Nukleotyd
Definicja nukleotydu
Nukleotyd jest cząsteczką organiczną, która jest budulcem DNA i RNA. Pełnią one również funkcje związane z sygnalizacją komórkową, metabolizmem i reakcjami enzymatycznymi. Nukleotyd składa się z trzech części: grupy fosforanowej, pięciowęglowego cukru i zasady azotowej. Cztery zasady azotowe w DNA to adenina, cytozyna, guanina i tymina. RNA zawiera uracyl, zamiast tyminy. Nukleotyd w łańcuchu stanowi materiał genetyczny wszystkich znanych organizmów żywych. Pełnią one również szereg funkcji poza przechowywaniem informacji genetycznej, jako posłańcy i cząsteczki przenoszące energię.
Seria trzech nukleotydów w DNA jest znana jako kodon i kieruje białkami w komórce do dołączenia specyficznego białka do serii określonej przez resztę DNA. Specjalne kodony nawet określić do maszyn, gdzie zatrzymać i rozpocząć proces. Translacja DNA, jak wiadomo, przekształca informacje z DNA na język białek. Ten łańcuch aminokwasów może być następnie odpowiednio złożony i pełnić jedną z wielu funkcji w komórce.
Struktura nukleotydów
Struktura nukleotydów jest prosta, ale struktura, jaką mogą one tworzyć razem, jest złożona. Poniżej znajduje się obraz DNA. Ta cząsteczka składa się z dwóch pasm, które owijają się wokół siebie, tworząc wiązania wodorowe w środku struktury dla wsparcia. Każdy nukleotyd wewnątrz ma specyficzną strukturę, która umożliwia to tworzenie.
Zasada azotowa
Zasada azotowa jest centralną częścią niosącą informację w strukturze nukleotydów. Cząsteczki te, posiadające różne wyeksponowane grupy funkcyjne, mają różną zdolność do oddziaływania między sobą. Tak jak na obrazku, układ ideowy to maksymalna ilość wiązań wodorowych pomiędzy zaangażowanymi nukleotydami. Ze względu na strukturę nukleotydu, tylko niektóre nukleotydy mogą oddziaływać z innymi. Powyższy obrazek przedstawia tyminę wiążącą się z adeniną, oraz guaninę wiążącą się z cytozyną. Jest to właściwy i typowy układ.
Ta równomierna formacja powoduje skręt w strukturze, i jest gładka, jeśli nie ma błędów. Jednym ze sposobów, w jaki białka są w stanie naprawić uszkodzone DNA jest to, że mogą one wiązać się z nierównymi miejscami w strukturze. Nierówne miejsca są tworzone, gdy wiązanie wodorowe nie występuje między przeciwstawnymi cząsteczkami nukleotydów. Białko wycina jeden nukleotyd i zastępuje go innym. Zduplikowana natura nici genetycznych zapewnia, że błędy takie jak ten mogą być korygowane z dużą dokładnością.
Cukier
Drugą częścią nukleotydu jest cukier. Niezależnie od nukleotydu, cukier jest zawsze taki sam. Różnica występuje między DNA i RNA. W DNA 5-węglowym cukrem jest deoksyryboza, podczas gdy w RNA 5-węglowym cukrem jest ryboza. To nadaje cząsteczkom genetycznym ich nazwy; pełna nazwa DNA to kwas deoksyrybonukleinowy, a RNA to kwas rybonukleinowy.
Cukier, z odsłoniętym tlenem, może łączyć się z grupą fosforanową następnej cząsteczki. Następnie tworzą one wiązanie, które staje się szkieletem cukrowo-fosforanowym. Struktura ta dodaje sztywności strukturze, ponieważ tworzone przez nie wiązania kowalencyjne są znacznie silniejsze niż wiązania wodorowe pomiędzy dwiema niciami. Gdy do przetwarzania i transpozycji DNA przystępują białka, robią to rozdzielając nici i odczytując tylko jedną stronę. Kiedy przechodzą dalej, nici materiału genetycznego wracają do siebie, napędzane przyciąganiem między przeciwstawnymi zasadami nukleotydowymi. Szkielet cukrowo-fosforanowy pozostaje połączony przez cały czas.
Grupa fosforanowa
Ostatnia część struktury nukleotydów, grupa fosforanowa, jest prawdopodobnie znana z innej ważnej cząsteczki ATP. Trójfosforan adenozyny, czyli ATP, jest cząsteczką energii, na której opiera się większość życia na Ziemi, przechowując i przenosząc energię pomiędzy reakcjami. ATP zawiera trzy grupy fosforanowe, które mogą przechowywać dużo energii w swoich wiązaniach. W przeciwieństwie do ATP, wiązania tworzone w nukleotydach są znane jako wiązania fosfodiestrowe, ponieważ zachodzą między grupą fosforanową a cząsteczką cukru.
