Tất cả sự sống trên hành tinh bao gồm nhiều tế bào duy trì trật tự tổ chức của chúng do thông tin di truyền có trong nhân. Nó được lưu trữ, thực hiện và truyền đi bởi các hợp chất cao phân tử phức tạp - axit nucleic, bao gồm các đơn vị đơn phân - nucleotide. Không thể đánh giá quá cao vai trò của axit nucleic. Sự ổn định của cấu trúc quyết định hoạt động sống bình thường của sinh vật và bất kỳ sai lệch nào trong cấu trúc chắc chắn sẽ dẫn đến sự thay đổi trong tổ chức tế bào, hoạt động của các quá trình sinh lý và khả năng tồn tại của toàn bộ tế bào.
Khái niệm về nucleotide và các đặc tính của nó
Mỗi phân tử DNA hoặc RNA được lắp ráp từ các hợp chất đơn phân nhỏ hơn - nucleotide. Nói cách khác, nucleotide là nguyên liệu xây dựng nên axit nucleic, coenzyme và nhiều hợp chất sinh học khác cần thiết cho tế bào trong quá trình sống của nó.
Đối với các thuộc tính chính của những không thể thay thế nàycác chất có thể được quy về:
• lưu trữ thông tin về cấu trúc protein và các đặc điểm di truyền;
• kiểm soát sự tăng trưởng và sinh sản;
• tham gia vào quá trình trao đổi chất và nhiều quá trình sinh lý khác xảy ra trong tế bào.
Thành phần nucleotide
Nói đến nucleotide, người ta không thể không chú trọng đến một vấn đề quan trọng như cấu trúc và thành phần của chúng.
Mỗi nucleotide bao gồm:
• cặn đường;
• gốc nitơ;
• nhóm phốt phát hoặc dư lượng axit photphoric.
Có thể nói nucleotide là một hợp chất hữu cơ phức tạp. Tùy thuộc vào thành phần loài của bazơ nitơ và loại pentoza trong cấu trúc nucleotit, axit nucleic được chia thành:
• axit deoxyribonucleic hoặc DNA;
• axit ribonucleic hoặc RNA.
Thành phần của axit nucleic
Trong axit nucleic, đường được biểu thị bằng đường pentose. Đây là một loại đường năm carbon, trong DNA nó được gọi là deoxyribose, trong RNA nó được gọi là ribose. Mỗi phân tử pentose có năm nguyên tử cacbon, bốn nguyên tử trong số đó cùng với một nguyên tử oxy tạo thành một vòng năm nhớ và phần thứ năm là một phần của nhóm HO-CH2.
Vị trí của mỗi nguyên tử cacbon trong phân tử pentose được biểu thị bằng chữ số Ả Rập kèm theo một số nguyên tố (1C´, 2C´, 3C´, 4C´, 5C´). Vì tất cả các quá trình đọc thông tin di truyền từ một phân tử axit nucleic đều có một hướng chặt chẽ, nên việc đánh số các nguyên tử cacbon và sự sắp xếp của chúng trong vòng đóng vai trò như một loại chỉ thị về hướng đi đúng.
Theo nhóm hydroxyl đểdư lượng axit photphoric được gắn vào nguyên tử cacbon thứ ba và thứ năm (3С´ và 5С´). Nó xác định mối liên kết hóa học của DNA và RNA với nhóm axit.
Một bazơ nitơ được gắn với nguyên tử cacbon đầu tiên (1С´) trong phân tử đường.
Thành phần loài của bazơ nitơ
nucleotide DNA bằng base nitơ được biểu thị bằng 4 loại:
• adenine (A);
• guanine (G);
• cytosine (C);
• thymine (T).
Hai chất đầu tiên là purin, hai chất cuối cùng là pyrimidine. Theo trọng lượng phân tử, purin luôn nặng hơn pyrimidine.
Các nucleotide
RNA bằng base nitơ được biểu thị bằng:
• adenine (A);
• guanine (G);
• cytosine (C);
• uracil (U).
Uracil, giống như thymine, là một cơ sở pyrimidine.
Trong các tài liệu khoa học, người ta thường có thể tìm thấy một tên gọi khác của bazơ nitơ - bằng các chữ cái Latinh (A, T, C, G, U).
Hãy đi sâu chi tiết hơn về cấu trúc hóa học của purin và pyrimidine.
Pyrimidines, cụ thể là cytosine, thymine và uracil, được đại diện bởi hai nguyên tử nitơ và bốn nguyên tử carbon, tạo thành một vòng sáu ghi nhớ. Mỗi nguyên tử có số riêng từ 1 đến 6.
Purines (adenine và guanine) bao gồm pyrimidine và imidazole hoặc hai dị vòng. Phân tử cơ sở purine được đại diện bởi bốn nguyên tử nitơ và năm nguyên tử cacbon. Mỗi nguyên tử được đánh số từ 1 đến 9.
Là kết quả của sự kết nối các chất nitơmột bazơ và một phần dư pentose tạo thành một nucleoside. Một nucleotide là sự kết hợp của một nucleoside và một nhóm phosphate.
Hình thành liên kết phosphodiester
Điều quan trọng là phải hiểu câu hỏi làm thế nào các nucleotide được kết nối trong chuỗi polypeptide và tạo thành phân tử axit nucleic. Điều này xảy ra do cái gọi là liên kết phosphodiester.
