Нуклеотид — що це? Відповідаємо на питання. Склад, будова, число і послідовність нуклеотидів у ланцюгу ДНК

Все живе на планеті складається з безлічі клітин, що підтримують упорядкованість своєї організації за рахунок генетичної інформації, що міститься в ядрі. Вона зберігається, реалізується і передається складними високомолекулярними сполуками — нуклеїновими кислотами, що складаються з мономерних ланок — нуклеотидів. Роль нуклеїнових кислот неможливо переоцінити. Стабільністю їх структури визначається нормальна життєдіяльність організму, а будь-які відхилення в будові неминуче призводять до зміни клітинної організації, активності фізіологічних процесів і життєздатності клітин в цілому.

Поняття нуклеотиду і його властивості

Кожна молекула ДНК або РНК зібрана з більш дрібних мономерних сполук — нуклеотидів. Іншими словами, нуклеотид — це будівельний матеріал для нуклеїнових кислот, коферментів і багатьох інших біологічних сполук, які вкрай необхідні клітині в процесі її життєдіяльності.

До основних властивостей цих незамінних речовин можна віднести:

• зберігання інформації про структуру білка та спадкові ознаки;
  
  • здійснення контролю над зростанням і репродукцією;
  
  • участь у метаболізмі та багатьох інших фізіологічних процесах, що протікають у клітці.

Склад нуклеотиду

Говорячи про нуклеотиди, не можна не зупинитися на такому важливому питанні, як їх структура і склад.

Кожен нуклеотид складається з:

• цукрового залишку;
  
  • азотистої основи;
  
  • фосфатної групи або залишку фосфорної кислоти.

Можна сказати, що нуклеотид — це складна органічна сполука. Залежно від видового складу азотистих підстав і типу пентози в структурі нуклеотиду нуклеїнові кислоти підрозділюються на:

• дезоксирибонуклеїнову кислоту, або ДНК,
  
  • рибонуклеїнову кислоту, або РНК.

Склад нуклеїнових кислот

У нуклеїнових кислотах цукор представлений пентозою. Це п’ятивуглецевий цукор, в ДНК його називають дезоксирибозою, в РНК — рибозою. Кожна молекула пентози має п’ять атомів вуглецю, чотири з них разом з атомом кисню утворюють п’ятичлене кільце, а п’ятий входить до групи NO-SN2.

Розташування кожного атома вуглецю в молекулі пентози позначається арабською цифрою зі штрихом (1C’, 2C’, 3C’, 4C’, 5C’). Оскільки всі процеси зчитування спадкової інформації з молекули нуклеїнової кислоти мають сувору спрямованість, нумерація атомів вуглецю і їх розташування в кільці служать свого роду покажчиком правильного напрямку.

По гідроксильній групі до третього і п’ятого вуглецевих атомів (3С’і 5С’) приєднаний залишок фосфорної кислоти. Він і визначає хімічну приналежність ДНК і РНК до групи кислот.

До першого вуглецевого атому (1С’) в молекулі цукру приєднано азотисту основу.

Видовий склад азотистих підстав

Нуклеотиди ДНК з азотистої основи представлені чотирма видами:

• аденіном (А); •
  
  гуаніном (Г); •
  
  цитозином (Ц); •
  
  тіміном (Т).

Перші два відносяться до класу пурінів, два останніх — піримідинів. За молекулярною масою пуринові завжди важчі піримідинових.

Нуклеотиди РНК з азотистої основи представлені:

• аденіном (А); •
  
  гуаніном (Г); •
  
  цитозином (Ц);
  
  • урацилом (У).

Урацил так само, як і тимін, є піримідиновою підставою.

У науковій літературі нерідко можна зустріти й інше позначення азотистих підстав — латинськими літерами (A, T, C, G, U).

Детальніше зупинимося на хімічній структурі пуринів і піримідинів.

Піримідини, а саме цитозин, тимін і урацил, у своєму складі представлені двома атомами азоту і чотирма атомами вуглецю, що утворюють шестичлене кільце. Кожен атом має свій номер від 1 до 6.

Пурини (аденін і гуанін) складаються з піримідину та імідазолу або двох гетероциклів. Молекула пуринових підстав представлена чотирма атомами азоту і п’ятьма атомами вуглецю. Кожен атом пронумерований від 1 до 9.

Внаслідок з’єднання азотистої основи і залишку пентози утворюється нуклеозид. Нуклеотид — це з’єднання нуклеозиду і фосфатної групи.

