Všetok život na planéte pozostáva z mnohých buniek, ktoré si vďaka genetickej informácii obsiahnutej v jadre udržiavajú poriadok vo svojej organizácii. Ukladajú, realizujú a prenášajú ho zložité vysokomolekulárne zlúčeniny – nukleové kyseliny, pozostávajúce z monomérnych jednotiek – nukleotidov. Úlohu nukleových kyselín nemožno preceňovať. Stabilita ich štruktúry určuje normálnu životnú aktivitu organizmu a akékoľvek odchýlky v štruktúre nevyhnutne povedú k zmene bunkovej organizácie, aktivity fyziologických procesov a životaschopnosti buniek ako celku.
Koncept nukleotidu a jeho vlastnosti
Každá molekula DNA alebo RNA je zostavená z menších monomérnych zlúčenín - nukleotidov. Inými slovami, nukleotid je stavebným materiálom pre nukleové kyseliny, koenzýmy a mnohé ďalšie biologické zlúčeniny, ktoré sú nevyhnutné pre bunku v priebehu jej života.
K hlavným vlastnostiam týchto nenahraditeľnýchlátky možno priradiť:
• uchovávanie informácií o štruktúre bielkovín a dedičných vlastnostiach;
• kontrola nad rastom a reprodukciou;
• účasť na metabolizme a mnohých iných fyziologických procesoch prebiehajúcich v bunke.
Zloženie nukleotidov
Keď už hovoríme o nukleotidoch, nemôžeme sa pozastaviť nad takou dôležitou otázkou, ako je ich štruktúra a zloženie.
Každý nukleotid pozostáva z:
• cukrový zvyšok;
• dusíkatá zásada;
• fosfátová skupina alebo zvyšok kyseliny fosforečnej.
Dá sa povedať, že nukleotid je komplexná organická zlúčenina. V závislosti od druhového zloženia dusíkatých báz a typu pentózy v štruktúre nukleotidov sa nukleové kyseliny delia na:
• kyselina deoxyribonukleová alebo DNA;
• kyselina ribonukleová alebo RNA.
Zloženie nukleových kyselín
V nukleových kyselinách je cukor zastúpený pentózou. Ide o päťuhlíkový cukor, v DNA sa nazýva deoxyribóza, v RNA sa nazýva ribóza. Každá molekula pentózy má päť atómov uhlíka, z ktorých štyri spolu s atómom kyslíka tvoria päťčlenný kruh a piaty je súčasťou skupiny HO-CH2.
Pozícia každého atómu uhlíka v molekule pentózy je označená arabskou číslicou s prvočíslom (1C´, 2C´, 3C´, 4C´, 5C´). Keďže všetky procesy čítania dedičnej informácie z molekuly nukleovej kyseliny majú striktný smer, číslovanie atómov uhlíka a ich usporiadanie v kruhu slúži ako akýsi indikátor správneho smeru.
Podľa hydroxylovej skupiny kzvyšok kyseliny fosforečnej je pripojený k tretiemu a piatemu atómu uhlíka (3С´ a 5С´). Určuje chemickú príslušnosť DNA a RNA ku skupine kyselín.
Dusíkatá báza je pripojená k prvému atómu uhlíka (1С´) v molekule cukru.
Druhové zloženie dusíkatých zásad
Nukleotidy DNA podľa dusíkatých báz sú reprezentované štyrmi typmi:
• adenín (A);
• guanín (G);
• cytozín (C);
• tymín (T).
Prvé dva sú puríny, posledné dva sú pyrimidíny. Podľa molekulovej hmotnosti sú puríny vždy ťažšie ako pyrimidíny.
Nukleotidy RNA podľa dusíkatých báz sú reprezentované:
• adenín (A);
• guanín (G);
• cytozín (C);
• uracil (U).
Uracil, podobne ako tymín, je pyrimidínová báza.
V odbornej literatúre možno často nájsť iné označenie dusíkatých zásad - latinkou (A, T, C, G, U).
Poďme sa podrobnejšie venovať chemickej štruktúre purínov a pyrimidínov.
Pyrimidíny, menovite cytozín, tymín a uracil, sú reprezentované dvoma atómami dusíka a štyrmi atómami uhlíka, ktoré tvoria šesťčlenný kruh. Každý atóm má svoje vlastné číslo od 1 do 6.
Puríny (adenín a guanín) pozostávajú z pyrimidínu a imidazolu alebo dvoch heterocyklov. Molekula purínovej bázy je reprezentovaná štyrmi atómami dusíka a piatimi atómami uhlíka. Každý atóm je očíslovaný od 1 do 9.
V dôsledku spojenia dusíkatýchbáza a pentózový zvyšok tvoria nukleozid. Nukleotid je kombináciou nukleozidu a fosfátovej skupiny.
Tvorba fosfodiesterových väzieb
Je dôležité pochopiť otázku, ako sú nukleotidy spojené v polypeptidovom reťazci a tvoria molekulu nukleovej kyseliny. Stáva sa to vďaka takzvaným fosfodiesterovým väzbám.
