Нуклеотид - це що таке? Склад, будова, число і послідовність нуклеотидів у ланцюгу ДНК

Все живе на планеті складається з безлічі клітин, які підтримують впорядкованість своєї організації за рахунок міститься в ядрі генетичної інформації. Вона зберігається, реалізується і передається складними високомолекулярними сполуками - нуклеїновими кислотами, що складаються з мономерних ланок - нуклеотидів. Роль нуклеїнових кислот неможливо переоцінити. Стабільністю їх структури визначається нормальна життєдіяльність організму, а будь-які відхилення в будові неминуче призводять до зміни клітинної організації, активності фізіологічних процесів і життєздатності клітин в цілому.

Поняття нуклеотиду і його властивості

Кожна молекула ДНК або РНК зібрана з більш дрібних мономерних сполук - нуклеотидів. Іншими словами, нуклеотид - це будівельний матеріал для нуклеїнових кислот, коферментів та багатьох інших біологічних сполук, які вкрай необхідні клітці в процесі її життєдіяльності.

До основних властивостей цих незамінних речовин можна віднести:

• зберігання інформації про структурі білка і успадкованих ознаках
• здійснення контролю над ростом і репродукціей-
• участь у метаболізмі і багатьох інших фізіологічних процесах, що протікають в клітині.

Склад нуклеотиду

Говорячи про нуклеотидах, не можна не зупинитися на такому важливому питанні, як їх структура і склад.

Кожен нуклеотид складається з:

• цукрового остатка-
• азотистого підстави-
• фосфатної групи або залишку фосфорної кислоти.

Можна сказати, що нуклеотид - це складне органічне з`єднання. Залежно від видового складу азотистих основ і типу пентози в структурі нуклеотиду нуклеїнові кислоти поділяються на:

• дезоксирибонуклеїнової кислоти, або ДНК-
• рибонуклеїнової кислоту, або РНК.

Склад нуклеїнових кислот

У нуклеїнових кислотах цукор представлений пентози. Це п`ятивуглецевий цукор, в ДНК його називають дезоксирибозою, в РНК - рибоза. Кожна молекула пентози має п`ять атомів вуглецю, чотири з них разом з атомом кисню утворюють п`ятичленних кільце, а п`ятий входить до групи НО-СН2.

Положення кожного атома вуглецю в молекулі пентози позначається арабською цифрою зі штрихом (1C `, 2C`, 3C `, 4C`, 5C `). Оскільки всі процеси зчитування спадкової інформації з молекули нуклеїнової кислоти мають строгу спрямованість, нумерація атомів вуглецю і їх розташування в кільці служать свого роду покажчиком правильного напрямку.

За гідроксильної групі до третього і п`ятого вуглецевим атомам (3С `і 5С`) приєднаний залишок фосфорної кислоти. Він і визначає хімічну приналежність ДНК і РНК до групи кислот.

До першого вуглецевого атома (1С `) в молекулі цукру приєднано азотна основа.

Видовий склад азотистих основ

Нуклеотиди ДНК по азотистій підставі представлені чотирма видами:

• аденіном (А) -
• гуаніном (Г) -
• цитозином (Ц) -
• тиміном (Т).

Перші два відносяться до класу пуринів, два останніх - пиримидинов. За молекулярною масою пуринові завжди важче пірімідінових.

Нуклеотиди РНК по азотистій підставі представлені:

• аденіном (А) -
• гуаніном (Г) -
• цитозином (Ц) -
• урацилом (У).

Урацил так само, як і тимін, є пірімідіновим підставою.

У науковій літературі нерідко можна зустріти і інше позначення азотистих основ - латинськими літерами (A, T, C, G, U).

Детальніше зупинимося на хімічній структурі пуринів і піримідинів.

Піримідинів, а саме цитозин, тимін і урацил, в своєму складі представлені двома атомами азоту і чотирма атомами вуглецю, створюючих шестичленне кільце. Кожен атом має свій номер від 1 до 6.

Пурини (аденін і гуанін) складаються з пиримидина і імідазолу або двох гетероциклів. Молекула пуринових підстав представлена чотирма атомами азоту і п`ятьма атомами вуглецю. Кожен атом пронумерований від 1 до 9.

В результаті з`єднання азотистої основи і залишку пентози утворюється нуклеозид. Нуклеотид - це з`єднання нуклеозида і фосфатної групи.

