Gli acidi nucleici, in particolare il DNA, sono abbastanza conosciuti nella scienza. Ciò è spiegato dal fatto che sono le sostanze della cellula, da cui dipende la conservazione e la trasmissione delle sue informazioni ereditarie. Il DNA, scoperto nel 1868 da F. Miescher, è una molecola con spiccate proprietà acide. Lo scienziato lo ha isolato dai nuclei dei leucociti, le cellule del sistema immunitario. Nel corso dei successivi 50 anni, gli studi sugli acidi nucleici furono condotti sporadicamente, poiché la maggior parte dei biochimici considerava le proteine le principali sostanze organiche responsabili, tra l' altro, dei tratti ereditari.
Dalla decifrazione della struttura del DNA da parte di Watson e Crick nel 1953, sono iniziate serie ricerche, che hanno scoperto che l'acido desossiribonucleico è un polimero e che i nucleotidi fungono da monomeri del DNA. I loro tipi e la loro struttura saranno studiati da noi in questo lavoro.
Nucleotidi come unità strutturali di informazioni ereditarie
Una delle proprietà fondamentali della materia vivente è la conservazione e la trasmissione di informazioni sulla struttura e le funzioni sia della cellula che dell'intero organismoin genere. Questo ruolo è svolto dall'acido desossiribonucleico e dai monomeri del DNA: i nucleotidi sono una specie di "mattoni" da cui viene costruita la struttura unica della sostanza ereditaria. Consideriamo da quali segni è stata guidata la fauna selvatica durante la creazione di un superavvolgimento di acido nucleico.
Come si formano i nucleotidi
Per rispondere a questa domanda, abbiamo bisogno di una certa conoscenza della chimica organica. In particolare, ricordiamo che in natura esiste un gruppo di glicosidi eterociclici contenenti azoto combinati con monosaccaridi - pentosi (desossiribosio o ribosio). Sono chiamati nucleosidi. Ad esempio, l'adenosina e altri tipi di nucleosidi sono presenti nel citosol di una cellula. Entrano in una reazione di esterificazione con molecole di acido ortofosforico. I prodotti di questo processo saranno nucleotidi. Ogni monomero di DNA, e ce ne sono quattro tipi, ha un nome, come guanina, timina e nucleotidi di citosina.
Monomeri purinici del DNA
In biochimica viene adottata una classificazione che divide i monomeri del DNA e la loro struttura in due gruppi: ad esempio, i nucleotidi di adenina e guanina sono purine. Contengono derivati della purina, una sostanza organica con la formula C5H4N44. Il monomero del DNA, un nucleotide della guanina, contiene anche una base azotata purinica collegata al desossiribosio mediante un legame N-glicosidico nella configurazione beta.
Nucleotidi pirimidinici
Basi azotate,detti citidina e timidina, sono derivati della sostanza organica pirimidina. La sua formula è C4H4N2. La molecola è un eterociclo planare a sei membri contenente due atomi di azoto. È noto che invece di un nucleotide di timina, le molecole di acido ribonucleico, come rRNA, tRNA e mRNA, contengono un monomero di uracile. Durante la trascrizione, durante il trasferimento di informazioni dal gene del DNA alla molecola di mRNA, il nucleotide di timina viene sostituito da adenina e il nucleotide di adenina viene sostituito da uracile nella catena di mRNA sintetizzata. Cioè, il seguente record sarà corretto: A - U, T - A.