Interakcia dvoch nukleotidov dáva dinukleotid. K tvorbe novej zlúčeniny dochádza kondenzáciou, keď medzi fosfátovým zvyškom jedného monoméru a hydroxyskupinou pentózy druhého monoméru vzniká fosfodiesterová väzba.
Syntéza polynukleotidu je opakované opakovanie tejto reakcie (niekoľko miliónov krát). Polynukleotidový reťazec je vytvorený tvorbou fosfodiesterových väzieb medzi tretím a piatym uhlíkom cukrov (3С´ a 5С´).
Skladanie polynukleotidov je zložitý proces, ktorý prebieha za účasti enzýmu DNA polymerázy, ktorý zabezpečuje rast reťazca len z jedného konca (3´) s voľnou hydroxyskupinou.
Štruktúra molekuly DNA
Molekula DNA, podobne ako proteín, môže mať primárnu, sekundárnu a terciárnu štruktúru.
Sekvencia nukleotidov v reťazci DNA určuje jeho primárnu štruktúru. Sekundárna štruktúra je tvorená vodíkovými väzbami, ktoré sú založené na princípe komplementarity. Inými slovami, počas syntézy dvojzávitnice DNA funguje určitý vzorec: adenín jedného reťazca zodpovedá tymínu druhého, guanín cytozínu a naopak. Páry adenínu a tymínu alebo guanínu a cytozínusa tvoria v dôsledku dvoch v prvom a troch v poslednom prípade vodíkových väzieb. Takéto spojenie nukleotidov poskytuje silnú väzbu medzi reťazcami a rovnakú vzdialenosť medzi nimi.
Keď poznáte nukleotidovú sekvenciu jedného vlákna DNA, môžete doplniť druhé na princípe komplementarity alebo sčítania.
Terciárna štruktúra DNA je tvorená zložitými trojrozmernými väzbami, vďaka čomu je jej molekula kompaktnejšia a schopnejšia zmestiť sa do malého objemu bunky. Takže napríklad dĺžka DNA E. coli je viac ako 1 mm, zatiaľ čo dĺžka bunky je menšia ako 5 mikrónov.
Počet nukleotidov v DNA, konkrétne ich kvantitatívny pomer, sa riadi Chergaffovým pravidlom (počet purínových báz sa vždy rovná počtu pyrimidínových báz). Vzdialenosť medzi nukleotidmi je konštantná hodnota rovná 0,34 nm, rovnako ako ich molekulová hmotnosť.
Štruktúra molekuly RNA
RNA je reprezentovaná jedným polynukleotidovým reťazcom vytvoreným prostredníctvom kovalentných väzieb medzi pentózou (v tomto prípade ribózou) a fosfátovým zvyškom. Jeho dĺžka je oveľa kratšia ako DNA. Rozdiely sú aj v druhovom zložení dusíkatých báz v nukleotide. V RNA sa namiesto pyrimidínovej bázy tymínu používa uracil. V závislosti od funkcií vykonávaných v tele môže byť RNA troch typov.
• Ribozomálna (rRNA) – zvyčajne obsahuje od 3000 do 5000 nukleotidov. Ako nevyhnutná štrukturálna zložka sa podieľa na tvorbe aktívneho centra ribozómov, miesta jedného z najdôležitejších procesov v bunke.- biosyntéza bielkovín.
• Transport (tRNA) - pozostáva v priemere zo 75 - 95 nukleotidov, prenáša požadovanú aminokyselinu do miesta syntézy polypeptidu v ribozóme. Každý typ tRNA (najmenej 40) má svoju jedinečnú sekvenciu monomérov alebo nukleotidov.
• Informačná (mRNA) – veľmi rôznorodá v zložení nukleotidov. Prenáša genetickú informáciu z DNA do ribozómov, pôsobí ako matrica pre syntézu molekuly proteínu.
Úloha nukleotidov v tele
Nukleotidy v bunke vykonávajú množstvo dôležitých funkcií:
• sa používajú ako stavebné kamene pre nukleové kyseliny (nukleotidy purínovej a pyrimidínovej série);
• sa podieľajú na mnohých metabolických procesoch v bunke;
• sú súčasťou ATP - hlavný zdroj energie v bunkách;
• pôsobia ako nosiče redukčných ekvivalentov v bunkách (NAD+, NADP+, FAD, FMN);
• plnia funkciu bioregulátorov;
• možno považovať za druhých poslov mimobunkovú pravidelnú syntézu (napríklad cAMP alebo cGMP).
Nukleotid je monomérna jednotka, ktorá tvorí zložitejšie zlúčeniny – nukleové kyseliny, bez ktorých nie je možný prenos genetickej informácie, jej ukladanie a rozmnožovanie. Voľné nukleotidy sú hlavné zložky zapojené do signalizačných a energetických procesov, ktoré podporujú normálne fungovanie buniek a organizmu ako celku.