Освіта фосфодіефірних зв`язків

Важливо розібратися в питанні про те, як з`єднуються нуклеотиди в поліпептидний ланцюг і утворюють молекулу нуклеїнової кислоти. Відбувається це за рахунок так званих фосфодіефірних зв`язків.

Взаємодія двох нуклеотидів дає дінуклеотід. Освіта нового з`єднання відбувається шляхом конденсації, коли між фосфатним залишком одного мономера і гідроксигрупу пентози іншого виникає фосфодіефірная зв`язок.

Синтез полинуклеотида - неодноразове повторення цієї реакції (кілька мільйонів разів). Полинуклеотидная ланцюг будується за допомогою освіти фосфодіефірних зв`язків між третім і п`ятим вуглецями цукрів (3С `і 5С`).

Збірка полинуклеотида - складний процес, що протікає за участю ферменту ДНК-полімерази, яка забезпечує зростання ланцюга тільки з одного кінця (3 `) з вільною гідроксигрупу.

Структура молекули ДНК

Молекула ДНК, так само як і білка, може мати первинну, вторинну і третинну структуру.

Послідовність нуклеотидів у ланцюгу ДНК визначає її первинну структуру. Вторинна структура формується за рахунок водневих зв`язків, в основі виникнення яких покладено принцип комплементарності. Іншими словами, при синтезі подвійної спіралі ДНК діє певна закономірність: аденін одного ланцюга відповідає тимін інший, гуанін - цитозин, і навпаки. Пари аденіну та тиміну або гуаніну і цитозину утворюються за рахунок двох в першому і трьох в останньому випадку водневих зв`язків. Таке з`єднання нуклеотидів забезпечує міцний зв`язок ланцюгів і рівну відстань між ними.

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

Третинна структура ДНК утворена за рахунок складних тривимірних зв`язків, що робить її молекулу більш компактною і здатною розміщуватися в малому обсязі клітини. Так, наприклад, довжина ДНК кишкової палички складає більше 1 мм, тоді як довжина клітини - менше 5 мкм.

Число нуклеотидів в ДНК, а саме їх кількісне співвідношення, підкоряється правилу Чергаффа (число пуринових підстав завжди дорівнює кількості піримідинових). Відстань між нуклеотидами - величина постійна, рівна 0,34 нм, як і їх молекулярна маса.

Структура молекули РНК

РНК представлена однією полинуклеотидной ланцюжком, утвореної через ковалентні зв`язки між пентози (в даному випадку рибозой) і фосфатним залишком. По довжині вона значно коротше ДНК. За видовим складом азотистих основ в нуклеотиді також є відмінності. У РНК замість пиримидинового підстави тиміну використовується урацил. Залежно від функцій, які виконуються в організмі, РНК може бути трьох типів.

• Рибосомальна (рРНК) - містить зазвичай від 3000 до 5000 нуклеотидів. Як необхідний структурний компонент бере участь у формуванні активного центру рибосом, місця здійснення одного з найважливіших процесів у клітині - біосинтезу білка.
• Транспортна (тРНК) - складається в середньому з 75 - 95 нуклеотидів, здійснює перенесення потрібної амінокислоти до місця синтезу поліпептиду в рибосомі. Кожен вид тРНК (не менше 40) має свою, властиву тільки йому послідовність мономерів або нуклеотидів.
• Інформаційна (іРНК) - по нуклеотидному складом дуже різноманітна. Переносить генетичну інформацію від ДНК до рибосом, виступає в ролі матриці для синтезу білкової молекули.

Роль нуклеотидів в організмі

Нуклеотиди в клітці виконують ряд найважливіших функцій:

• використовуються в якості структурних блоків для нуклеїнових кислот (нуклеотиди пуринового і піримідинового рядів) -
• беруть участь у багатьох обмінних процесах в клетке-
• входять до складу АТФ - головного джерела енергії в клітинах-
• виступають у ролі переносників відновних еквівалентів в клітинах (НАД +, НАДФ +, ФАД, ФМН) -
• виконують функцію біорегуляторов-
• можуть розглядатися як друга вісники позаклітинного регулярного синтезу (наприклад, цАМФ або цГМФ).

Нуклеотид - це мономерна одиниця, що утворить більш складні сполуки - нуклеїнові кислоти, без яких неможлива передача генетичної інформації, її збереження і відтворення. Вільні нуклеотиди є головними компонентами, які беруть участь в сигнальних і енергетичних процесах, що підтримують нормальну життєдіяльність клітин і організму в цілому.