Nucleotide

Nucleotide Definitie

Een nucleotide is een organische molecule die de bouwsteen is van DNA en RNA. Zij hebben ook functies in verband met celsignalering, metabolisme en enzymreacties. Een nucleotide bestaat uit drie delen: een fosfaatgroep, een 5-koolstof suiker, en een stikstofhoudende basis. De vier stikstofbasen in DNA zijn adenine, cytosine, guanine en thymine. RNA bevat uracil, in plaats van thymine. Een nucleotide in een keten vormt het genetisch materiaal van alle bekende levende wezens. Zij hebben ook een aantal functies buiten de opslag van genetische informatie, als boodschappers en energiebewegende moleculen.

Een reeks van drie nucleotiden binnen het DNA staat bekend als een codon, en geeft de eiwitten binnen de cel opdracht een specifiek eiwit te hechten aan een reeks die door de rest van het DNA is gespecificeerd. Speciale codons geven zelfs aan de machinerie aan waar het proces moet stoppen en beginnen. DNA translatie, zoals het heet, zet de informatie van DNA om in de taal van eiwitten. Deze keten van aminozuren kan dan op de juiste manier worden gevouwen, en een van de vele functies binnen de cel vervullen.

Nucleotidenstructuur

Nucleotidenstructuur is eenvoudig, maar de structuur die ze samen kunnen vormen is complex. Hieronder staat een afbeelding van DNA. Deze molecule bestaat uit twee strengen die zich om elkaar heen wikkelen, waarbij in het midden van de structuur waterstofbruggen worden gevormd ter ondersteuning. Elke nucleotide binnenin heeft een specifieke structuur die deze vorming mogelijk maakt.

Stikstofhoudende basis

De stikstofhoudende basis is het centrale informatiedragende deel van de nucleotidestructuur. Deze moleculen, die verschillende blootgestelde functionele groepen hebben, hebben verschillende mogelijkheden om met elkaar te interageren. Zoals in de afbeelding is de idee-indeling de maximale hoeveelheid waterstofbruggen tussen de betrokken nucleotiden. Door de structuur van de nucleotide kan slechts een bepaalde nucleotide met andere reageren. De afbeelding hierboven laat zien dat thymine bindt aan adenine, en guanine aan cytosine. Dit is de juiste en typische opstelling.

Deze gelijkmatige formatie veroorzaakt een kronkel in de structuur, en is glad als er geen fouten zijn. Een van de manieren waarop eiwitten beschadigd DNA kunnen repareren, is dat zij zich kunnen binden aan ongelijke plekken in de structuur. Ongelijke plekken ontstaan wanneer er geen waterstofbruggen zijn tussen de tegenover elkaar liggende nucleotidemoleculen. Het eiwit zal één nucleotide wegsnijden en vervangen door een andere. De dubbele aard van de genetische strengen zorgt ervoor dat fouten als deze met een hoge mate van nauwkeurigheid kunnen worden gecorrigeerd.

Suiker

Het tweede deel van de nucleotide is de suiker. Ongeacht de nucleotide, de suiker is altijd hetzelfde. Het verschil zit tussen DNA en RNA. In DNA is de 5-koolstof suiker deoxyribose, terwijl in RNA de 5-koolstof suiker ribose is. Dit geeft de genetische moleculen hun naam; de volledige naam van DNA is desoxyribonucleïnezuur, en RNA is ribonucleïnezuur.

De suiker, met zijn blootgestelde zuurstof, kan zich binden met de fosfaatgroep van het volgende molecuul. Zij vormen dan een verbinding, die de suiker-fosfaat ruggengraat wordt. Deze structuur zorgt voor stijfheid, omdat de covalente bindingen die ze vormen veel sterker zijn dan de waterstofbruggen tussen de twee strengen. Wanneer eiwitten het DNA komen verwerken en transponeren, doen zij dit door de strengen te scheiden en slechts één zijde af te lezen. Wanneer zij overgaan, komen de strengen genetisch materiaal weer bij elkaar, aangedreven door de aantrekkingskracht tussen de tegenover elkaar liggende nucleotidebasen. De suiker-fosfaat ruggengraat blijft de hele tijd verbonden.

Fosfaatgroep

Het laatste deel van de nucleotidestructuur, de fosfaatgroep, is waarschijnlijk bekend van een ander belangrijk molecuul ATP. Adenosinetrifosfaat, of ATP, is de energiemolecule waarop het meeste leven op aarde vertrouwt om energie op te slaan en over te dragen tussen reacties. ATP bevat drie fosfaatgroepen, die in hun bindingen veel energie kunnen opslaan. In tegenstelling tot ATP staan de bindingen die binnen een nucleotide worden gevormd bekend als fosfodiesterbindingen, omdat ze plaatsvinden tussen de fosfaatgroep en het suikermolecuul.

