Планетадағы барлық тіршілік ядродағы генетикалық ақпаратқа байланысты өз ұйымының реттілігін сақтайтын көптеген жасушалардан тұрады. Ол мономерлі бірліктерден – нуклеотидтерден тұратын күрделі жоғары молекулалы қосылыстар – нуклеин қышқылдары арқылы сақталады, жүзеге асырылады және тасымалданады. Нуклеин қышқылдарының рөлін асыра бағалау мүмкін емес. Олардың құрылымының тұрақтылығы организмнің қалыпты өмірлік белсенділігін анықтайды, ал құрылымдағы кез келген ауытқу сөзсіз жасушалық ұйымның, физиологиялық процестердің белсенділігінің және тұтастай алғанда жасушалардың өміршеңдігінің өзгеруіне әкеледі.
Нуклеотид туралы түсінік және оның қасиеттері
ДНҚ немесе РНҚ-ның әрбір молекуласы кішірек мономерлі қосылыстардан – нуклеотидтерден жинақталған. Басқаша айтқанда, нуклеотид нуклеин қышқылдарының, коферменттердің және жасушаның өмір сүруіне қажетті басқа да көптеген биологиялық қосылыстар үшін құрылыс материалы болып табылады.
Бұл алмастырылмайтын негізгі қасиеттергезаттарды жатқызуға болады:
• белок құрылымы мен тұқым қуалайтын белгілер туралы ақпаратты сақтау;
• өсу мен көбеюді бақылау;
• жасушада болатын метаболизмге және басқа да көптеген физиологиялық процестерге қатысу.
Нуклеотидтік құрамы
Нуклеотидтер туралы айтатын болсақ, олардың құрылымы мен құрамы сияқты маңызды мәселеге тоқталмай кетуге болмайды.
Әр нуклеотид мыналардан тұрады:
• қант қалдығы;
• азотты негіз;
• фосфат тобы немесе фосфор қышқылының қалдығы.
Нуклеотидті күрделі органикалық қосылыс деп айтуға болады. Нуклеотидтік құрылымдағы азотты негіздердің түрлік құрамына және пентозаның түріне байланысты нуклеин қышқылдары бөлінеді:
• дезоксирибонуклеин қышқылы немесе ДНҚ;
• рибонуклеин қышқылы немесе РНҚ.
Нуклеин қышқылдарының құрамы
Нуклеин қышқылдарында қант пентоза арқылы көрсетіледі. Бұл бес көміртекті қант, ДНҚ-да дезоксирибоза, РНҚ-да рибоза деп аталады. Әрбір пентозаның молекуласында бес көміртек атомы бар, олардың төртеуі оттегі атомымен бірге бес мүшелі сақинаны құрайды, ал бесіншісі HO-CH2 тобына кіреді.
Пентозаның молекуласындағы әрбір көміртегі атомының орны араб цифрымен (1C´, 2C´, 3C´, 4C´, 5C´) көрсетілген. Нуклеин қышқылының молекуласынан тұқым қуалайтын ақпаратты оқудың барлық процестері қатаң бағытқа ие болғандықтан, көміртегі атомдарының нөмірленуі және олардың сақинадағы орналасуы дұрыс бағыттың өзіндік көрсеткіші ретінде қызмет етеді.
Гидроксил тобына сәйкесүшінші және бесінші көміртегі атомдарына (3С´ және 5С´) фосфор қышқылының қалдығы қосылады. Ол ДНҚ мен РНҚ-ның қышқылдар тобына химиялық қатыстылығын анықтайды.
Азотты негіз қант молекуласындағы бірінші көміртегі атомына (1С´) қосылған.
Азотты негіздердің түр құрамы
Азотты негіз бойынша ДНҚ нуклеотидтері төрт типпен берілген:
• аденин (A);
• гуанин (G);
• цитозин (C);
• тимин (Т).
Алғашқы екеуі пуриндер, соңғы екеуі пиримидиндер. Молекулалық салмағы бойынша пуриндер әрқашан пиримидиндерден ауыр.
Азотты негіз бойынша РНҚ нуклеотидтері мыналармен берілген:
• аденин (A);
• гуанин (G);
• цитозин (C);
• урацил (U).
Урацил, тимин сияқты, пиримидин негізі.
Ғылыми әдебиеттерде азотты негіздердің басқа таңбасын жиі кездестіруге болады – латын әріптерімен (A, T, C, G, U).
Пуриндер мен пиримидиндердің химиялық құрылымына толығырақ тоқталайық.
Пиримидиндер, атап айтқанда цитозин, тимин және урацил, екі азот атомымен және төрт көміртек атомымен ұсынылған, алты мүшелі сақина құрайды. Әрбір атомның 1-ден 6-ға дейінгі өз саны бар.
Пуриндер (аденин және гуанин) пиримидин мен имидазолдан немесе екі гетероциклден тұрады. Пурин негізінің молекуласы төрт азот атомымен және бес көміртегі атомымен ұсынылған. Әрбір атом 1-ден 9-ға дейін нөмірленген.
Азотты байланыстыру нәтижесінденегіз бен пентозаның қалдығы нуклеозид түзеді. Нуклеотид - нуклеозид пен фосфат тобының қосындысы.
Фосфодиэфирлік байланыстардың түзілуі
Нуклеотидтер полипептидтік тізбекте қалай қосылып, нуклеин қышқылының молекуласын түзеді деген сұрақты түсіну маңызды. Бұл фосфодиэфирлік байланыстарға байланысты болады.