Podczas replikacji DNA enzym znany jako polimeraza DNA gromadzi odpowiednie zasady nukleotydowe i zaczyna je organizować w łańcuchu, który czyta. Inne białko, ligaza DNA, kończy pracę, tworząc wiązanie fosfodiestrowe między cząsteczką cukru jednej zasady a grupą fosforanową następnej. W ten sposób powstaje szkielet nowej cząsteczki genetycznej, która może być przekazana następnemu pokoleniu. DNA i RNA zawierają wszystkie informacje genetyczne niezbędne do funkcjonowania komórek.
Przykłady nukleotydów
Adenina
Adenina jest puryną, która jest jedną z dwóch rodzin zasad azotowych. Puryny mają strukturę dwupierścieniową. W DNA, adenina wiąże się z tyminą. W RNA, adenina łączy się z uracylem. Trójfosforan adenozyny, jak omówiono wcześniej, wykorzystuje nukleotyd adeninę jako bazę. Stamtąd mogą zostać przyłączone trzy grupy fosforanowe. Dzięki temu w wiązaniach tych może być zgromadzona duża ilość energii. Z tego samego powodu, dla którego szkielet cukrowo-fosforanowy jest tak silny, wiązania w ATP są również tak silne. Po połączeniu ze specjalnymi enzymami, które powstały w celu uwolnienia energii, może ona zostać przekazana do innych reakcji i cząsteczek.
Guanina
Podobnie jak adenina, guanina jest nukleotydem purynowym; ma podwójny pierścień. Wiąże się z cytozyną zarówno w DNA jak i RNA. Jak widać na powyższym obrazku, guanina łączy się z cytozyną poprzez trzy wiązania wodorowe. To sprawia, że wiązanie cytozyna-guanina jest nieco silniejsze niż wiązanie tymina-adenina, które tworzy tylko dwa wiązania wodorowe.
Cytozyna
Pirymidyny są inną klasą nukleotydów. Cytozyna jest nukleotydem pirymidynowym; ma tylko jeden pierścień w swojej strukturze. Cytozyna łączy się z guaniną zarówno w DNA jak i RNA. Łącząc się z nukleotydem guaniny, tworzą silną parę.
Tymina
Podobnie jak nukleotyd cytozyny, tymina jest nukleotydem pirymidynowym i ma jeden pierścień. Łączy się ona z adeniną w DNA. Tymina nie występuje w RNA. W DNA tworzy tylko dwa wiązania wodorowe z adeniną, co czyni je słabszą parą.
Uracyl
Uracyl jest również pirymidyną. Podczas transkrypcji z DNA do RNA, uracyl jest umieszczany wszędzie tam, gdzie normalnie znalazłaby się tymina. Powód tego nie jest całkowicie zrozumiały, choć uracyl ma pewne wyraźne zalety i wady. Większość stworzeń nie używa uracylu w DNA, ponieważ jest on krótkotrwały i może ulec degradacji do cytozyny. Jednakże w RNA uracyl jest preferowanym nukleotydem, ponieważ RNA jest również cząsteczką o krótkim czasie życia.
Funkcja nukleotydu
Poza tym, że jest podstawową jednostką materiału genetycznego wszystkich żywych istot, nukleotyd może mieć również inne funkcje. Nukleotyd może być zasadą w innej cząsteczce, takiej jak trójfosforan adenozyny (ATP), który jest główną cząsteczką energetyczną komórki. Znajdują się one również w koenzymach takich jak NAD i NADP, które pochodzą od ADP; cząsteczki te są wykorzystywane w wielu reakcjach chemicznych, które odgrywają rolę w metabolizmie. Inną cząsteczką, która zawiera nukleotyd jest cykliczny AMP (cAMP), cząsteczka komunikatora, która jest ważna w wielu procesach, w tym w regulacji metabolizmu i transportu sygnałów chemicznych do komórek. Nukleotydy nie tylko stanowią budulec życia, ale także tworzą wiele różnych cząsteczek, które funkcjonują, aby życie było możliwe.
Quiz
1. Który z poniższych elementów nie jest częścią struktury nukleotydów?
A. Cukier pięciowęglowy
B. Grupa fosforanowa
C. Fosfolipid
2. Która para jest prawidłowa?
A. A-G
B. C-G
C. T-U
D. U-C
3. Który nukleotyd nie występuje w DNA?
A. Uracylu
B. Tymina
C. Adenina