Nukleotid

Definice nukleotidu

Nukleotid je organická molekula, která je základním stavebním kamenem DNA a RNA. Mají také funkce související s buněčnou signalizací, metabolismem a enzymovými reakcemi. Nukleotid se skládá ze tří částí: fosfátové skupiny, pětiuhlíkatého cukru a dusíkaté báze. Čtyři dusíkaté báze v DNA jsou adenin, cytosin, guanin a tymin. RNA obsahuje místo thyminu uracil. Nukleotid v řetězci tvoří genetický materiál všech známých živých organismů. Plní také řadu funkcí mimo uchovávání genetické informace, jako poslové a molekuly pohybující se energií.

Řada tří nukleotidů v rámci DNA se nazývá kodon a řídí bílkoviny v buňce, aby připojily konkrétní bílkovinu k řadě určené zbytkem DNA. Speciální kodony dokonce určují strojům, kde se má proces zastavit a kde začít. Translace DNA, jak je známo, převádí informace z DNA do jazyka bílkovin. Tento řetězec aminokyselin pak může být správně složen a zajišťovat jednu z mnoha funkcí v buňce.

Struktura nukleotidů

Struktura nukleotidů je jednoduchá, ale struktura, kterou mohou společně vytvořit, je složitá. Níže je uveden obrázek DNA. Tato molekula se skládá ze dvou vláken, která se vzájemně ovíjejí a uprostřed struktury vytvářejí vodíkové vazby, které je podporují. Každý nukleotid uvnitř má specifickou strukturu, která toto vytváření umožňuje.

Dusíkatá báze

Dusíkatá báze je centrální částí struktury nukleotidů nesoucí informaci. Tyto molekuly, které mají různě exponované funkční skupiny, mají rozdílné schopnosti vzájemné interakce. Stejně jako na obrázku je ideálním uspořádáním maximální množství vodíkových vazeb mezi zúčastněnými nukleotidy. Vzhledem ke struktuře nukleotidu může s ostatními interagovat pouze určitý nukleotid. Na obrázku výše je znázorněna vazba thyminu na adenin a vazba guaninu na cytosin. To je správné a typické uspořádání.

Toto rovnoměrné uspořádání způsobuje zkroucení struktury a je hladké, pokud nedochází k chybám. Jedním ze způsobů, jakým jsou proteiny schopny opravit poškozenou DNA, je, že se mohou vázat na nerovnoměrná místa ve struktuře. Nerovná místa vznikají, když mezi protilehlými molekulami nukleotidů nedochází k vodíkové vazbě. Protein vyřízne jeden nukleotid a nahradí ho jiným. Duplicitní povaha genetických vláken zajišťuje, že takové chyby lze opravit s vysokou přesností.

Cukr

Druhou částí nukleotidu je cukr. Bez ohledu na to, o jaký nukleotid se jedná, je cukr vždy stejný. Rozdíl je mezi DNA a RNA. V DNA je pětiuhlíkatý cukr deoxyribóza, zatímco v RNA je pětiuhlíkatý cukr ribóza. Od toho se odvíjejí názvy genetických molekul; plný název DNA je deoxyribonukleová kyselina a RNA je ribonukleová kyselina.

Cukr s obnaženým kyslíkem se může vázat s fosfátovou skupinou další molekuly. Ty pak vytvoří vazbu, která se stane cukr-fosfátovou páteří. Tato struktura dodává struktuře tuhost, protože kovalentní vazby, které tvoří, jsou mnohem silnější než vodíkové vazby mezi oběma vlákny. Když bílkoviny přicházejí zpracovat a transponovat DNA, dělají to tak, že oddělují vlákna a čtou pouze jednu stranu. Když předávají dál, vlákna genetického materiálu se opět spojí, poháněna přitažlivostí mezi protilehlými nukleotidovými bázemi. Cukr-fosfátová páteř zůstává po celou dobu spojena.