Sự tương tác của hai nucleotide tạo ra một dinucleotide. Sự hình thành một hợp chất mới xảy ra bằng cách ngưng tụ, khi liên kết photphodiester xảy ra giữa dư lượng photphat của một monome và nhóm hydroxy của pentoza của một monome khác.
Tổng hợp polynucleotide là phản ứng này lặp đi lặp lại nhiều lần (vài triệu lần). Chuỗi polynucleotide được xây dựng thông qua sự hình thành các liên kết phosphodiester giữa nguyên tử cacbon thứ ba và thứ năm của đường (3С´ và 5С´).
Lắp ráp polynucleotide là một quá trình phức tạp xảy ra với sự tham gia của enzyme DNA polymerase, đảm bảo sự phát triển của chuỗi chỉ từ một đầu (3´) với một nhóm hydroxy tự do.
Cấu trúc của phân tử DNA
Một phân tử DNA, giống như một protein, có thể có cấu trúc sơ cấp, thứ cấp và bậc ba.
Trình tự của các nucleotide trong chuỗi DNA xác định cấu trúc chính của nó. Cấu trúc thứ cấp được hình thành bởi các liên kết hydro, dựa trên nguyên tắc bổ sung. Nói cách khác, trong quá trình tổng hợp chuỗi xoắn kép DNA, một mô hình nhất định sẽ hoạt động: adenin của một chuỗi tương ứng với thymine của chuỗi kia, guanin với cytosine và ngược lại. Các cặp adenin và thymine hoặc guanin và cytosineđược hình thành do hai trong trường hợp đầu tiên và ba trong trường hợp cuối cùng liên kết hydro. Sự kết nối như vậy của các nucleotide cung cấp liên kết bền vững giữa các chuỗi và khoảng cách giữa chúng bằng nhau.
Biết được trình tự nucleotide của một sợi DNA, bạn có thể hoàn thành chuỗi thứ hai theo nguyên tắc bổ sung hoặc bổ sung.
Cấu trúc bậc ba của DNA được hình thành bởi các liên kết ba chiều phức tạp, giúp phân tử của nó nhỏ gọn hơn và có thể vừa với một thể tích tế bào nhỏ. Vì vậy, ví dụ, chiều dài của DNA E. coli là hơn 1 mm, trong khi chiều dài của tế bào nhỏ hơn 5 micron.
Số lượng nucleotide trong DNA, cụ thể là tỷ lệ số lượng của chúng, tuân theo quy tắc Chergaff (số lượng cơ sở purine luôn bằng số lượng cơ sở pyrimidine). Khoảng cách giữa các nucleotide là một giá trị không đổi bằng 0,34 nm, cũng như trọng lượng phân tử của chúng.
Cấu trúc của phân tử RNA
RNA được đại diện bởi một chuỗi polynucleotide đơn được hình thành thông qua các liên kết cộng hóa trị giữa một đường pentose (trong trường hợp này là ribose) và một gốc photphat. Nó ngắn hơn nhiều so với chiều dài của DNA. Cũng có sự khác biệt trong thành phần loài của bazơ nitơ trong nucleotide. Trong RNA, uracil được sử dụng thay vì gốc pyrimidine của thymine. Tùy thuộc vào các chức năng được thực hiện trong cơ thể, RNA có thể có ba loại.
• Ribosome (rRNA) - thường chứa từ 3000 đến 5000 nucleotide. Là một thành phần cấu trúc cần thiết, nó tham gia vào việc hình thành trung tâm hoạt động của ribosome, nơi diễn ra một trong những quá trình quan trọng nhất trong tế bào- sinh tổng hợp protein.
• Vận chuyển (tRNA) - bao gồm trung bình 75 - 95 nucleotide, chuyển axit amin mong muốn đến vị trí tổng hợp polypeptide trong ribosome. Mỗi loại tRNA (ít nhất 40) có trình tự đơn phân hoặc nucleotide độc nhất của riêng nó.
• Thông tin (mRNA) - rất đa dạng về thành phần nucleotide. Truyền thông tin di truyền từ DNA đến ribosome, hoạt động như một chất nền để tổng hợp một phân tử protein.
Vai trò của nucleotide trong cơ thể
Nucleotide trong tế bào thực hiện một số chức năng quan trọng:
• được sử dụng làm khối xây dựng các axit nucleic (nucleotide của chuỗi purine và pyrimidine);
• tham gia vào nhiều quá trình trao đổi chất trong tế bào;
• là một phần của ATP - nguồn năng lượng chính trong tế bào;
• hoạt động như chất mang khử các chất tương đương trong tế bào (NAD +, NADP +, FAD, FMN);
• thực hiện chức năng của chất điều hòa sinh học;
• có thể được coi là sứ giả thứ hai tổng hợp thường xuyên ngoại bào (ví dụ, cAMP hoặc cGMP).
Nucleotide là một đơn vị monome tạo thành các hợp chất phức tạp hơn - axit nucleic, nếu không có nó, việc chuyển giao thông tin di truyền, lưu trữ và tái tạo là không thể. Các nucleotide tự do là thành phần chính liên quan đến quá trình truyền tín hiệu và năng lượng hỗ trợ hoạt động bình thường của tế bào và toàn bộ cơ thể.