Tijdens de replicatie van DNA verzamelt een enzym dat bekend staat als DNA-polymerase de juiste nucleotidebasen, en begint ze te ordenen tegen de keten die het aan het lezen is. Een ander eiwit, DNA-ligase, maakt het karwei af door de fosfodiesterbinding tot stand te brengen tussen het suikermolecuul van de ene base en de fosfaatgroep van de volgende. Zo ontstaat de ruggengraat van een nieuwe genetische molecule, die aan de volgende generatie kan worden doorgegeven. DNA en RNA bevatten alle genetische informatie die nodig is voor het functioneren van cellen.

Nucleotide Voorbeelden

Adenine

Adenine is een purine, dat is een van de twee families van stikstofhoudende basen. Purines hebben een structuur met dubbele ringen. In DNA bindt adenine met thymine. In RNA bindt adenine met uracil. Adenosine trifosfaat, zoals eerder besproken, gebruikt het nucleotide adenine als basis. Van daaruit kunnen drie fosfaatgroepen worden bevestigd. Hierdoor kan een grote hoeveelheid energie in de bindingen worden opgeslagen. Om dezelfde reden dat de suiker-fosfaat ruggengraat zo sterk is, zijn de bindingen in ATP dat ook. In combinatie met speciale enzymen die zijn gevormd om de energie vrij te maken, kan deze worden overgedragen aan andere reacties en moleculen.

Guanine

Net als adenine is guanine een purine-nucleotide; het heeft een dubbele ring. Het bindt zich met cytosine in zowel DNA als RNA. Zoals te zien is in de afbeelding hierboven, bindt guanine zich aan cytosine door middel van drie waterstofbruggen. Hierdoor is de binding cytosine-guanine iets sterker dan de binding thymine-adenine, die slechts twee waterstofbruggen vormt.

Cytosine

Pyrimidines zijn de andere klasse van nucleotiden. Cytosine is een pyrimidine-nucleotide; het heeft slechts één ring in zijn structuur. Cytosine bindt zich met guanine in zowel DNA als RNA. Door de binding met het nucleotide guanine vormen de twee een sterk paar.

Thymine

Net als het nucleotide cytosine is thymine een pyrimidine nucleotide en heeft het één ring. Het bindt met adenine in DNA. Thymine wordt niet gevonden in RNA. In DNA vormt het slechts twee waterstofbruggen met adenine, waardoor ze het zwakste paar vormen.

Uracil

Uracil is ook een pyrimidine. Tijdens de transcriptie van DNA naar RNA wordt uracil overal geplaatst waar normaal een thymine zou komen. De reden hiervoor wordt niet helemaal begrepen, hoewel uracil enkele duidelijke voor- en nadelen heeft. De meeste schepselen gebruiken uracil niet in het DNA, omdat het een kort leven beschoren is en in cytosine kan worden afgebroken. In RNA wordt echter de voorkeur gegeven aan uracil, omdat RNA ook een kortlevend molecuul is.

Nucleotide Functie

Nucleotide is niet alleen de basiseenheid van genetisch materiaal voor alle levende wezens, maar kan ook andere functies hebben. Een nucleotide kan een basis zijn in een ander molecuul, zoals adenosinetrifosfaat (ATP), dat de belangrijkste energiemolecule van de cel is. Ze worden ook gevonden in co-enzymen als NAD en NADP, die voortkomen uit ADP; deze moleculen worden gebruikt in veel chemische reacties die een rol spelen in het metabolisme. Een ander molecuul dat een nucleotide bevat is cyclisch AMP (cAMP), een boodschappermolecuul dat belangrijk is in veel processen, waaronder de regulering van de stofwisseling en het transport van chemische signalen naar cellen. Nucleotiden vormen niet alleen de bouwstenen van het leven, maar vormen ook veel verschillende moleculen die functioneren om leven mogelijk te maken.

Quiz

1. Welke van de volgende is geen onderdeel van de nucleotidenstructuur?
A. 5-koolstof suiker
B. Fosfaatgroep
C. Fosfolipide

2. Welke is de juiste koppeling?
A. A-G
B. C-G
C. T-U
D. U-C

3. Welke nucleotide wordt niet gevonden in DNA?
A. Uracil
B. Thymine
C. Adenine