Μονομερές νουκλεϊκού οξέος

Τα νουκλεϊκά οξέα (γνωστά και ως DNA και RNA) αποτελούνται από μονομερείς μονάδες που ονομάζονται νουκλεοτίδια. Τα νουκλεοτίδια είναι τα βασικά δομικά στοιχεία του DNA και του RNA, δύο μορίων απαραίτητα για τη ζωή όπως τη γνωρίζουμε. Τα μόρια τόσο του DNA όσο και του RNA χρησιμεύουν ως ο γενετικός κώδικας που προσδιορίζει μοναδικά κάθε ζωντανό οργανισμό. Μπορεί κανείς να σκεφτεί το DNA και το RNA ως σύνολα οδηγιών που καθοδηγούν την κατασκευή των πρωτεϊνών και την κυτταρική οργάνωση του σώματος.

Οι γενετικές πληροφορίες στο DNA και το RNA κωδικοποιούνται με τη μορφή αλληλουχιών νουκλεοτιδικών βάσεων. Κάθε αλληλουχία νουκλεοτιδίων κωδικοποιεί τις οδηγίες για τη δημιουργία μιας συγκεκριμένης πρωτεΐνης που εξυπηρετεί κάποια λειτουργία. Σε κάθε κύτταρο κάθε ζωντανού οργανισμού υπάρχει μια σούπα νουκλεϊκών οξέων που κωδικοποιούν τις γενετικές πληροφορίες για αυτόν τον οργανισμό.

Τα νουκλεοτίδια παίζουν επίσης σημαντικό ρόλο στο μεταβολισμό. Τα νουκλεοτίδια όπως η αδενοσίνη και η γουανοσίνη αποτελούν το κύριο σώμα μορίων όπως το ATP και το GTP. Η ενέργεια που προέρχεται από τέτοια μόρια οδηγεί ουσιαστικά κάθε βιολογική διαδικασία. Τα νουκλεοτίδια αποτελούν επίσης τη βάση σημαντικών ενζύμων και συμπαραγόντων που εμφανίζονται στην κυτταρική αναπνοή, όπως το συνένζυμο-A, το NADH και το FADH.

Nucleotides:The Basics

Τα νουκλεοτίδια είναι οργανικά μακρομόρια που έχουν 3 κύριες χημικές υπομονάδες:μια αζωτούχα βάση, μια ομάδα σακχάρων με 5 άνθρακα και μια φωσφορική ομάδα. Όταν και τα τρία είναι ενωμένα μεταξύ τους, το μόριο ονομάζεται μονοφωσφορικός νουκλεοζίτης . Η προσθήκη περισσότερων φωσφορικών ομάδων δημιουργεί έναν νουκλεοζίτη δι- και τρι-φωσφορικό και ούτω καθεξής.

Τα νουκλεοτίδια έχουν αζωτούχες βάσεις δύο ειδών, πουρίνης ή πυριμιδίνης. Στο RNA, η ομάδα σακχάρων με 5 άνθρακα ονομάζεται ριβόζη και στο DNA το σάκχαρο 5 άνθρακα είναι δεοξυριβόζη. Τα νουκλεοτίδια συνδέονται για να σχηματίσουν πολυνουκλεοτιδικές αλυσίδες. Αυτές οι πολυνουκλεοτιδικές αλυσίδες σχηματίζονται με μια αντίδραση αφυδάτωσης, κατά την οποία το σάκχαρο σε ένα νουκλεοτίδιο συνδέεται με τη φωσφορική ομάδα ενός άλλου και ένα μόριο νερού απομακρύνεται. Αυτοί οι δεσμοί φωσφοδιεστέρα είναι αυτά που σχηματίζουν τη σακχαροφωσφορική ραχοκοκαλιά των κλώνων του DNA και του RNA. Τα συγκροτήματα πολυνουκλεοτιδικών κλώνων ονομάζονται νουκλεϊκά οξέα, DNA και RNA.

Τα νουκλεοτίδια είναι εξαιρετικά σημαντικά επειδή χρησιμεύουν ως τα θεμελιώδη κομμάτια πληροφοριών στο DNA, ανάλογα με το δυαδικό 1 και 0 ενός ψηφιακού υπολογιστή. Εάν μια αλληλουχία νουκλεοτιδίων στο DNA αλλάξει ή διαγραφεί, τότε το σώμα δεν θα κατασκευάσει την αντίστοιχη πρωτεΐνη, η οποία σε πολλές περιπτώσεις είναι θανατηφόρα.