Fosfátová skupina

Poslední část struktury nukleotidu, fosfátovou skupinu, pravděpodobně znáte z jiné důležité molekuly ATP. Adenosintrifosfát neboli ATP je energetická molekula, na kterou se spoléhá většina života na Zemi při ukládání a přenosu energie mezi reakcemi. ATP obsahuje tři fosfátové skupiny, které mohou ve svých vazbách uchovávat velké množství energie. Na rozdíl od ATP se vazby vytvářené uvnitř nukleotidu nazývají fosfodiesterové vazby, protože k nim dochází mezi fosfátovou skupinou a molekulou cukru.

Při replikaci DNA enzym známý jako polymeráza DNA sestaví správné nukleotidové báze a začne je řadit proti řetězci, který čte. Další bílkovina, DNA ligáza, dokončí práci vytvořením fosfodiesterové vazby mezi molekulou cukru jedné báze a fosfátovou skupinou další. Tím se vytvoří páteř nové genetické molekuly, která může být předána další generaci. DNA a RNA obsahují všechny genetické informace nezbytné pro fungování buněk.

Příklady nukleotidů

Adenin

Adenin je purin, což je jedna ze dvou rodin dusíkatých bází. Puriny mají dvouřadou strukturu. V DNA se adenin váže s thyminem. V RNA se adenin váže s uracilem. Adenosintrifosfát, jak již bylo řečeno, používá jako bázi nukleotid adenin. Odtud se mohou připojit tři fosfátové skupiny. Díky tomu je ve vazbách uloženo velké množství energie. Ze stejného důvodu, proč je páteř cukru a fosfátu tak silná, jsou silné i vazby v ATP. Ve spojení se speciálními enzymy, které se vytvořily za účelem uvolnění energie, ji lze přenést do dalších reakcí a molekul.

Guanin

Stejně jako adenin je guanin purinový nukleotid; má dvojitý kruh. V DNA i RNA se váže s cytosinem. Jak je vidět na obrázku výše, guanin se váže s cytosinem pomocí tří vodíkových vazeb. Díky tomu je vazba cytosin-guanin o něco silnější než vazba thymin-adenin, která tvoří pouze dvě vodíkové vazby.

Cytosin

Druhou třídou nukleotidů jsou pyrimidiny. Cytosin je pyrimidinový nukleotid; ve své struktuře má pouze jeden kruh. Cytosin se váže s guaninem v DNA i RNA. Vazbou s nukleotidem guaninem tvoří silný pár.

Tymin

Tymin je stejně jako nukleotid cytosin pyrimidinový nukleotid a má jeden kruh. V DNA se váže s adeninem. V RNA se tymin nevyskytuje. V DNA tvoří s adeninem pouze dvě vodíkové vazby, což z nich činí slabší pár.

Uracil

Uracil je také pyrimidin. Při přepisu z DNA do RNA je uracil umístěn všude tam, kam by se normálně dostal thymin. Důvod tohoto postupu není zcela objasněn, i když uracil má některé výrazné výhody a nevýhody. Většina živočichů uracil v DNA nepoužívá, protože má krátkou životnost a může se rozložit na cytosin. V RNA je však uracil preferovaným nukleotidem, protože RNA je také krátce žijící molekula.

Funkce nukleotidu

Kromě toho, že je nukleotid základní jednotkou genetického materiálu všech živých tvorů, může mít i další funkce. Nukleotid může být bází v jiné molekule, například v adenosintrifosfátu (ATP), který je hlavní energetickou molekulou buňky. Nacházejí se také v koenzymech, jako jsou NAD a NADP, které vznikají z ADP; tyto molekuly se používají v mnoha chemických reakcích, které hrají roli v metabolismu. Další molekulou, která obsahuje nukleotid, je cyklický AMP (cAMP), molekula posla, která je důležitá v mnoha procesech včetně regulace metabolismu a přenosu chemických signálů do buněk. Nukleotidy tvoří nejen stavební kameny života, ale také mnoho různých molekul, které fungují tak, že umožňují život.

Kvíz

1. Která z následujících možností není součástí struktury nukleotidů?
A. Pětiuhlíkatý cukr
B. Fosfátová skupina
C. Fosfolipid

2. Která dvojice je správná?
A. A-G
B. C-G
C. T-U
D. U-C

3. Který nukleotid se v DNA nenachází?
A. Uracil
B. Thymin
C. Adenin