Екі нуклеотидтің әрекеттесуі динуклеотид береді. Жаңа қосылыстың түзілуі конденсация арқылы жүреді, бір мономердің фосфат қалдығы мен екіншісінің пентозаның гидрокси тобы арасында фосфодиэфирлік байланыс пайда болады.
Полинуклеотид синтезі бұл реакцияның қайталануы (бірнеше миллион рет). Полинуклеотидтер тізбегі қанттардың үшінші және бесінші көміртектері (3С´ және 5С´) арасындағы фосфодиэфирлік байланыстардың түзілуі арқылы құрылады.
Полинуклеотидті құрастыру – бұл бос гидрокси тобы бар тізбектің тек бір шетінен (3´) өсуін қамтамасыз ететін ДНҚ-полимераза ферментінің қатысуымен жүретін күрделі процесс.
ДНҚ молекуласының құрылымы
ДНҚ молекуласы, ақуыз сияқты, біріншілік, екіншілік және үшіншілік құрылымға ие болуы мүмкін.
ДНҚ тізбегіндегі нуклеотидтер тізбегі оның бастапқы құрылымын анықтайды. Қосалқы құрылым сутектік байланыстар арқылы түзіледі, олар комплементарлылық принципіне негізделген. Басқаша айтқанда, ДНҚ қос спиралының синтезі кезінде белгілі бір заңдылық әрекет етеді: бір тізбектің аденині екіншісінің тиминіне, гуанин цитозинге және керісінше. Аденин мен тимин немесе гуанин және цитозин жұптарыбіріншіде екеуі және соңғы жағдайда үшеуі сутектік байланыстардың арқасында түзіледі. Нуклеотидтердің мұндай байланысы тізбектер арасындағы берік байланыс пен олардың арасындағы бірдей қашықтықты қамтамасыз етеді.
Бір ДНҚ тізбегінің нуклеотидтер тізбегін біле отырып, екіншісін комплементарлық немесе қосу принципі бойынша аяқтауға болады.
ДНҚ-ның үшінші реттік құрылымы күрделі үш өлшемді байланыстардан тұрады, бұл оның молекуласын ықшам және шағын жасуша көлеміне сыйдырады. Мәселен, мысалы, E. coli ДНҚ ұзындығы 1 мм-ден асады, ал жасушаның ұзындығы 5 микроннан аз.
ДНҚ-дағы нуклеотидтер саны, атап айтқанда олардың сандық қатынасы Чергафф ережесіне бағынады (пуриндік негіздердің саны әрқашан пиримидиндік негіздердің санына тең). Нуклеотидтер арасындағы қашықтық олардың молекулалық салмағы сияқты 0,34 нм-ге тең тұрақты мән болып табылады.
РНҚ молекуласының құрылымы
РНҚ пентоза (бұл жағдайда рибоза) мен фосфат қалдығы арасындағы коваленттік байланыстар арқылы түзілетін жалғыз полинуклеотидтік тізбекпен ұсынылған. Ұзындығы бойынша ол ДНҚ-дан әлдеқайда қысқа. Нуклеотидтегі азотты негіздердің түрлік құрамында да айырмашылықтар бар. РНҚ-да тиминнің пиримидиндік негізінің орнына урацил қолданылады. Организмде атқаратын қызметтеріне қарай РНҚ үш түрлі болуы мүмкін.
• Рибосомалық (рРНҚ) – әдетте 3000-нан 5000-ға дейін нуклеотидтерден тұрады. Қажетті құрылымдық компонент ретінде ол жасушадағы маңызды процестердің бірі орналасқан рибосомалардың белсенді орталығын құруға қатысады.- ақуыз биосинтезі.
• Тасымалдау (тРНҚ) - орташа 75 - 95 нуклеотидтерден тұрады, қажетті амин қышқылын рибосомадағы полипептид синтезі өтетін жерге тасымалдайды. тРНҚ-ның әрбір түрінің (кемінде 40) мономерлердің немесе нуклеотидтердің өзіндік бірегей тізбегі бар.
• Ақпараттық (мРНҚ) – нуклеотидтердің құрамы өте әртүрлі. Генетикалық ақпаратты ДНҚ-дан рибосомаларға тасымалдайды, ақуыз молекуласының синтезі үшін матрица қызметін атқарады.
Нуклеотидтердің ағзадағы рөлі
Жасушадағы нуклеотидтер бірқатар маңызды функцияларды орындайды:
• нуклеин қышқылдары (пурин және пиримидин қатарының нуклеотидтері) үшін құрылыс материалы ретінде пайдаланылады;
• жасушадағы көптеген метаболикалық процестерге қатысады;
• ATP бөлігі - жасушалардағы энергияның негізгі көзі;
• жасушалардағы қалпына келтіру эквиваленттерінің тасымалдаушысы ретінде әрекет етеді (NAD+, NADP+, FAD, FMN);
• биорегуляторлар қызметін атқарады;
• жасушадан тыс тұрақты синтездің екінші хабаршылары ретінде қарастыруға болады (мысалы, cAMP немесе cGMP).
Нуклеотид – анағұрлым күрделі қосылыстар – нуклеин қышқылдарын түзетін мономерлік бірлік, онсыз генетикалық ақпаратты беру, оны сақтау және көбейту мүмкін емес. Бос нуклеотидтер – жасушалардың және тұтастай алғанда организмнің қалыпты жұмыс істеуін қамтамасыз ететін сигналдық және энергетикалық процестерге қатысатын негізгі компоненттер.