Λειτουργίες Νουκλεοτιδίων

DNA

Το DNA (δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ) είναι το μόριο που περιέχει τον βασικό γενετικό κώδικα ενός οργανισμού. Τα μόρια του DNA περιέχουν βάσεις νουκλεοτιδίων πουρίνης και πυριμιδίνης. Οι βάσεις πουρίνης είναι αδενίνη και γουανίνη (Α και Ζ) ενώ οι βάσεις πυριμιδίνης είναι κυτοσίνη και θυμίνη (Γ και Τ). Μαζί, αυτές οι βάσεις νουκλεοτιδίων σχηματίζουν το μεγαλύτερο μέρος των αλληλουχιών του DNA. Οι αλληλουχίες DNA συνήθως αντιπροσωπεύονται ως επαναλαμβανόμενες αλυσίδες βάσεων, όπως AACCGT ή TGCGTAA.

Τα μόρια του DNA υπάρχουν σε σχήμα που ονομάζεται διπλή έλικα. Η διπλή έλικα του DNA αποτελείται από 2 φωσφορικούς κλώνους που ο καθένας περιέχει μια γραμμική ακολουθία βάσεων. Αυτοί οι φωσφορικοί κλώνοι τυλίγονται ο ένας γύρω από τον άλλο σαν μια στριμμένη σκάλα, τα σκαλοπάτια της οποίας σχηματίζονται από τη σύνδεση νουκλεοτιδικών βάσεων. Στην έλικα, κάθε βάση έχει ένα συμπληρωματικό ζεύγος με το οποίο συνδέεται. αδενίνη με θυμίνη (Α-Τ) και γουανίνη με κυτοσίνη (C-G). Οι βάσεις συνδέονται μεταξύ τους μέσω δεσμών υδρογόνου. Αυτή η δομή διασύνδεσης περικλείεται στο νόμο του Chargaff, μια εμπειρική γενίκευση που δηλώνει ότι ισχύει πάντα μια αναλογία ορισμένων βάσεων σε ένα μόριο DNA. Συγκεκριμένα, η ποσότητα της αδενίνης ταιριάζει με την ποσότητα της θυμίνης (A-T) και η ποσότητα της γουανίνης ταιριάζει με την ποσότητα της κυτοσίνης (G-C).

Σύνθεση DNA

Κατά τη διάρκεια της κυτταρικής μεσόφασης και λίγο πριν από τη μίτωση της μείωσης, το DNA θα αντιγραφεί, δημιουργώντας πανομοιότυπα αντίγραφα του εαυτού του. Διάφορα ένζυμα και συμπαράγοντες προσκολλώνται σε έναν διπλό κλώνο και θα «αποσυμπιέσουν» τον κλώνο DNA τραβώντας τους δεσμούς υδρογόνου που συγκρατούν τους δύο κλώνους μαζί. Κάθε ένα από αυτά τα δύο σκέλη χρησιμεύει ως πρότυπο για ένα νέο σκέλος.

Το κύριο ένζυμο που βοηθά στη σύνθεση νέου DNA ονομάζεται DNA πολυμεράση . Η DNA πολυμεράση θα προσκολληθεί στους νεοσχισμένους κλώνους και θα αρχίσει να δημιουργεί έναν συμπληρωματικό κλώνο DNA. Η σύνθεση του DNA λειτουργεί με βάση τις αντίστοιχες αζωτούχες βάσεις. Εάν κάποιος γνωρίζει την αλληλουχία του κλώνου του προτύπου, μπορεί να προβλέψει τη σύνθεση του συμπληρωματικού κλώνου. Οι βάσεις έρχονται σε συμπληρωματικά ζεύγη (A-T και G-C), οπότε αν η ακολουθία ενός κλώνου προτύπου είναι AACCGGTT, γνωρίζουμε ότι η συμπληρωματική ακολουθία είναι TTGGCCAA. Κάθε βάση νουκλεοτιδίου πρέπει να ταιριάζει με το συμπληρωματικό ζεύγος της κατά τη διάρκεια της σύνθεσης DNA.

