כל החיים על פני כדור הארץ מורכבים מתאים רבים השומרים על סדר הארגון שלהם בשל המידע הגנטי הכלול בגרעין. הוא מאוחסן, מיושם ומועבר על ידי תרכובות מורכבות מולקולריות גבוהות - חומצות גרעין, המורכבות מיחידות מונומר - נוקלאוטידים. לא ניתן להפריז בתפקיד חומצות הגרעין. יציבות המבנה שלהם קובעת את הפעילות החיונית התקינה של האורגניזם, וכל סטייה במבנה תוביל בהכרח לשינוי בארגון התא, לפעילות התהליכים הפיזיולוגיים ולכדאיות התאים בכללותם.
המושג של נוקלאוטיד ותכונותיו
כל מולקולה של DNA או RNA מורכבת מתרכובות מונומריות קטנות יותר - נוקלאוטידים. במילים אחרות, נוקלאוטיד הוא חומר בנייה לחומצות גרעין, קו-אנזימים ותרכובות ביולוגיות רבות אחרות החיוניות לתא במהלך חייו.
למאפיינים העיקריים של אלה שאין להם תחליףניתן לייחס חומרים:
• אחסון מידע על מבנה חלבון ותכונות תורשתיות;
• שליטה על גדילה ורבייה;
• השתתפות בחילוף החומרים ובתהליכים פיזיולוגיים רבים אחרים המתרחשים בתא.
הרכב נוקלאוטיד
אם כבר מדברים על נוקלאוטידים, אי אפשר שלא להתעכב על נושא כה חשוב כמו המבנה וההרכב שלהם.
כל נוקלאוטיד מורכב מ:
• שאריות סוכר;
• בסיס חנקני;
• קבוצת פוספט או שאריות חומצה זרחתית.
ניתן לומר שנוקלאוטיד הוא תרכובת אורגנית מורכבת. בהתאם להרכב המינים של בסיסים חנקניים וסוג הפנטוז במבנה הנוקלאוטיד, חומצות הגרעין מחולקות ל:
• חומצה deoxyribonucleic, או DNA;
• ribonucleic acid, או RNA.
הרכב חומצות גרעין
בחומצות גרעין, סוכר מיוצג על ידי פנטוז. זהו סוכר בן חמישה פחמנים, ב-DNA זה נקרא דאוקסיריבוז, ב-RNA זה נקרא ריבוז. לכל מולקולת פנטוז יש חמישה אטומי פחמן, ארבעה מהם, יחד עם אטום חמצן, יוצרים טבעת בעלת חמישה איברים, והחמישי הוא חלק מקבוצת HO-CH2.
המיקום של כל אטום פחמן במולקולת פנטוז מסומן באמצעות ספרה ערבית עם ראשוני (1C´, 2C´, 3C´, 4C´, 5C´). מכיוון שלכל התהליכים של קריאת מידע תורשתי ממולקולת חומצת גרעין יש כיוון קפדני, מספור אטומי הפחמן וסידורם בטבעת משמשים מעין אינדיקטור לכיוון הנכון.
לפי קבוצת ההידרוקסיל לשארית חומצה זרחתית מחוברת לאטומי הפחמן השלישי והחמישי (3С´ ו-5С´). הוא קובע את השיוך הכימי של DNA ו-RNA לקבוצת החומצות.
בסיס חנקני מחובר לאטום הפחמן הראשון (1С´) במולקולת סוכר.
הרכב המינים של בסיסים חנקניים
נוקלאוטידים של DNA לפי בסיס חנקני מיוצגים על ידי ארבעה סוגים:
• אדנין (A);
• גואנין (G);
• ציטוזין (C);
• תימין (T).
שני הראשונים הם פורינים, השניים האחרונים הם פירמידינים. לפי משקל מולקולרי, פורינים תמיד כבדים יותר מפירמידינים.
נוקלאוטידים של RNA על ידי בסיס חנקני מיוצגים על ידי:
• אדנין (A);
• גואנין (G);
• ציטוזין (C);
• uracil (U).
Uracil, כמו תימין, הוא בסיס פירמידין.
בספרות המדעית, אפשר למצוא לעתים קרובות כינוי אחר של בסיסים חנקניים - באותיות לטיניות (A, T, C, G, U).
בוא נתעכב ביתר פירוט על המבנה הכימי של פורינים ופירמידינים.
פירמידינים, כלומר ציטוזין, תימין ואורציל, מיוצגים על ידי שני אטומי חנקן וארבעה אטומי פחמן, היוצרים טבעת בעלת שישה איברים. לכל אטום יש מספר משלו מ-1 עד 6.
פורינים (אדנין וגואנין) מורכבים מפירמידין ואימידאזול או שני הטרוציקלים. מולקולת בסיס הפורין מיוצגת על ידי ארבעה אטומי חנקן וחמישה אטומי פחמן. כל אטום ממוספר מ-1 עד 9.
כתוצאה מחיבור של חנקןבסיס ושריד פנטוז יוצרים נוקלאוזיד. נוקלאוטיד הוא שילוב של נוקלאוזיד וקבוצת פוספט.
יצירת קשרי פוספודיסטר
חשוב להבין את השאלה כיצד נוקלאוטידים מחוברים בשרשרת פוליפפטידית ויוצרים מולקולת חומצת גרעין. זה קורה בגלל הקשרים המכונים פוספודיסטר.
