Ποια είναι τα πολυμερή των νουκλεϊκών οξέων;

Αν σας ρωτήσουν ποτέ τι πολυμερές νουκλεϊκού οξέος είναι, ξέρετε ότι αυτό είναι κάτι σαν μια ερώτηση κόλπο. Τα νουκλεϊκά οξέα είναι στην πραγματικότητα πολυμερή. Ο όρος πολυμερές περιγράφει απλώς ένα μακρομόριο όπως ένα νουκλεϊκό οξύ ή πρωτεΐνη. Το διακριτικό χαρακτηριστικό των πολυμερών είναι ότι αποτελούνται από μικρότερα συστατικά μέρη και αυτά τα διαδοχικά μέρη αναφέρονται ως μονομερή. Τα μονομερή συνδέονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν πολυμερή. Στην περίπτωση των νουκλεϊκών οξέων, τα μονομερή που συνθέτουν τα πολυμερή –τα ίδια τα νουκλεϊκά οξέα DNA και RNA– είναι τα ακόλουθα:ουρακίλη, γουανίνη, κυτοσίνη, αδενίνη, θυμίνη.

Τα νουκλεϊκά οξέα αναφέρονται συχνά ως «το σχέδιο της ζωής», επειδή χωρίς αυτά τα σημαντικά πολυμερή τα κύτταρα δεν θα μπορούσαν να αναπτυχθούν, να αναπαραχθούν και να περιλαμβάνουν την ποικιλία της ζωής που βλέπουμε παντού γύρω μας. Ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά στο πώς λειτουργούν τα πολυμερή (νουκλεϊκά οξέα) μέσα στα κύτταρα και τι ρόλο παίζουν τα μονομερή στη σύνθεση των πολυμερών και στην πραγματοποίηση της αντιγραφής.

Ορισμός νουκλεϊκών οξέων

Τα νουκλεϊκά οξέα είναι μακρομόρια και αυτά τα μακρομόρια περιέχουν τις απαραίτητες πληροφορίες για τη ζωή. Οι κλώνοι νουκλεϊκού οξέος περνούν από τον γονέα στο παιδί, από το ένα κύτταρο στο άλλο και οι πληροφορίες μέσα σε αυτά χρησιμοποιούνται για να δημιουργήσουν τις πρωτεΐνες που είναι απαραίτητες για τα κύτταρα, τους ιστούς και τους οργανισμούς στο σύνολό τους. Οι δύο διαφορετικές μορφές νουκλεϊκού οξέος είναι το ριβονουκλεϊκό οξύ ή RNA και το δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ ή DNA.

Όλα τα ζωντανά κύτταρα περιέχουν τόσο RNA όσο και DNA με εξαίρεση ορισμένα κύτταρα όπως τα ώριμα ερυθρά αιμοσφαίρια. Το DNA του κυττάρου βρίσκεται συνήθως μέσα στον πυρήνα του κυττάρου, αν και δεν έχουν όλα τα κύτταρα το DNA που βρίσκεται στον πυρήνα (τα κύτταρα των μαλλιών και των νυχιών δεν έχουν πυρήνα). Ωστόσο, το DNA είναι κοινό για όλα τα έμβια όντα και τα μονοκύτταρα βακτήρια, τα φυτά και τα ζώα έχουν όλα DNA. Αντίθετα, το RNA χρησιμοποιείται επίσης από κύτταρα που έχουν DNA, παρόλο που δεν έχουν DNA ό,τι έχει RNA. Το RNA είναι το κύριο σύστημα αποθήκευσης γενετικών πληροφοριών σε ιούς, αν και οι επιστήμονες συνήθως δεν θεωρούν ότι είναι ζωντανοί οι ιοί.

Μέσα στο κύτταρο, το DNA βρίσκεται όχι μόνο μέσα στον πυρήνα αλλά και σε ορισμένα άλλα οργανίδια όπως τα μιτοχόνδρια (μια δομή που παράγει ενέργεια για το κύτταρο). Τα ευκαρυωτικά κύτταρα έχουν τυπικά έναν πυρήνα με DNA σε αυτόν, ενώ τα προκαρυωτικά στερούνται τον πυρήνα εγκιβωτισμένο στη μεμβράνη που είναι χαρακτηριστικός των ευκαρυωτών. Το DNA περιέχεται σε μεγάλα κομμάτια ή κλώνους γονιδίων που ονομάζονται χρωμοσώματα, και κάθε ένα από αυτά τα χρωμοσώματα έχει χιλιάδες γονίδια που κωδικοποιούν πολλές διαφορετικές πρωτεΐνες. Τα γονίδια αποθηκεύουν τις γενετικές πληροφορίες που χρειάζεται το κύτταρο για να δημιουργήσει συγκεκριμένες πρωτεΐνες ή τα «σχεδιαγράμματα» για τη σύνθεση πρωτεϊνών.

