اسیدهای نوکلئیک، به ویژه DNA، در علم کاملاً شناخته شده هستند. این با این واقعیت توضیح داده می شود که آنها مواد سلولی هستند که ذخیره و انتقال اطلاعات ارثی آن به آنها بستگی دارد. DNA، که در سال 1868 توسط F. Miescher کشف شد، یک مولکول با خواص اسیدی مشخص است. دانشمند آن را از هسته لکوسیت ها - سلول های سیستم ایمنی بدن جدا کرد. در طول 50 سال بعد، مطالعاتی بر روی اسیدهای نوکلئیک به صورت پراکنده انجام شد، زیرا اکثر بیوشیمی‌ها پروتئین‌ها را به عنوان مواد آلی اصلی مسئول، از جمله موارد دیگر، برای صفات ارثی می‌دانستند.
از زمان رمزگشایی ساختار DNA توسط واتسون و کریک در سال 1953، تحقیقات جدی آغاز شد که نشان داد دئوکسی ریبونوکلئیک اسید یک پلیمر است و نوکلئوتیدها به عنوان مونومرهای DNA عمل می کنند. انواع و ساختار آنها توسط ما در این کار بررسی خواهد شد.
نوکلئوتیدها به عنوان واحدهای ساختاری اطلاعات ارثی
یکی از خواص اساسی ماده زنده حفظ و انتقال اطلاعات در مورد ساختار و عملکرد سلول و کل ارگانیسم است.بطور کلی. این نقش توسط اسید دئوکسی ریبونوکلئیک ایفا می شود و مونومرهای DNA - نوکلئوتیدها نوعی "آجر" هستند که ساختار منحصر به فرد ماده وراثتی از آن ساخته شده است. بیایید در نظر بگیریم که حیات وحش هنگام ایجاد ابرکویل اسید نوکلئیک با چه نشانه‌هایی هدایت می‌شد.
نوکلئوتیدها چگونه تشکیل می شوند
برای پاسخ به این سوال، به دانشی در مورد شیمی آلی نیاز داریم. به طور خاص، به یاد می آوریم که در طبیعت گروهی از گلیکوزیدهای هتروسیکلیک حاوی نیتروژن همراه با مونوساکاریدها - پنتوزها (دئوکسی ریبوز یا ریبوز) وجود دارد. نوکلئوزیدها نامیده می شوند. به عنوان مثال، آدنوزین و انواع دیگر نوکلئوزیدها در سیتوزول یک سلول وجود دارند. آنها وارد یک واکنش استریفیکاسیون با مولکولهای اسید اورتوفسفریک می شوند. محصولات این فرآیند نوکلئوتیدها خواهند بود. هر مونومر DNA، و چهار نوع وجود دارد، یک نام دارد، مانند نوکلئوتیدهای گوانین، تیمین، و سیتوزین.
مونومرهای پورین DNA
در بیوشیمی، طبقه بندی پذیرفته شده است که مونومرهای DNA و ساختار آنها را به دو گروه تقسیم می کند: به عنوان مثال، نوکلئوتیدهای آدنین و گوانین پورین هستند. آنها حاوی مشتقاتی از پورین هستند، یک ماده آلی با فرمول C5H4N44. مونومر DNA، یک نوکلئوتید گوانین، همچنین حاوی یک باز نیتروژنی پورین است که توسط یک پیوند N-گلیکوزیدی در پیکربندی بتا به دئوکسی ریبوز متصل است.
نوکلئوتیدهای پیریمیدین
بازهای نیتروژنی،سیتیدین و تیمیدین، مشتقاتی از ماده آلی پیریمیدین هستند. فرمول آن C4H4N۲ است. این مولکول یک هتروسیکل مسطح شش عضوی است که حاوی دو اتم نیتروژن است. مشخص است که به جای نوکلئوتید تیمین، مولکول های اسید ریبونوکلئیک مانند rRNA، tRNA و mRNA حاوی مونومر اوراسیل هستند. در طول رونویسی، در حین انتقال اطلاعات از ژن DNA به مولکول mRNA، نوکلئوتید تیمین با آدنین جایگزین می شود و نوکلئوتید آدنین با اوراسیل در زنجیره mRNA سنتز شده جایگزین می شود. یعنی رکورد زیر منصفانه خواهد بود: A - U، T - A.
