretože väčšina biochemikov považovala proteíny za hlavné organické látky zodpovedné okrem iného za dedičné vlastnosti.
Od rozlúštenia štruktúry DNA Watsonom a Crickom v roku 1953 sa začal seriózny výskum, ktorý zistil, že kyselina deoxyribonukleová je polymér a nukleotidy slúžia ako monoméry DNA. Ich typy a štruktúru budeme študovať v tejto práci.
Nukleotidy ako štruktúrne jednotky dedičnej informácie
Jednou zo základných vlastností živej hmoty je uchovávanie a prenos informácií o stavbe a funkciách bunky aj celého organizmuvšeobecne. Túto úlohu zohráva deoxyribonukleová kyselina a monoméry DNA - nukleotidy sú akési "tehly", z ktorých je postavená jedinečná štruktúra látky dedičnosti. Pozrime sa, akými znakmi sa divá zver riadila pri vytváraní supercoil nukleovej kyseliny.
Ako vznikajú nukleotidy
Na zodpovedanie tejto otázky potrebujeme určité znalosti z organickej chémie. Najmä pripomíname, že v prírode existuje skupina heterocyklických glykozidov obsahujúcich dusík kombinovaných s monosacharidmi - pentózami (deoxyribóza alebo ribóza). Nazývajú sa nukleozidy. Napríklad adenozín a iné typy nukleozidov sú prítomné v cytosóle bunky. Vstupujú do esterifikačnej reakcie s molekulami kyseliny ortofosforečnej. Produktom tohto procesu budú nukleotidy. Každý monomér DNA, a existujú štyri typy, má svoj názov, napríklad nukleotidy guanín, tymín a cytozín.
Purinové monoméry DNA
V biochémii sa používa klasifikácia, ktorá rozdeľuje monoméry DNA a ich štruktúru do dvoch skupín: napríklad adenínové a guanínové nukleotidy sú purínové. Obsahujú deriváty purínu, organickej látky so vzorcom C5H4N44. Monomér DNA, guanínový nukleotid, obsahuje aj purínovú dusíkatú bázu spojenú s deoxyribózou N-glykozidovou väzbou v beta konfigurácii.
Pyrimidínové nukleotidy
Dusíkaté zásady,nazývané cytidín a tymidín, sú derivátmi organickej látky pyrimidínu. Jeho vzorec je C4H4N2. Molekula je šesťčlenný planárny heterocyklus obsahujúci dva atómy dusíka. Je známe, že namiesto tymínového nukleotidu obsahujú molekuly ribonukleovej kyseliny, ako je rRNA, tRNA a mRNA, uracilový monomér. Pri transkripcii, pri prenose informácie z génu DNA do molekuly mRNA, je tymínový nukleotid nahradený adenínom a adenínový nukleotid je nahradený uracilom v syntetizovanom reťazci mRNA. To znamená, že nasledujúci záznam bude spravodlivý: A - U, T - A.
Pravidlo Charaffa
V predchádzajúcej časti sme sa už čiastočne dotkli princípov korešpondencie medzi monomérmi v reťazcoch DNA a v komplexe gén-mRNA. Slávny biochemik E. Chargaff stanovil úplne jedinečnú vlastnosť molekúl deoxyribonukleovej kyseliny, a to, že počet adenínových nukleotidov v nich je vždy rovnaký ako tymín a guanín - cytozín. Hlavným teoretickým základom Chargaffových princípov bol výskum Watsona a Cricka, ktorí zistili, ktoré monoméry tvoria molekulu DNA a akú majú priestorovú organizáciu. Ďalší vzor, odvodený Chargaffom a nazývaný princíp komplementarity, naznačuje chemický vzťah purínových a pyrimidínových báz a ich schopnosť vytvárať vodíkové väzby pri vzájomnej interakcii. To znamená, že usporiadanie monomérov v oboch reťazcoch DNA je prísne určené: napríklad protiľahlý A prvého reťazca DNA môže byťiba T je rozdielne a vznikajú medzi nimi dve vodíkové väzby. Oproti guanínovému nukleotidu môže byť lokalizovaný iba cytozín. V tomto prípade sa medzi dusíkatými zásadami vytvoria tri vodíkové väzby.
Úloha nukleotidov v genetickom kóde
Na uskutočnenie reakcie biosyntézy proteínov prebiehajúcej v ribozómoch existuje mechanizmus na prenos informácií o zložení aminokyselín peptidu z nukleotidovej sekvencie mRNA do sekvencie aminokyselín. Ukázalo sa, že tri susediace monoméry nesú informáciu o jednej z 20 možných aminokyselín. Tento jav sa nazýva genetický kód. Pri riešení problémov v molekulárnej biológii sa používa na určenie zloženia aminokyselín peptidu a na objasnenie otázky: ktoré monoméry tvoria molekulu DNA, inými slovami, aké je zloženie zodpovedajúceho génu. Napríklad triplet (kodón) AAA v géne kóduje aminokyselinu fenylalanín v molekule proteínu a v genetickom kóde bude zodpovedať tripletu UUU v reťazci mRNA.
Interakcia nukleotidov v procese reduplikácie DNA
Ako už bolo zistené, štruktúrne jednotky, monoméry DNA sú nukleotidy. Ich špecifická sekvencia v reťazcoch je templátom pre proces syntézy dcérskej molekuly deoxyribonukleovej kyseliny. Tento jav sa vyskytuje v S-štádiu bunkovej interfázy. Nukleotidová sekvencia novej molekuly DNA je zostavená na rodičovských reťazcoch pôsobením enzýmu DNA polymerázy, pričom sa berie do úvahy princípkomplementarita (A - T, D - C). Replikácia sa týka reakcií syntézy matrice. To znamená, že monoméry DNA a ich štruktúra v rodičovských reťazcoch slúžia ako základ, teda matrica pre jej dcérsku kópiu.
Môže sa zmeniť štruktúra nukleotidu
Mimochodom, povedzme, že kyselina deoxyribonukleová je veľmi konzervatívna štruktúra bunkového jadra. Má to logické vysvetlenie: dedičná informácia uložená v chromatíne jadra musí byť nezmenená a skopírovaná bez skreslenia. No, bunkový genóm je neustále „pod pištoľou“faktorov prostredia. Napríklad také agresívne chemické zlúčeniny ako alkohol, drogy, rádioaktívne žiarenie. Všetky z nich sú takzvané mutagény, pod vplyvom ktorých môže ktorýkoľvek monomér DNA zmeniť svoju chemickú štruktúru. Takéto skreslenie v biochémii sa nazýva bodová mutácia. Frekvencia ich výskytu v bunkovom genóme je pomerne vysoká. Mutácie sú korigované dobre fungujúcou prácou bunkového opravného systému, ktorý zahŕňa súbor enzýmov.
Niektoré z nich, napríklad restriktázy, „vystrihujú“poškodené nukleotidy, polymerázy zabezpečujú syntézu normálnych monomérov, ligázy „šijú“obnovené úseky génu. Ak z nejakého dôvodu vyššie opísaný mechanizmus v bunke nefunguje a defektný monomér DNA zostane v jej molekule, mutácia je zachytená procesmi syntézy matrice a fenotypicky sa prejaví vo forme proteínov so zhoršenými vlastnosťami, ktoré nie sú schopné vykonávať potrebné funkcie, ktoré sú im vlastnébunkový metabolizmus. Toto je vážny negatívny faktor, ktorý znižuje životaschopnosť bunky a skracuje jej životnosť.