Το DNA είναι το μόριο που περιέχει τις εντολές που εκτελούνται από τον κυτταρικό μηχανισμό του σώματος. Το DNA δεν μπορεί να το κάνει αυτό μόνο του και πρέπει να βασίζεται σε άλλο είδος νουκλεϊκού οξέος για να μεταγράψει και να εφαρμόσει αυτές τις οδηγίες.

RNA

Το RNA (ριβονουκλεϊκό οξύ) είναι τα νουκλεϊκά οξέα που παίρνουν την κωδική μορφή DNA και το χρησιμοποιούν για την κατασκευή πρωτεϊνών. Με άλλα λόγια, είναι ο βιολογικός μηχανισμός που εξάγει τον γενετικό κώδικα από το DNA και εκτελεί τις οδηγίες. Όπως το DNA, οι κλώνοι του RNA αποτελούνται από πολυνουκλεοτιδικές αλυσίδες. Σε αντίθεση με το DNA, τα μόρια RNA υπάρχουν ως μονόκλωνοι που γυρίζουν πίσω στον εαυτό τους. Το RNA χρησιμοποιεί επίσης διαφορετικό σύνολο αζωτούχων βάσεων από το DNA. Το RNA περιέχει 3 βάσεις που βρίσκονται στο DNA, την αδενίνη, τη γουανίνη και την κυτοσίνη. Ωστόσο, του λείπει εξ ολοκλήρου η θυμίνη και χρησιμοποιεί μια βάση που ονομάζεται ουρακίλη (U) ένα διαφορετικό είδος πυριμιδίνης.

Μεταγραφή

Η κύρια λειτουργία του RNA είναι να παίρνει απόσπασμα τις πληροφορίες στο DNA και να τις χρησιμοποιεί για την κατασκευή πρωτεϊνών. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται μεταγραφή και είναι το πρώτο βήμα στη γονιδιακή έκφραση. Κατά τη μεταγραφή, ένα ένζυμο που ονομάζεται RNA πολυμεράση προσκολλάται σε έναν κλώνο DNA και ξετυλίγει τον κλώνο, εκθέτοντας τον μονό κλώνο που πρόκειται να μεταγραφεί. Η RNA πολυμεράση θα αρχίσει στη συνέχεια να κατασκευάζει έναν κλώνο RNA με μια συμπληρωματική αλληλουχία νουκλεοτιδίων. Η δόμηση του συμπληρωματικού κλώνου είναι παρόμοια με τη δράση της DNA πολυμεράσης κατά την αντιγραφή του DNA, εκτός από το ότι η RNA πολυμεράση χρησιμοποιεί μια βάση U στη θέση της βάσης Τ. Έτσι, εάν ο κλώνος DNA έχει ένα Α σε κάποια θέση, ο συμπληρωματικός κλώνος RNA θα έχει ένα U σε αυτό το σημείο, αντί για ένα T.

Μόλις ο κλώνος RNA μεταγράψει τη σχετική νουκλεοτιδική αλληλουχία, αποσπάται από το μόριο DNA. Στα βακτήρια, το νεοσυντιθέμενο RNA μπορεί να λειτουργήσει ως αγγελιαφόρο RNA (mRNA), αλλά στους ευκαρυώτες, ο κλώνος RNA πρέπει πρώτα να τροποποιηθεί. Το ευκαρυωτικό pre-mRNA καλύπτεται στα άκρα και υφίσταται μάτισμα, όπου οι αλληλουχίες του κλώνου pre-mRNA κόβονται (εσώνια) και οι άλλες επανατοποθετούνται μαζί (εξόνια). Επί του παρόντος, η ακριβής φύση και ο λόγος για την ύπαρξη φαινομενικά αδρανών αλληλουχιών ιντρονίων στο ευκαρυωτικό DNA δεν είναι καλά κατανοητοί. Πιστεύεται ότι οι αλληλουχίες ιντρονίων μπορεί να παίζουν κάποιο ρόλο σε μια μεμονωμένη αλληλουχία που κωδικοποιεί πολλαπλές πρωτεΐνες.

