Зміст:

✅Нуклеотид: будова, маса довжина, послідовність

Все живе на планеті складається з численних клітин. Вони підтримують впорядкованість своєї організації за допомогою генетичної інформації, що міститься в ядрі, яка зберігається, передається і реалізується високомолекулярними складними сполуками – нуклеїновими кислотами.

Кислоти ці, своєю чергою, складаються з мономерних ланок – нуклеотидів.

Роль нуклеїнових кислот переоцінити неможливо. Нормальна життєдіяльність організму визначається стабільністю їх структури.

Якщо в будові відбуваються будь-які відхилення, змінюється кількість або послідовність – це обов’язково призводить до змін в клітинній організації. Змінюється активність фізіологічних процесів і життєдіяльність клітин.

Поняття нуклеотиду

Як і білки, нуклеїнові кислоти необхідні для життя. Це генетичний матеріал всіх живих організмів, включаючи віруси.

З’ясування структури одного з двох типів нуклеїнових кислот ДНК дозволило зрозуміти, яким чином в живих організмах зберігається інформація, необхідна для регулювання життєдіяльності і як вона передається потомству.

Нуклеотид являє собою мономірним одиницю, що утворить з’єднання більш складні – нуклеїнові кислоти. Без них неможливе зберігання, відтворення і передача генетичної інформації. Вільні нуклеотиди – головні компоненти, які беруть участь в енергетичних і в сигнальних процесах.

Вони підтримують нормальну життєдіяльність окремих клітин і організму в цілому. З них будуються довгі молекули – полінуклеотиди. Щоб розібратися зі структурою полінуклеотида слід зрозуміти будову нуклеотидів.

Що таке нуклеотид? Молекули ДНК зібрані з дрібних мономерних сполук. Іншими словами, нуклеотид – це органічне складне з’єднання, що являє собою складову частину нуклеїнових кислот та інших біологічних сполук, необхідних для життєдіяльності клітини.

Склад і основні властивості нуклеотидів

До складу молекули нуклеотиду (мононуклеотида) в певній послідовності входять три хімічні сполуки:

Пентоза або п’ятикутний цукор:

дезоксирибоза. Ці нуклеотиди називають дезоксірибонуклеотидів. Вони входять до складу ДНК;
рибоза. Нуклеотиди входять до складу РНК і називаються рибонуклеотид.
Азотиста піримідинова або пуринова основа, пов’язана з вуглецевим атомом цукру. Це з’єднання називають нуклеозидом
Фосфатна група, що складається із залишків фосфорної кислоти (в кількості від одного до трьох). Приєднується до вуглецю цукру ефірними зв’язками, що утворюють молекулу нуклеотиду.

Властивостями нуклеотидів є:

участь в метаболізмі і інших фізіологічних процесах, які протікають в клітині;
здійснення контролю над репродукцією і зростанням;
зберігання інформації про успадкованих ознаках і про структуру білка.

Нуклеїнові кислоти

Цукор в нуклеїнових кислотах представлений пентози. У РНК п’ятивуглецевий цукор називається рибозой, в ДНК – дезоксирибозою. У кожній молекулі пентози п’ять атомів вуглецю, з яких чотири утворюють кільце з атомом кисню, а п’ятий атом входить до групи НО-СН2.

У молекулі положення атома вуглецю позначається цифрою зі штрихом (наприклад: 1C’, 3C’, 5C’). Оскільки у віх процесів зчитування з молекули нуклеїнової кислоти спадкової інформації є сувора спрямованість, нумерація вуглецевих атомів і їх розташування служать дороговказом вірного напряму.

З першим вуглецевим атомом 1C’ в молекулі цукру з’єднується азотистих основ.

До третього і п’ятого вуглецевим атомам по гідроксильної групі (3C’, 5C’) приєднується залишок фосфорної кислоти, який визначає хімічну приналежність до групи кислот ДНК і РНК.

Склад азотистих основ

Види нуклеотидів по азотистій основі ДНК:

Два останні належать до класу піримідинів:

Пуринові з’єднання з молекулярної масі важче піримідинових.

Нуклеотиди РНК по азотистому з’єднанню представлені:

Так само, як тимін, урацил є пірімідіновою основою. Нерідко в науковій літературі азотисті основи позначаються латинськими літерами (A, T, C, G, U).

Піримідинів, а саме тимін, цитозин, урацил представлені шестичленним кільцем, що складається з двох атомів азоту і чотирьох атомів вуглецю, послідовно пронумерованих, від 1 до 6.

