Μονομερές DNA. Ποια μονομερή αποτελούν ένα μόριο ϋΝΑ;

Τα νουκλεϊκά οξέα, ειδικά το DNA, είναι γνωστά στην επιστήμη. Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι είναι οι ουσίες του κυττάρου στο οποίο εξαρτάται η αποθήκευση και η μεταφορά των κληρονομικών πληροφοριών. Το DNA, που ανακαλύφθηκε ήδη από το 1868 από τον F. Micher, είναι ένα μόριο με έντονες ιδιότητες οξέος. Ο επιστήμονας το αναγνώρισε από τους πυρήνες των λευκοκυττάρων - τα κύτταρα του ανοσοποιητικού συστήματος. Κατά τη διάρκεια των επόμενων 50 ετών, πραγματοποιήθηκαν σποραδικά μελέτες για νουκλεϊνικά οξέα, καθώς οι περισσότεροι βιοχημικοί θεωρήθηκαν ως οι κύριες οργανικές ουσίες που είναι υπεύθυνες, ιδίως για κληρονομικά χαρακτηριστικά, πρωτεΐνες.

Από την αποκωδικοποίηση της δομής ϋΝΑ, που πραγματοποιήθηκε από τους Watson και Crick το 1953, άρχισαν σοβαρές μελέτες, διαπιστώνοντας ότι το δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ είναι ένα πολυμερές και ότι τα μονομερή DNA είναι νουκλεοτίδια. Οι τύποι και η δομή τους θα μελετηθούν από εμάς σε αυτή την εργασία.

Τα νουκλεοτίδια ως δομικές μονάδες κληρονομικών πληροφοριών

Μία από τις θεμελιώδεις ιδιότητες της ζωντανής ύλης είναι η διατήρηση και η διαβίβαση πληροφοριών σχετικά με τη δομή και τις λειτουργίες τόσο του κυττάρου όσο και του συνόλου του οργανισμού. Ο ρόλος αυτός εκτελείται από το δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ και τα μονομερή του DNA - τα νουκλεοτίδια είναι αρχικά "τούβλα", από τα οποία κατασκευάζεται μια μοναδική κατασκευή της ουσίας της κληρονομικότητας. Ας εξετάσουμε ποια σήματα οδήγησαν τη ζωή, δημιουργώντας έναν υπερθέλιδο νουκλεϊκού οξέος.

Πώς σχηματίζονται τα νουκλεοτίδια

Για να απαντήσουμε σε αυτή την ερώτηση, χρειαζόμαστε κάποιες γνώσεις από τον τομέα της χημείας των οργανικών ενώσεων. Συγκεκριμένα, υπενθυμίζουμε ότι στη φύση υπάρχει μια ομάδα αζωτούχων ετεροκυκλικών γλυκοσίδων που συνδέονται με μονοσακχαρίτες - πεντόζες (δεοξυριβόζη ή ριβόζη). Ονομάζονται νουκλεοσίδες. Για παράδειγμα, αδενοσίνη και άλλοι τύποι νουκλεοζιτών υπάρχουν στο κυτταρόπλασμα του κυττάρου. Εισέρχονται σε μια αντίδραση εστεροποίησης με μόρια ορθοφωσφορικού οξέος. Τα προϊόντα αυτής της διαδικασίας θα είναι νουκλεοτίδια. Κάθε μονομερές ϋΝΑ, και τέσσερα από αυτά, έχει ένα όνομα, για παράδειγμα νουκλεοτίδιο γουανίνης, θυμίνης και κυτοσίνης.

Μονομερή πουρίνης του DNA

Στη βιοχημεία υιοθετείται μια ταξινόμηση που διαχωρίζει τα μονομερή ϋΝΑ και τη δομή τους σε δύο ομάδες: για παράδειγμα, η πουρίνη είναι νουκλεοτίδια αδενίνης και γουανίνης. Περιέχουν στη σύνθεσή τους παράγωγα πουρίνης - μια οργανική ουσία που έχει τον τύπο C5H4N4. Το μονομερές ϋΝΑ, το νουκλεοτίδιο γουανίνης, περιέχει επίσης μία βάση αζώτου πουρίνης συζευγμένη με την Ν-γλυκοζιδική σύνδεση δεοξυριβόζης σε μορφή σκυροδέματος.