Το RNA μπαίνει στο παιχνίδι όταν είναι ώρα να δημιουργηθούν πρωτεΐνες. Δεν υπάρχει μόνο μία μορφή RNA, υπάρχουν τρεις διαφορετικές μορφές:ριβοσωμικό RNA ή rRNA, αγγελιαφόρο RNA ή mRNA και μεταφορικό RNA ή tRNA. Η δουλειά του αγγελιοφόρου RNA είναι να δημιουργήσει ένα αντίγραφο της αλυσίδας του DNA, να αντιγράψει τις οδηγίες του. Αυτό επιτυγχάνεται με την ανάγνωση του κλώνου του DNA και τη δημιουργία ενός αντιγράφου κάθε αλληλουχίας DNA. Στη συνέχεια, το RNA μεταφοράς θα λάβει τον κώδικα που παράγεται από το mRNA και θα μεταφέρει αμινοξέα στα ριβοσώματα έτσι ώστε οι πρωτεΐνες να μπορούν να συντεθούν. Τέλος, το rRNA βοηθά στην παραγωγή των ίδιων των ριβοσωμάτων.

Τα νουκλεοτίδια και οι αζωτούχες βάσεις

Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, το RNA και το DNA είναι πολυμερή, που σημαίνει ότι αποτελούνται από απλούστερα συστατικά που ονομάζονται μονομερή. Τα νουκλεοτίδια είναι ο όρος για το ίδιο το DNA και το RNA, τα σύνθετα πολυμερή. Τα νουκλεοτίδια μπορούν να συνδυαστούν μαζί για να δημιουργήσουν πολυνουκλεοτίδια. Κάθε νουκλεοτίδιο έχει την ίδια γενική δομή, μια αζωτούχα βάση (μια δομή δακτυλίου από άζωτο), μια φωσφορική ομάδα και ένα σάκχαρο πέντε άνθρακα. Οι ομάδες άνθρακα και φωσφορικών διακλαδίζονται από το κεντρικό μόριο σακχάρου.

Τα μονομερή που περιλαμβάνουν DNA και RNA αναφέρονται ως αζωτούχες βάσεις, τα μόρια με βάση τον άνθρακα που βρίσκονται μέσα στη δομή του δακτυλίου στα νουκλεοτίδια. Το DNA έχει τέσσερις αζωτούχες βάσεις που το αποτελούν:γουανίνη, κυτοσίνη, θυμίνη και αδενίνη. Αυτά συντομεύονται ως G, C, T και A. Επειδή η γουανίνη και η αδενίνη έχουν δύο δακτυλίους άνθρακα-αζώτου συντηγμένους μεταξύ τους, ονομάζονται πουρίνες. Εν τω μεταξύ, ένας μόνο δακτύλιος αζώτου-άνθρακα σχηματίζει κυτοσίνη και θυμίνη, και αναφέρονται ως πυριμιδίνες.

Το RNA έχει διαφορετική δομή από το DNA, με μία από τις σημαντικότερες διαφορές να είναι ότι του λείπει το νουκλεοτίδιο θυμίνη. Αντίθετα, το RNA έχει μια διαφορετική πυριμιδίνη που παίρνει τη θέση της θυμίνης, ένα νουκλεοτίδιο που ονομάζεται ουρακίλη. Ωστόσο, το RNA εξακολουθεί να διαθέτει τα οξέα γουανίνη, αδενίνη και κυτοσίνη.

Άλλες διαφορές μεταξύ DNA και RNA περιλαμβάνουν το γεγονός ότι τα δύο μόρια δεν έχουν μόνο διαφορετικές βάσεις αλλά και διαφορετικά σάκχαρα. Το σάκχαρο που συνθέτει το DNA ονομάζεται δεοξυριβόζη ενώ το σάκχαρο που αποτελεί το RNA είναι απλώς μια ριβόζη. Ενώ τα δύο σάκχαρα είναι αρκετά παρόμοια μεταξύ τους, υπάρχει μια σημαντική διαφορά. Ο δεύτερος άνθρακας στη δεοξυριβόζη έχει υδρογόνο, ενώ ο δεύτερος άνθρακας στη ριβόζη έχει μια ομάδα υδροξυλίου.

