חומצות גרעין, במיוחד DNA, ידועות למדי במדע. זה מוסבר בעובדה שהם החומרים של התא, שבהם תלוי האחסון והשידור של המידע התורשתי שלו. DNA, שהתגלה עוד ב-1868 על ידי פ. מישר, הוא מולקולה בעלת תכונות חומציות בולטות. המדען בודד אותו מגרעיני הלויקוציטים - תאים של מערכת החיסון. במהלך 50 השנים הבאות, מחקרים על חומצות גרעין בוצעו באופן ספורדי, מכיוון שרוב הביוכימאים ראו בחלבונים את החומרים האורגניים העיקריים האחראים, בין היתר, לתכונות תורשתיות.
מאז פענוח מבנה ה-DNA על ידי ווטסון וקריק ב-1953, החל מחקר רציני, שגילה שחומצה דאוקסיריבונוקלאית היא פולימר, והנוקלאוטידים משמשים כמונומרים של DNA. סוגיהם ומבנהם נלמד על ידינו בעבודה זו.
נוקלאוטידים כיחידות מבניות של מידע תורשתי
אחד המאפיינים הבסיסיים של חומר חי הוא שימור והעברת מידע על המבנה והתפקודים של התא ושל האורגניזם כולובדרך כלל. תפקיד זה ממלאת חומצה דאוקסיריבונוקלאית, ומונומרים של DNA - נוקלאוטידים הם מעין "לבנים" שמהם בנוי המבנה הייחודי של חומר התורשה. בוא נחשוב על אילו סימנים הונחו חיות הבר בעת יצירת סליל-על של חומצת גרעין.
איך נוצרים נוקלאוטידים
כדי לענות על שאלה זו, אנו זקוקים לידע מסוים בכימיה אורגנית. בפרט, נזכיר כי בטבע ישנה קבוצה של גליקוזידים הטרוציקליים המכילים חנקן בשילוב עם חד סוכרים - פנטוזים (דאוקסיריבוז או ריבוז). הם נקראים נוקלאוזידים. לדוגמה, אדנוזין וסוגים אחרים של נוקלאוזידים נמצאים בציטוזול של תא. הם נכנסים לתגובת אסטריפיקציה עם מולקולות חומצה אורתופוספורית. התוצרים של תהליך זה יהיו נוקלאוטידים. לכל מונומר DNA, וישנם ארבעה סוגים, יש שם, כגון נוקלאוטידים גואנין, תימין וציטוזין.
מונומרים פורין של DNA
בביוכימיה, מאמצים סיווג המחלק את מונומרי ה-DNA ואת המבנה שלהם לשתי קבוצות: למשל, נוקלאוטידים אדנין וגוואנין הם פורין. הם מכילים נגזרות של פורין, חומר אורגני עם הנוסחה C5H4N44. מונומר ה-DNA, נוקלאוטיד גואנין, מכיל גם בסיס חנקני פורין המחובר לדאוקסיריבוז על ידי קשר N-glycosidic בתצורת ביתא.
נוקלאוטידים פירמידין
בסיסים חנקן,הנקראות ציטידין ותימידין, הן נגזרות של החומר האורגני פירמידין. הנוסחה שלו היא C4H4N2. המולקולה היא הטרומחזור מישורי בן שישה איברים המכיל שני אטומי חנקן. ידוע שבמקום נוקלאוטיד תימין, מולקולות חומצה ריבו-נוקלאית, כגון rRNA, tRNA ו-mRNA, מכילות מונומר אורציל. במהלך השעתוק, במהלך העברת המידע מגן ה-DNA למולקולת ה-mRNA, נוקלאוטיד התימין מוחלף באדנין, ונוקלאוטיד האדנין מוחלף באורציל בשרשרת ה-mRNA המסונתזת. כלומר, הרשומה הבאה תהיה הוגנת: A - U, T - A.