قانون Chargaff
در بخش قبل، تا حدی به اصول مطابقت بین مونومرها در زنجیره‌های DNA و مجموعه ژن-mRNA اشاره کردیم. بیوشیمیدان معروف E. Chargaff یک خاصیت کاملاً منحصر به فرد مولکول های اسید دئوکسی ریبونوکلئیک را ایجاد کرد، یعنی تعداد نوکلئوتیدهای آدنین موجود در آن همیشه برابر با تیمین و گوانین با سیتوزین است. اساس نظری اصلی اصول شارگاف تحقیقات واتسون و کریک بود که مشخص کردند مولکول DNA کدام مونومرها را تشکیل می دهند و چه سازمان فضایی دارند. الگوی دیگری که توسط Chargaff مشتق شده و اصل مکملیت نامیده می شود، نشان دهنده رابطه شیمیایی بازهای پورین و پیریمیدین و توانایی آنها در تشکیل پیوندهای هیدروژنی هنگام برهم کنش با یکدیگر است. این بدان معنی است که آرایش مونومرها در هر دو رشته DNA کاملاً تعیین می شود: برای مثال، مقابل A از اولین رشته DNA می توانفقط T متفاوت است و دو پیوند هیدروژنی بین آنها ایجاد می شود. در مقابل نوکلئوتید گوانین، فقط سیتوزین می تواند قرار گیرد. در این حالت، سه پیوند هیدروژنی بین بازهای نیتروژنی تشکیل می‌شود.
نقش نوکلئوتیدها در کد ژنتیکی
برای انجام واکنش بیوسنتز پروتئین که در ریبوزوم ها اتفاق می افتد، مکانیسمی برای انتقال اطلاعات در مورد ترکیب اسید آمینه پپتید از توالی نوکلئوتیدی mRNA به توالی اسید آمینه وجود دارد. مشخص شد که سه مونومر مجاور اطلاعاتی در مورد یکی از 20 اسید آمینه ممکن دارند. این پدیده کد ژنتیکی نامیده می شود. در حل مسائل زیست شناسی مولکولی، هم برای تعیین ترکیب اسید آمینه یک پپتید و هم برای روشن شدن این سوال استفاده می شود: کدام مونومرها یک مولکول DNA را تشکیل می دهند، به عبارت دیگر، ترکیب ژن مربوطه چیست. به عنوان مثال، سه گانه AAA (کدون) در ژن، اسید آمینه فنیل آلانین را در مولکول پروتئین کد می کند و در کد ژنتیکی با سه گانه UUU در زنجیره mRNA مطابقت دارد.
برهمکنش نوکلئوتیدها در فرآیند تکثیر DNA
همانطور که قبلاً مشخص شد، واحدهای ساختاری، مونومرهای DNA نوکلئوتید هستند. توالی خاص آنها در زنجیره ها الگوی فرآیند سنتز مولکول دختر اسید دئوکسی ریبونوکلئیک است. این پدیده در مرحله S اینترفاز سلولی رخ می دهد. توالی نوکلئوتیدی یک مولکول DNA جدید، با در نظر گرفتن این اصل، بر روی زنجیره‌های اصلی تحت تأثیر آنزیم DNA پلیمراز جمع می‌شود.مکمل (A - T، D - C). همانندسازی به واکنش های سنتز ماتریس اشاره دارد. این بدان معنی است که مونومرهای DNA و ساختار آنها در زنجیره های والد به عنوان پایه، یعنی ماتریس برای کپی فرزند آن عمل می کنند.
آیا ساختار یک نوکلئوتید تغییر می کند
به هر حال، بیایید بگوییم که اسید دئوکسی ریبونوکلئیک یک ساختار بسیار محافظه کارانه از هسته سلول است. یک توضیح منطقی برای این وجود دارد: اطلاعات ارثی ذخیره شده در کروماتین هسته باید بدون تغییر و کپی برداری شود. خب، ژنوم سلولی دائماً "زیر تفنگ" عوامل محیطی است. به عنوان مثال، ترکیبات شیمیایی تهاجمی مانند الکل، مواد مخدر، تشعشعات رادیواکتیو. همه آنها به اصطلاح موتاژن هستند که تحت تأثیر آنها هر مونومر DNA می تواند ساختار شیمیایی خود را تغییر دهد. به چنین اعوجاجی در بیوشیمی، جهش نقطه ای می گویند. فراوانی وقوع آنها در ژنوم سلول بسیار زیاد است. جهش ها با عملکرد خوب سیستم ترمیم سلولی، که شامل مجموعه ای از آنزیم ها است، اصلاح می شوند.
برخی از آنها، به عنوان مثال، محدود کننده ها، "برش" نوکلئوتیدهای آسیب دیده، پلیمرازها سنتز مونومرهای طبیعی را فراهم می کنند، لیگازها بخش های بازسازی شده ژن را "دوختن" می کنند. اگر بنا به دلایلی مکانیسمی که در بالا توضیح داده شد در سلول کار نکند و مونومر DNA معیوب در مولکول آن باقی بماند، جهش توسط فرآیندهای سنتز ماتریکس برداشته شده و از نظر فنوتیپی خود را به شکل پروتئین هایی با خواص مختل نشان می دهد. قادر به انجام کارکردهای ضروری ذاتی در آنها نیستندمتابولیسم سلولی این یک عامل منفی جدی است که حیات سلول را کاهش می دهد و طول عمر آن را کوتاه می کند.