Μετάφραση

Κάθε ολοκληρωμένος κλώνος mRNA περιέχει τις οδηγίες για την κατασκευή κάποιου μακρομορίου πρωτεΐνης. Κατά το δεύτερο μέρος της γονιδιακής έκφρασης, που ονομάζεται μετάφραση , οι πληροφορίες που μεταγράφονται στο mRNA εξάγονται και η κωδικοποιημένη πρωτεΐνη κατασκευάζεται στην πραγματικότητα. Ουσιαστικά, η αλληλουχία των βάσεων στο mRNA δίνει οδηγίες στα κύτταρα να δημιουργήσουν αλληλουχίες αμινοξέων, τα βασικά δομικά στοιχεία των πρωτεϊνών.

Μετά τη μεταγραφή, ο κλώνος mRNA συνδέεται με ριβοσώματα, κυτταρικά οργανίδια όπου λαμβάνει χώρα η παραγωγή πρωτεΐνης. Ένας άλλος τύπος νουκλεϊκού οξέος, που ονομάζεται RNA μεταφοράς (tRNA) συνδέεται με το mRNA σε μια συγκεκριμένη θέση κατά μήκος του κλώνου. Οι κλώνοι tRNA συνδέονται σύμφωνα με τα ζεύγη βάσεων τους και φέρνουν μαζί το αμινοξύ που καθορίζεται από τη συγκεκριμένη αλληλουχία RNA. Για παράδειγμα, η νουκλεοτιδική αλληλουχία «AUG» στο RNA κωδικοποιεί το αμινοξύ μεθειονίνη.

Τα ριβοσώματα χρησιμεύουν ως φυσική σκαλωσιά για την κατασκευή αλυσίδων αμινοξέων από το tRNA και ως ένζυμο που καταλύει την αντίδραση που συνδέει τα αμινοξέα μεταξύ τους. αυτή η διαδικασία συνεχίζεται στον κλώνο του RNA, κατασκευάζοντας μια αναπτυσσόμενη πολυπεπτιδική αλυσίδα. Μετά την ολοκλήρωση της μετάφρασης, η κατασκευασμένη πολυπεπτιδική αλυσίδα χρειάζεται απλώς μερικές ακόμη τροποποιήσεις προτού να είναι έτοιμη να λειτουργήσει ως μια πλήρης πρωτεΐνη. Οι περισσότερες πρωτεΐνες διπλώνουν σε ένα συγκεκριμένο σχήμα που επιτρέπει τη λειτουργία τους και μερικές πρέπει πρώτα να μεταφερθούν σε άλλο σημείο του σώματος πριν αρχίσουν να κάνουν δουλειά.

Κυτταρικός μεταβολισμός

Εκτός από την πανταχού παρουσία τους στη γενετική, τα νουκλεοτίδια χρησιμεύουν επίσης ως σημαντικά μόρια για την κυτταρική αναπνοή. Κάθε βάση νουκλεοτιδίου στο DNA (A, C, G και T), χρησιμεύει ως η ραχοκοκαλιά για τα μόρια που μεταφέρουν ενέργεια που δημιουργούνται κατά την κυτταρική αναπνοή. Το πιο άφθονο είναι το ATP (τριφωσφορική αδενοσίνη). Το ATP είναι το κύριο προϊόν της κυτταρικής αναπνοής και είναι το θεμελιώδες ενεργειακό νόμισμα του κυττάρου. Οι βάσεις C, G και T είναι ικανές να σχηματίσουν ανάλογα τριφωσφορικά μόρια CTP, GTP και TTP. Κάθε ένα από αυτά τα μόρια έχει υψηλή ενεργειακή πυκνότητα και έτσι τίθεται σε λειτουργία παρέχοντας ενέργεια στα μέρη του σώματος.

Τα ίδια νουκλεοτίδια υπάρχουν επίσης κατά τη διαδικασία της αναπνοής ως σημαντικοί συμπαράγοντες και ένζυμα. Το συνένζυμο-Α, το μόριο που δίνει την ακετυλομάδα που απαιτείται για τον κύκλο του Krebs, σχηματίζεται με αδενίνη και τα δύο ένζυμα που αποτελούν το μεγαλύτερο μέρος της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων, το NADH και το FADH, περιέχουν νουκλεοτιδικές υποδομές.