Утворення фосфодіефірних зв’язків

Важливо розібратися в питанні про те, як з’єднуються нуклеотиди в поліпептидний ланцюг і утворюють молекулу нуклеїнової кислоти. Відбувається це за рахунок так званих фосфодіефірних зв’язків.

Взаємодія двох нуклеотидів дає динуклеотид. Утворення нового з’єднання відбувається шляхом конденсації, коли між фосфатним залишком одного мономера і гідроксигрупою пентози іншого виникає фосфодіефірний зв’язок.

Синтез полинуклеотиду — неодноразове повторення цієї реакції (кілька мільйонів разів). Полинуклеотидний ланцюг будується за допомогою утворення фосфодіефірних зв’язків між третім і п’ятим вуглецями цукрів (3С’і 5С’).

Збірка полинуклеотиду — складний процес, що протікає за участю ферменту ДНК-полімерази, яка забезпечує зростання ланцюга тільки з одного кінця (3′) з вільною гідроксигрупою.

Структура молекули ДНК

Молекула ДНК, так само як і білка, може мати первинну, вторинну і третинну структуру.

Послідовність нуклеотидів у ланцюгу ДНК визначає її первинну структуру. Вторинна структура формується за рахунок водневих зв’язків, в основі виникнення яких покладено принцип комплементарності. Іншими словами, при синтезі подвійної спіралі ДНК діє певна закономірність: аденін одного ланцюга відповідає тиміну інший, гуанін — цитозину, і навпаки. Пари аденіну і тиміну або гуаніну та цитозину утворюються за рахунок двох у першому і трьох в останньому випадку водневих зв’язків. Таке з’єднання нуклеотидів забезпечує міцний зв’язок ланцюгів і рівну відстань між ними.

Знаючи послідовність нуклеотидів одного ланцюга ДНК, за принципом комплементарності або доповнення можна добудувати другу.

Третинна структура ДНК утворена за рахунок складних тривимірних зв’язків, що робить її молекулу більш компактною і здатною розміщуватися в малому обсязі клітини. Наприклад, довжина ДНК кишкової палички становить понад 1 мм, тоді як довжина клітини — менш ніж 5 мкм.

Число нуклеотидів у ДНК, а саме їх кількісне співвідношення, підпорядковується правилу Чергаффа (число пуринових підстав завжди дорівнює кількості піримідинових). Відстань між нуклеотидами — величина постійна, рівна 0,34 нм, як і їх молекулярна маса.

Структура молекули РНК

РНК представлена одним полинуклеотидним ланцюжком, утвореним через ковалентні зв’язки між пентозою (в даному випадку рибозою) і фосфатним залишком. По довжині вона значно коротша за ДНК. За видовим складом азотистих підстав у нуклеотиді також є відмінності. У РНК замість піримідинової підстави тіміна використовується урацил. Залежно від функцій, що виконуються в організмі, РНК може бути трьох типів.

• Рибосомальна (рРНК) — містить зазвичай від 3000 до 5000 нуклеотидів. Як необхідний структурний компонент бере участь у формуванні активного центру рибосом, місця здійснення одного з найважливіших процесів у клітці — біосинтезу білка.
  
  • Транспортна (тРНК) — складається в середньому з 75 — 95 нуклеотидів, здійснює перенесення потрібної амінокислоти до місця синтезу поліпептида в рибосомі. Кожен вид тРНК (не менше 40) має свою, властиву тільки йому послідовність мономерів або нуклеотидів
  
  . • Інформаційна (іРНК) — по нуклеотидному складу досить різноманітна. Переносить генетичну інформацію від ДНК до рибосомів, виступає в ролі матриці для синтезу білкової молекули.

Роль нуклеотидів в організмі

Нуклеотиди в клітці виконують ряд найважливіших функцій:

• використовуються як структурні блоки для нуклеїнових кислот (нуклеотиди пуринового і піримідинового рядів);
  
  • беруть участь у багатьох обмінних процесах у клітці
  
  ; • входять до складу АТФ — головного джерела енергії в клітинах
  
  ; • виступають у ролі переносників відновлювальних еквівалентів у клітинах (НАД +, НАДФ +, ФАД,
  
  ФМН); • виконують функцію бірегуляторів
  
  ;

Нуклеотид — це мономерна одиниця, що утворює більш складні сполуки — нуклеїнові кислоти, без яких неможлива передача генетичної інформації, її зберігання і відтворення. Вільні нуклеотиди є головними компонентами, що беруть участь у сигнальних і енергетичних процесах, що підтримують нормальну життєдіяльність клітин і організму в цілому.