Пурини (гуанін і аднін) складаються з імідазолу і піримідину. У молекулах пуринових основ чотири атоми азоту і п’ять атомів вуглецю. У кожного атома є свій номер від 1 дот 9.

Результатом з’єднань азотистих залишків із залишками пентози є нуклеозид. Нуклеотид – це з’єднання фосфатної групи з нуклеозидом.

Утворення фосфодіефірних зв’язків

Слід розібратися в питанні про те, як нуклеотиди з’єднуються в поліпептидний ланцюг, скільки їх бере участь в процесі, утворюючи молекулу нуклеїнової кислоти за рахунок фосфодіефірних зв’язків.

При взаємодії двох нуклеотидів утворюється дінуклеотід. Нове з’єднання утворюється шляхом конденсації, коли виникає фосфодіефірная зв’язок між гідроксигрупа пентози одного мономера і фосфатним залишком іншого.

Синтезом полінуклеотида є численне повторення цієї реакції. Збірка полінуклеотидів представляє складний процес, що забезпечує зростання ланцюга з одного кінця.

Структура ДНК

Молекули ДНК, як і молекули білка, мають первинну, вторинну структури і третинну. Первинну структуру в ланцюзі ДНК визначає послідовність нуклеотидів. В основі вторинної структури лежить формування водневих зв’язків.

При синтезі подвійної спіралі ДНК є певна закономірність і послідовність:

З’єднання нуклеїдів створюють міцний зв’язок ланцюгів, з рівним між ними відстанню.

Знаючи послідовність нуклеотидів одного ланцюга ДНК можна за принципом доповнення або комплементарності добудувати другу.

Третинна структура ДНК утворюється шляхом тривимірних складних з’єднань. Це робить молекулу більш компактною, щоб вона могла вільно розміститися в невеликому обсязі клітини. довжина кишкової палички ДНК більше 1 мм, в той час, як довжина самої клітини менш 5 мкм.

Кількість піримідинових основ дорівнює завжди числу пуринових. Відстань між нуклеотидами дорівнює 0,34 нм. Це постійна величина, як і молекулярна маса.

Функції і властивості ДНК

зберігає спадкову інформацію;
передача (подвоєння / реплікація);
транскрипція, реалізація;
ауторепродукции ДНК. Функціонування реплікону.

Процес самовідтворення молекули нуклеїнової кислоти супроводжується передачею від клітини до клітини копій генетичної інформацій. Для його здійснення необхідні набір специфічних ферментів. У цьому процесі напівконсервативним типу утворюється реплікативна вилка.

Молекула РНК – структура

РНК є одним полінуклеотидним ланцюжком, яка утворюється через ковалентні зв’язки між фосфатним залишком і пентози. Вона коротше ДНК, має іншу послідовність і різниться за видовим складом азотистих сполук. Піримідинові основи тиміну в РНК замінюється урацилом.

РНК може бути трьох видів, в залежності від тих функцій, які виконуються в організмі:

інформаційна (іРНК) – дуже різноманітна по нуклеотидному складу. Вона є свого роду матрицею для синтезу білкової молекули, переносить генетичну інформацію до рибосом від ДНК;
транспортна (тРНК) в середньому складається з 75-95 нуклеотидів. Вона переносить необхідну амінокислоту в рибосомі до місця синтезу поліпептиду. У кожного виду тРНК і є своя, притаманна тільки йому послідовність нуклеотидів або мономерів;
рибосомальна (рРНК) зазвичай здобуде від 3000 до 5000 нуклеотидів. Рибосом є необхідним структурним му компонент беруть участь в найважливішому процесі, що відбувається в клітці – біосинтез білка.

Роль нуклеотиду в організмі

У клітці нуклеотиди виконують важливі функції:

є біорегулятори;
використовуються як структурні блоки для нуклеїнових кислот;
входять до складу головного джерела енергії в клітині – АТФ;
беруть участь у численних обмінних процесах в клітинах;
є переносниками відновних еквівалентів в клітинах (ФАД, НАДФ +; НАД +; ФМН);
можуть розглядатися як вісники регулярного позаклітинного синтезу (цГМФ, цАМФ).

Вільні нуклеотиди – головні компоненти, які беруть участь в енергетичних і в сигнальних процесах. Вони підтримують нормальну життєдіяльність окремих клітин і організму в цілому.