Regola di carica
Nella sezione precedente, abbiamo già parzialmente toccato i principi di corrispondenza tra monomeri nelle catene di DNA e nel complesso gene-mRNA. Il famoso biochimico E. Chargaff ha stabilito una proprietà completamente unica delle molecole di acido desossiribonucleico, vale a dire che il numero di nucleotidi di adenina è sempre uguale alla timina e alla guanina alla citosina. La principale base teorica dei principi di Chargaff è stata la ricerca di Watson e Crick, che hanno stabilito quali monomeri formano la molecola del DNA e quale organizzazione spaziale hanno. Un altro modello, derivato da Chargaff e chiamato principio di complementarità, indica la relazione chimica delle basi purine e pirimidiniche e la loro capacità di formare legami idrogeno quando interagiscono tra loro. Ciò significa che la disposizione dei monomeri in entrambi i filamenti di DNA è strettamente determinata: ad esempio, l'opposto A del primo filamento di DNA può esseresolo T è diverso e tra di loro sorgono due legami idrogeno. Di fronte al nucleotide della guanina, può essere localizzata solo la citosina. In questo caso si formano tre legami idrogeno tra le basi azotate.
Il ruolo dei nucleotidi nel codice genetico
Per eseguire la reazione di biosintesi proteica che si verifica nei ribosomi, esiste un meccanismo per trasferire le informazioni sulla composizione amminoacidica del peptide dalla sequenza nucleotidica dell'mRNA alla sequenza amminoacidica. Si è scoperto che tre monomeri adiacenti portano informazioni su uno dei 20 possibili amminoacidi. Questo fenomeno è chiamato codice genetico. Nella risoluzione di problemi di biologia molecolare, viene utilizzato per determinare sia la composizione amminoacidica di un peptide, sia per chiarire la domanda: quali monomeri formano una molecola di DNA, in altre parole, qual è la composizione del gene corrispondente. Ad esempio, la tripletta AAA (codone) nel gene codifica per l'amminoacido fenilalanina nella molecola proteica e nel codice genetico corrisponderà alla tripletta UUU nella catena di mRNA.
Interazione dei nucleotidi nel processo di duplicazione del DNA
Come è stato scoperto in precedenza, le unità strutturali, i monomeri del DNA sono nucleotidi. La loro sequenza specifica nelle catene è lo stampo per il processo di sintesi della molecola figlia dell'acido desossiribonucleico. Questo fenomeno si verifica nello stadio S dell'interfase cellulare. La sequenza nucleotidica di una nuova molecola di DNA viene assemblata sulle catene madri sotto l'azione dell'enzima DNA polimerasi, tenendo conto del principiocomplementarità (A - T, D - C). La replica si riferisce alle reazioni di sintesi della matrice. Ciò significa che i monomeri del DNA e la loro struttura nelle catene madri servono come base, cioè la matrice per la sua copia figlio.
La struttura di un nucleotide può cambiare
A proposito, diciamo che l'acido desossiribonucleico è una struttura molto conservativa del nucleo cellulare. C'è una spiegazione logica per questo: le informazioni ereditarie memorizzate nella cromatina del nucleo devono essere invariate e copiate senza distorsioni. Ebbene, il genoma cellulare è costantemente "sotto tiro" di fattori ambientali. Ad esempio, composti chimici aggressivi come alcol, droghe, radiazioni radioattive. Tutti loro sono cosiddetti mutageni, sotto l'influenza di qualsiasi monomero di DNA può cambiare la sua struttura chimica. Tale distorsione nella biochimica è chiamata mutazione puntiforme. La frequenza della loro presenza nel genoma cellulare è piuttosto alta. Le mutazioni sono corrette dal buon funzionamento del sistema di riparazione cellulare, che include una serie di enzimi.
Alcuni di essi, ad esempio, restritiscono, "tagliano" i nucleotidi danneggiati, le polimerasi forniscono la sintesi di monomeri normali, le ligasi "cucino" le sezioni ripristinate del gene. Se, per qualche ragione, il meccanismo sopra descritto non funziona nella cellula e il monomero del DNA difettoso rimane nella sua molecola, la mutazione viene captata dai processi di sintesi della matrice e si manifesta fenotipicamente sotto forma di proteine con proprietà alterate che non sono in grado di svolgere le funzioni necessarie ad essi inerentimetabolismo cellulare. Questo è un grave fattore negativo che riduce la vitalità della cellula e ne riduce la durata della vita.