Νουκλεοτίδια πυριμιδίνης

Οι βάσεις αζώτου, που ονομάζονται κυτιδίνη και θυμιδίνη, είναι παράγωγα της οργανικής ουσίας της πυριμιδίνης. Ο τύπος του είναι C ₄ H ₄ N ₂ . Το μόριο είναι ένας εξαμελής ετερόκυκλος που περιέχει δύο άτομα αζώτου. Είναι γνωστό ότι αντί του νουκλεοτιδίου θυμίνης σε μόρια ριβονουκλεϊκού οξέος, όπως rRNA, tRNA και mRNA, περιέχεται ένα μονομερές ουρακίλης. Στη διαδικασία της μεταγραφής, κατά τη διάρκεια της διαγραφής πληροφοριών από το γονίδιο DNA στο μόριο mRNA, το νουκλεοτίδιο θυμίνης αντικαθίσταται από αδενίνη και το νουκλεοτίδιο αδενίνης αντικαθίσταται από ουρακίλη στην συντηγμένη αλυσίδα mRNA. Δηλαδή, η ακόλουθη καταχώρηση θα είναι δίκαιη: A - Y, T - A.

Ο κανόνας Chargaff

Στο προηγούμενο τμήμα, έχουμε ήδη αγγίξει τις αρχές της αντιστοιχίας των μονομερών στους κλώνους DNA και στο σύμπλεγμα γονιδίου-iRNA. Ο γνωστός βιοχημικός E.Chargaff έχει δημιουργήσει μια εντελώς μοναδική ιδιότητα μορίων δεοξυριβονουκλεϊνικού οξέος, δηλαδή ότι η ποσότητα νουκλεοτιδίων αδενίνης σε αυτό είναι πάντα ίση με θυμίνη και γουανίνη με κυτοσίνη. Η κύρια θεωρητική βάση των αρχών του Chartaff ήταν η έρευνα των Watson και Crick, οι οποίοι καθιέρωσαν τα μονομερή που σχηματίζουν ένα μόριο DNA και ποια χωρική οργάνωση έχουν. Μια άλλη κανονικότητα, που συνάγεται από τον Chargaff και ονομάζεται αρχή συμπληρωματικότητας, δείχνει τη χημική συγγένεια των βάσεων πουρίνης και πυριμιδίνης και την ικανότητά τους να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους για να σχηματίσουν δεσμούς υδρογόνου. Αυτό σημαίνει ότι η διάταξη μονομερών και στις δύο αλυσίδες DNA καθορίζεται αυστηρά: για παράδειγμα, από την άλλη πλευρά, μπορεί να υπάρχει μόνο Τ της πρώτης αλυσίδας DNA και μεταξύ των δύο δεσμών υδρογόνου. Σε αντίθεση με το νουκλεοτίδιο γουανίνης, μπορεί να εντοπιστεί μόνο η κυτοσίνη. Στην περίπτωση αυτή, μεταξύ των αζωτούχων βάσεων, σχηματίζονται τρεις δεσμοί υδρογόνου.

Ο ρόλος των νουκλεοτιδίων στον γενετικό κώδικα

Για την πραγματοποίηση της αντίδρασης της βιοσύνθεσης πρωτεΐνης που εμφανίζεται στα ριβοσώματα, υπάρχει ένας μηχανισμός για τη μετάφραση πληροφοριών σχετικά με τη σύνθεση αμινοξέων του πεπτιδίου από την αλληλουχία νουκλεοτιδίων του mRNA στην αλληλουχία αμινοξέων. Αποδείχθηκε ότι τρία γειτονικά μονομερή φέρουν πληροφορίες σχετικά με ένα από τα 20 πιθανά αμινοξέα. Αυτό το φαινόμενο ονομάστηκε γενετικός κώδικας. Στην επίλυση προβλημάτων στη μοριακή βιολογία, χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό τόσο της σύνθεσης αμινοξέων ενός πεπτιδίου όσο και για να διευκρινίσει το ερώτημα: ποια μονομερή σχηματίζουν ένα μόριο ϋΝΑ, με άλλα λόγια, ποια είναι η σύνθεση του αντίστοιχου γονιδίου. Για παράδειγμα, η τριάδα (κωδικόνιο) ΑΑΑ στο γονίδιο κωδικοποιεί το αμινοξύ φαινυλαλανίνη στο πρωτεϊνικό μόριο και στον γενετικό κώδικα θα αντιστοιχεί στην τριπλή UUU στην αλυσίδα mRNA.