Chargaff rule
בסעיף הקודם, כבר נגענו חלקית בעקרונות ההתאמה בין מונומרים בשרשרות ה-DNA ובתסביך הגן-mRNA. הביוכימאי המפורסם E. Chargaff קבע תכונה ייחודית לחלוטין של מולקולות חומצה דאוקסיריבונוקלאית, כלומר, שמספר נוקלאוטידים אדנין בה תמיד שווה לטימין, וגואנין - לציטוזין. הבסיס התיאורטי העיקרי לעקרונותיו של Chargaff היה המחקר של ווטסון וקריק, שקבעו אילו מונומרים יוצרים את מולקולת ה-DNA ואיזה ארגון מרחבי יש להם. דפוס נוסף, שנגזר על ידי Chargaff ונקרא עקרון ההשלמה, מצביע על הקשר הכימי של בסיסי פורין ופירמידין ועל יכולתם ליצור קשרי מימן בעת אינטראקציה זה עם זה. משמעות הדבר היא שסידור המונומרים בשני גדילי ה-DNA נקבע בקפדנות: למשל, מול A של גדיל ה-DNA הראשון יכול להיותרק T שונה ושני קשרי מימן נוצרים ביניהם. מול נוקלאוטיד הגואנין ניתן לאתר רק ציטוזין. במקרה זה נוצרים שלושה קשרי מימן בין הבסיסים החנקניים.
תפקידם של נוקלאוטידים בקוד הגנטי
כדי לבצע את התגובה של ביוסינתזה של חלבון המתרחשת בריבוזומים, קיים מנגנון להעברת מידע על הרכב חומצות האמינו של הפפטיד מרצף הנוקלאוטידים mRNA לרצף חומצות האמינו. התברר ששלושה מונומרים סמוכים נושאים מידע על אחת מ-20 חומצות האמינו האפשריות. תופעה זו נקראת הקוד הגנטי. בפתרון בעיות בביולוגיה מולקולרית משתמשים בו כדי לקבוע גם את הרכב חומצות האמינו של פפטיד וגם כדי להבהיר את השאלה: אילו מונומרים יוצרים מולקולת DNA, במילים אחרות, מהו הרכב הגן המקביל. לדוגמה, שלישיית AAA (קודון) בגן מקודדת את חומצת האמינו פנילאלנין במולקולת החלבון, ובקוד הגנטי היא תתאים לטריפלט UUU בשרשרת ה-mRNA.
אינטראקציה של נוקלאוטידים בתהליך של שכפול DNA
כפי שהתגלה קודם לכן, יחידות מבניות, מונומרים של DNA הם נוקלאוטידים. הרצף הספציפי שלהם בשרשראות הוא התבנית לתהליך הסינתזה של מולקולת הבת של חומצה דאוקסיריבונוקלאית. תופעה זו מתרחשת בשלב ה-S של האינטרפאז של התא. רצף הנוקלאוטידים של מולקולת DNA חדשה מורכב על שרשראות האב תחת פעולת האנזים DNA פולימראז, תוך התחשבות בעקרוןהשלמה (A - T, D - C). שכפול מתייחס לתגובות של סינתזת מטריצה. המשמעות היא שמונומרים של ה-DNA והמבנה שלהם בשרשרות האב משמשים כבסיס, כלומר המטריצה להעתקת הילד שלו.
האם המבנה של נוקלאוטיד יכול להשתנות
אגב, נניח שחומצה דאוקסיריבונוקלאית היא מבנה שמרני מאוד של גרעין התא. יש לכך הסבר הגיוני: המידע התורשתי המאוחסן בכרומטין של הגרעין חייב להיות ללא שינוי ולהעתיק ללא עיוות. ובכן, הגנום הסלולרי נמצא כל הזמן "תחת האקדח" של גורמים סביבתיים. לדוגמה, תרכובות כימיות אגרסיביות כמו אלכוהול, סמים, קרינה רדיואקטיבית. כולם הם מה שנקרא מוטגנים, שבהשפעתם כל מונומר DNA יכול לשנות את המבנה הכימי שלו. עיוות כזה בביוכימיה נקרא מוטציה נקודתית. תדירות התרחשותם בגנום התא גבוהה למדי. מוטציות מתוקנות על ידי העבודה המתפקדת היטב של מערכת התיקון הסלולרית, הכוללת קבוצה של אנזימים.
חלקם, למשל, מגבילים, "חותכים" נוקלאוטידים פגומים, פולימרים מספקים סינתזה של מונומרים נורמליים, ליגזות "תופרות" את החלקים המשוחזרים של הגן. אם, מסיבה כלשהי, המנגנון המתואר לעיל אינו פועל בתא ומונומר ה-DNA הפגום נשאר במולקולה שלו, המוטציה נקלטת בתהליכי סינתזת המטריצה ומתבטאת באופן פנוטיפי בצורת חלבונים בעלי תכונות פגומות. אינם מסוגלים לבצע את הפונקציות הנחוצות הגלומות בהם בחילוף חומרים תאי. זהו גורם שלילי רציני שמפחית את כדאיות התא ומקצר את תוחלת חייו.