5 видів нуклеотидів

П’ять нуклеотидів зазвичай використовуються в біохімії та генетиці. Кожен нуклеотид є полімером, що складається з трьох частин:

Цукор з п’ятьма атомами вуглецю (2′-дезоксирибоза в ДНК або рибоза в РНК)
Молекула фосфату
Азотиста (азотовмісна) основа

Назви нуклеотидів

П’ять основ — аденін, гуанін, цитозин, тимін і урацил, які мають символи A, G, C, T і U відповідно. Назва основи зазвичай використовується як назва нуклеотиду, хоча це технічно неправильно. Основи поєднуються з цукром, утворюючи нуклеотиди аденозин, гуанозин, цитидин, тимідин і уридин.

Нуклеотиди називаються залежно від кількості фосфатних залишків, які вони містять. Наприклад, нуклеотид, який має основу аденіну і три фосфатні залишки, буде названий аденозинтрифосфатом (АТФ). Якщо нуклеотид містить два фосфати, це буде аденозиндифосфат (АДФ). Якщо є один фосфат, нуклеотидом є аденозинмонофосфат (АМФ).

Більше 5 нуклеотидів

Хоча більшість людей вивчають лише п’ять основних типів нуклеотидів, є й інші, включаючи, наприклад, циклічні нуклеотиди (наприклад, 3′-5′-циклічний GMP і циклічний AMP). Основи також можуть бути метильовані з утворенням різних молекул .

Як з’єднуються частини нуклеотиду

KTSDESIGN / НАУКОВА ФОТОБІБЛІОТЕКА / Getty Images

І ДНК , і РНК використовують чотири основи, але не всі однакові. ДНК використовує аденін, тимін, гуанін і цитозин, тоді як РНК використовує аденін, гуанін і цитозин, але містить урацил замість тиміну. Спіраль молекули утворюється, коли дві комплементарні основи утворюють водневі зв’язки одна з одною. Аденін зв’язується з тиміном (AT) в ДНК і з урацилом в РНК (AU). Гуанін і цитозин доповнюють один одного (ГК).

Щоб утворити нуклеотид , основа з’єднується з першим або первинним вуглецем рибози або дезоксирибози. Вуглець під номером 5 цукру з’єднується з киснем фосфатної групи. У молекулах ДНК або РНК фосфат з одного нуклеотиду утворює фосфодіефірний зв’язок із вуглецем під номером 3 у наступному цукрі нуклеотиду.

Основа аденіну

Мартін Штайнтхалер / Getty Images

Основи мають одну з двох форм. Пурини складаються з подвійного кільця, в якому 5-атомне кільце з’єднується з 6-атомним кільцем. Піримідини являють собою окремі 6-атомні кільця.

Пуринами є аденін і гуанін. До піримідинів відносяться цитозин, тимін і урацил.

Хімічна формула аденіну C ₅ H ₅ N _5. Аденін (A) зв’язується з тиміном (T) або урацилом (U). Це важлива основа, оскільки вона використовується не лише в ДНК і РНК, але й для молекули-носія енергії АТФ, кофактора флавінаденіндинуклеотиду та кофактора нікотинамідаденіндінуклеотиду (НАД).

Аденін проти аденозину

Хоча люди зазвичай називають нуклеотиди за назвами їхніх основ, аденін і аденозин — це не одне й те саме. Аденін – це назва пуринової основи. Аденозин — це велика нуклеотидна молекула, що складається з аденіну, рибози або дезоксирибози та однієї або кількох фосфатних груп.

Основа тиміну

Хімічна формула піримідинтиміну C ₅ H ₆ N ₂ O ₂ . Його символ — Т, і він міститься в ДНК, але не в РНК.

Основа гуаніну

Мерилін Нівес / Getty Images

Хімічна формула пуринового гуаніну C ₅ H ₅ N ₅ O. Гуанін (G) зв’язується лише з цитозином (C) як у ДНК, так і в РНК.

Основа цитозину

Хімічна формула піримідинового цитозину C ₄ H ₅ N ₃ O. Його символ C. Ця основа міститься як в ДНК, так і в РНК. Цитидинтрифосфат (CTP) є кофактором ферменту, який може перетворювати АДФ в АТФ.

Цитозин може спонтанно перетворюватися на урацил. Якщо мутацію не виправити, це може залишити залишок урацилу в ДНК.

База Урацил

з 2015 року / Getty Images

Урацил — слабка кислота , яка має хімічну формулу C ₄ H ₄ N ₂ O ₂ . Урацил (U) знаходиться в РНК, де він зв’язується з аденіном (A). Урацил є деметильованою формою основи тиміну. Молекула переробляє себе за допомогою ряду фосфорибозилтрансферазних реакцій.

Один цікавий факт про урацил полягає в тому, що місія Кассіні на Сатурні виявила, що його супутник Титан, схоже, містить урацил на поверхні.