Αλληλεπίδραση νουκλεοτιδίων κατά την αναγωγή του DNA

Όπως εξηγήθηκε προηγουμένως, οι δομικές μονάδες, τα μονομερή DNA είναι νουκλεοτίδια. Η ειδική αλληλουχία τους στις αλυσίδες είναι η μήτρα για τη σύνθεση του θυγατρικού μορίου του δεσοξυριβονουκλεϊκού οξέος. Αυτό το φαινόμενο συμβαίνει στη φάση S της ενδιάμεσης φάσης του κυττάρου. Η αλληλουχία των νουκλεοτιδίων του νέου μορίου ϋΝΑ συναρμολογείται στα μητρικά κυκλώματα από το ένζυμο της DNA πολυμεράσης, λαμβάνοντας υπόψη την αρχή της συμπληρωματικότητας (Α-Τ, Δ-Γ). Η αντιγραφή αναφέρεται στις αντιδράσεις σύνθεσης μήτρας. Αυτό σημαίνει ότι τα μονομερή DNA και η δομή τους στα μητρικά κυκλώματα είναι η βάση, δηλαδή η μήτρα για το κόρη της αντίγραφο.

Μπορεί η δομή του νουκλεοτιδίου να αλλάξει

Παρεμπιπτόντως, ας πούμε ότι το δεοξυριβονουκλεϊνικό οξύ είναι μια πολύ συντηρητική δομή του κυτταρικού πυρήνα. Αυτή είναι μια λογική εξήγηση: οι κληρονομικές πληροφορίες που είναι αποθηκευμένες στη βασική χρωματίνη πρέπει να παραμένουν αμετάβλητες και να αντιγράφονται χωρίς παραμόρφωση. Λοιπόν, το κυτταρικό γονιδίωμα είναι συνεχώς "κάτω από το όπλο" περιβαλλοντικών παραγόντων. Για παράδειγμα, τέτοιες επιθετικές χημικές ενώσεις όπως αλκοόλ, φάρμακο, ραδιενεργή ακτινοβολία. Όλα είναι λεγόμενα μεταλλαξιογόνα, υπό την επίδραση των οποίων οποιοδήποτε μονομερές DNA μπορεί να αλλάξει τη χημική δομή του. Μια τέτοια παραμόρφωση στη βιοχημεία ονομάζεται σημειακή μετάλλαξη. Η συχνότητα εμφάνισής τους στο γονιδίωμα του κυττάρου είναι αρκετά υψηλή. Οι μεταλλάξεις διορθώνονται με καλή λειτουργία του συστήματος κυτταρικής επισκευής, το οποίο περιλαμβάνει ένα σύνολο ενζύμων.

Ορισμένα από αυτά, για παράδειγμα ένζυμα περιορισμού, "κόβουν" τα κατεστραμμένα νουκλεοτίδια, οι πολυμεράσες εξασφαλίζουν τη σύνθεση των κανονικών μονομερών, οι λιγάσες "ράβουν" τα αποκατεστημένα τμήματα του γονιδίου. Εάν ο παραπάνω μηχανισμός για κάποιο λόγο δεν λειτουργεί στο κύτταρο και το ελαττωματικό μονομερές ϋΝΑ παραμένει στο μόριο του, η μετάλλαξη λαμβάνεται με μεθόδους σύνθεσης μήτρας και φαινοτυπικά εκδηλώνεται ως πρωτεΐνες με διαταραγμένες ιδιότητες οι οποίες είναι ανίκανες να εκτελέσουν τις απαραίτητες συναφείς λειτουργίες στον κυτταρικό μεταβολισμό. Αυτός είναι ένας σοβαρός αρνητικός παράγοντας, ο οποίος μειώνει τη βιωσιμότητα του κυττάρου και συντομεύει τη διάρκεια της ζωής του.