האינטראקציה של שני נוקלאוטידים נותנת דינוקלאוטיד. היווצרות תרכובת חדשה מתרחשת על ידי עיבוי, כאשר נוצר קשר פוספודיסטר בין שיירי הפוספט של מונומר אחד לקבוצת ההידרוקסי של הפנטוז של אחר.
סינתזה של פולינוקלאוטיד היא חזרה חוזרת על תגובה זו (כמה מיליוני פעמים). שרשרת הפולינוקלאוטידים נבנית באמצעות יצירת קשרים פוספודיסטרים בין הפחמן השלישי והחמישי של הסוכרים (3С´ ו-5С´).
הרכבת פולינוקלאוטידים היא תהליך מורכב המתרחש בהשתתפות האנזים DNA פולימראז, המבטיח את צמיחת השרשרת רק מקצה אחד (3´) עם קבוצת הידרוקסי חופשית.
מבנה מולקולת ה-DNA
מולקולת DNA, כמו חלבון, יכולה להיות בעלת מבנה ראשוני, משני ושלישוני.
רצף הנוקלאוטידים בשרשרת DNA קובע את המבנה העיקרי שלה. המבנה המשני נוצר מקשרי מימן, המבוססים על עקרון ההשלמה. במילים אחרות, במהלך הסינתזה של הסליל הכפול של ה-DNA, פועלת דפוס מסוים: אדנין של שרשרת אחת מתאים לטימין של השני, גואנין לציטוזין, ולהיפך. זוגות של אדנין ותימין או גואנין וציטוזיןנוצרים עקב שני קשרי מימן בראשון ושלושה במקרה האחרון. חיבור כזה של נוקלאוטידים מספק קשר חזק בין השרשראות ומרחק שווה ביניהן.
כדי לדעת את רצף הנוקלאוטידים של גדיל DNA אחד, אתה יכול להשלים את השני לפי עקרון ההשלמה או ההוספה.
המבנה השלישוני של ה-DNA נוצר על ידי קשרים תלת מימדיים מורכבים, מה שהופך את המולקולה שלו לדחוסה יותר ומסוגלת להתאים לנפח תא קטן. כך, למשל, אורך ה-DNA E. coli הוא יותר מ-1 מ מ, בעוד שאורך התא הוא פחות מ-5 מיקרון.
מספר הנוקלאוטידים ב-DNA, כלומר היחס הכמותי שלהם, מציית לכלל צ'רגף (מספר בסיסי הפורין תמיד שווה למספר הבסיסים של הפירימידין). המרחק בין נוקלאוטידים הוא ערך קבוע השווה ל-0.34 ננומטר, וכך גם משקלם המולקולרי.
מבנה מולקולת ה-RNA
RNA מיוצג על ידי שרשרת פולינוקלאוטידים אחת שנוצרת באמצעות קשרים קוולנטיים בין פנטוז (במקרה זה, ריבוז) ושארית פוספט. אורכו קצר בהרבה מ-DNA. ישנם גם הבדלים בהרכב המינים של בסיסים חנקניים בנוקלאוטיד. ב-RNA משתמשים באורציל במקום בבסיס הפירימידין של תימין. בהתאם לתפקודים המבוצעים בגוף, RNA יכול להיות משלושה סוגים.
• Ribosomal (rRNA) - מכיל בדרך כלל בין 3000 ל-5000 נוקלאוטידים. כמרכיב מבני הכרחי, הוא לוקח חלק ביצירת המרכז הפעיל של הריבוזומים, המקום של אחד התהליכים החשובים ביותר בתא- biosynthesis של חלבון.
• Transport (tRNA) - מורכב מ-75 - 95 נוקלאוטידים בממוצע, מעביר את חומצת האמינו הרצויה לאתר סינתזת הפוליפפטיד בריבוזום. לכל סוג של tRNA (לפחות 40) יש רצף ייחודי משלו של מונומרים או נוקלאוטידים.
• מידע (mRNA) - מגוון מאוד בהרכב הנוקלאוטידים. מעביר מידע גנטי מ-DNA לריבוזומים, פועל כמטריקס לסינתזה של מולקולת חלבון.
תפקיד הנוקלאוטידים בגוף
נוקלאוטידים בתא מבצעים מספר פונקציות חשובות:
• משמשים כאבני בניין לחומצות גרעין (נוקלאוטידים מסדרת הפורין והפירמידינים);
• מעורבים בתהליכים מטבוליים רבים בתא;
• הם חלק מ-ATP - מקור האנרגיה העיקרי בתאים;
• פועלים כנשאים של מקבילות מצמצמות בתאים (NAD+, NADP+, FAD, FMN);
• מבצעים את הפונקציה של ביולוגי-רגולטורים;
• יכול להיחשב כסינתזה רגילה חוץ-תאית של שליחים שניים (לדוגמה, cAMP או cGMP).
נוקלאוטיד הוא יחידה מונומרית שיוצרת תרכובות מורכבות יותר - חומצות גרעין, שבלעדיהן העברת מידע גנטי, אחסונו ורבייתו בלתי אפשרית. נוקלאוטידים חופשיים הם המרכיבים העיקריים המעורבים בתהליכי איתות ואנרגיה התומכים בתפקוד תקין של תאים ושל הגוף בכללותו.