Το κέντρο ενός νουκλεοτιδίου αποτελείται από τα σάκχαρα, ενώ τα φωσφορικά άλατα είναι σύνδεσμοι στη θέση άνθρακα 5' και τα νουκλεοτίδια ενωμένα στη θέση άνθρακα 1'. Οι φωσφορικές ομάδες στα νουκλεοτίδια μπορεί να είναι είτε πολλαπλές φωσφορικές ομάδες είτε μία μοναδική φωσφορική ομάδα. Έως τρεις φωσφορικές ομάδες μπορούν να ενωθούν με νουκλεοτίδια στο 5′ σημείο σακχάρου άνθρακα.

Θα πρέπει να γνωρίζετε ότι ορισμένοι πόροι χρησιμοποιούν τον όρο νουκλεοτίδιο για να περιγράψουν μόνο τις βάσεις που συνδέονται με μία μόνο φωσφορική ομάδα, επομένως υπάρχει κάποια διαφωνία σχετικά με το τι ακριβώς μετράει ως νουκλεοτίδιο. Είναι επίσης σημαντικό να θυμόμαστε ότι η δημιουργία ενός πολυνουκλεοτιδίου, όταν οι αλυσίδες DNA και RNA ενώνονται, έχει ως αποτέλεσμα την απώλεια δύο φωσφορικών ομάδων. Αυτό σημαίνει ότι εάν υπάρχει μια αλυσίδα μορίων DNA ή RNA, τα μόρια θα έχουν μόνο μία μόνο φωσφορική ομάδα.

Μόρια που συνθέτουν νουκλεϊκά οξέα

Ποια είναι τα επιμέρους μόρια που συνθέτουν τα μονομερή και κατ' επέκταση τα πολυμερή; Πέντε διαφορετικά μόρια συνδυάζονται με διαφορετικούς τρόπους για να δημιουργήσουν νουκλεϊκά οξέα:οξυγόνο, υδρογόνο, άνθρακας, άζωτο και φώσφορος. Κάθε ένα από αυτά τα μόρια έχει το δικό του ρόλο να παίξει, δημιουργώντας διαφορετικά μέρη του μορίου RNA/DNA.

Τα μόρια άνθρακα είναι κρίσιμα για τη δημιουργία νουκλεοτιδίων, καθώς όχι μόνο δημιουργούν τη ραχοκοκαλιά του νουκλεϊκού οξέος του μορίου περιλαμβάνοντας το σάκχαρο στη ραχοκοκαλιά, αλλά αποτελούν επίσης μέρη των αζωτούχων βάσεων. Τόσο οι πυριμιδίνες όσο και οι πουρίνες, οι δύο μορφές αμινοξέων στα νουκλεοτίδια, δημιουργούνται από μόρια αζώτου. Υπάρχουν δεσμοί υδρογόνου που βρίσκονται μεταξύ ομάδων αμινοξέων, γεγονός που επιτρέπει στα ζεύγη βάσεων να παραμένουν συνδεδεμένα μεταξύ τους στους κλώνους του RNA και του DNA.

Τα μόρια υδρογόνου συνδέουν τα άτομα άνθρακα και οξυγόνου μεταξύ των σακχάρων των νουκλεϊκών οξέων και των αζωτούχων βάσεων. Αυτοί οι δεσμοί αζώτου-υδρογόνου είναι πολικοί στη φύση τους και βοηθούν τους δεσμούς υδρογόνου να συνδέουν ολόκληρα στελέχη νουκλεϊκού οξέος μεταξύ τους. Αυτοί οι δεσμοί υδρογόνου είναι ο τρόπος με τον οποίο δημιουργείται ο σχηματισμός διπλής έλικας για τον οποίο είναι γνωστό το DNA, καθώς οι δύο κλώνοι του DNA συνδέονται μεταξύ τους μέσω των δεσμών υδρογόνου των ζευγών βάσεων. Τα φωσφορικά άλατα, οι αζωτούχες βάσεις και η ζάχαρη έχουν επίσης άτομα οξυγόνου διάσπαρτα μέσα τους. Η παρουσία αυτών των ατόμων οξυγόνου επηρεάζει το DNA και το RNA με ελαφρώς διαφορετικούς τρόπους, επομένως το DNA και το RNA έχουν διαφορετικές δομές σακχάρου. Παρόλο που το ριβονουκλεϊκό οξύ έχει τέσσερις ομάδες υδροξυλίου, αυτό δεν ισχύει για το DNA που έχει καθαρό υδρογόνο για μία από τις ομάδες υδροξυλίου. Έτσι εφαρμόζεται το «δεοξυ» στον όρο και δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ.

Τέλος, τα μόρια του φωσφόρου ενώνονται για να κατασκευάσουν τις ομάδες φωσφορικών που βρίσκονται τόσο στο RNA όσο και στο DNA. Τόσο τα άτομα φωσφόρου όσο και τα άτομα οξυγόνου είναι απαραίτητα για τη δημιουργία αυτών των ομάδων. Οι ομάδες φωσφόρου επιτρέπουν σε διαφορετικά νουκλεοτίδια να ενωθούν για να δημιουργήσουν πολυμερή.

Διαφορά μεταξύ νουκλεοτιδίων και νουκλεοζιτών

Τα νουκλεοτίδια ακούγονται παρόμοια με τα νουκλεοσίδια, αλλά τα δύο αυτά δεν πρέπει να συγχέονται. Ποια είναι η διαφορά μεταξύ νουκλεοσιδίων και νουκλεοτιδίων; Η σύντομη απάντηση είναι ότι οι νουκλεοζίτες είναι πολύ παρόμοιοι με τα νουκλεοτίδια εκτός από το ότι δεν διαθέτουν φωσφορική ομάδα. Τα νουκλεοτίδια δημιουργούνται από και νουκλεοσίτες, υφίστανται μια διαδικασία γνωστή ως φωσφορυλίωση για να γίνουν νουκλεοτίδια. Η διαδικασία φωσφορυλίωσης έχει νουκλεοσίτες και φώσφορο να ενώνονται μεταξύ τους για να δημιουργήσουν μια αζωτούχα βάση.

Τα κύτταρα του σώματος μπορούν να δημιουργήσουν νουκλεοσίδια μέσω της σύνθεσης, αλλά η κατανάλωση τροφής μπορεί επίσης να παρέχει στο σώμα νουκλεοτίδια. Τα νουκλεοτίδια που λαμβάνονται με την κατανάλωση τροφής αποικοδομούνται από ένα ένζυμο που ονομάζεται νουκλεοτιδάση και διασπώνται σε νουκλεοσίτες και φωσφορικά άλατα.

Κωδικόνια και Σύνθεση Πρωτεϊνών

Οι κλώνοι RNA χωρίζονται σε αλληλουχίες μήκους τριών γραμμάτων ή μορίων και αυτές οι αλληλουχίες καθορίζουν χαρακτηριστικά που είναι απαραίτητα για τη δημιουργία των σωστών πρωτεϊνών. Ο όρος για αυτούς τους τρεις κωδικούς γραμμάτων είναι κωδικόνια, και μπορούν να κατασκευαστούν από οποιονδήποτε συνδυασμό των τριών νουκλεοτιδικών βάσεων του RNA. Τα κωδικόνια διαβάζονται από τα ριβοσώματα και το ριβόσωμα θα ερμηνεύσει τον κώδικα στις αλληλουχίες για να δημιουργήσει τις σωστές πρωτεΐνες. Η πρωτεϊνοσύνθεση ξεκινά με την παρουσία ενός κωδικονίου έναρξης, του κωδικονίου AUG ή μεθειονίνης. Όταν αυτό το κωδικόνιο είναι κόκκινο, το ριβόσωμα φέρνει RNA μεταφοράς σε αυτό και αρχίζει να συνθέτει πρωτεΐνες διαβάζοντας τις αλληλουχίες tRNA και εφαρμόζοντας τα απαραίτητα αμινοξέα και αντικωδικόνια, τις συμπληρωματικές αλληλουχίες στα κωδικόνια που έχει παραδώσει το mRNA.

Μέσα στους κλώνους του RNA, υπάρχουν 64 συνολικά κωδικόνια. Όπως αναφέρθηκε, το κωδικόνιο AUG είναι το κωδικόνιο έναρξης. Υπάρχουν επίσης τρία διαφορετικά κωδικόνια τερματισμού, τα οποία αφήνουν άλλα 61 κωδικόνια που μπορούν να συνδυαστούν για να δημιουργήσουν μια ποικιλία διαφορετικών πρωτεϊνών. Οι άνθρωποι όχι μόνο χρησιμοποιούν 20 από τα διαφορετικά κωδικόνια για να δημιουργήσουν αμινοξέα, αλλά πολλά κωδικόνια μπορούν να κωδικοποιήσουν την ίδια πρωτεΐνη, όπως η πρωτεΐνη λευκίνη που κωδικοποιείται από το UUG και το UUA.