กรดนิวคลีอิก โดยเฉพาะ DNA เป็นที่รู้จักกันดีในทางวิทยาศาสตร์ สิ่งนี้อธิบายได้ด้วยความจริงที่ว่าพวกมันเป็นสารของเซลล์ซึ่งการจัดเก็บและการส่งข้อมูลทางพันธุกรรมขึ้นอยู่กับ DNA ที่ค้นพบในปี 1868 โดย F. Miescher เป็นโมเลกุลที่มีคุณสมบัติเป็นกรดเด่นชัด นักวิทยาศาสตร์แยกมันออกจากนิวเคลียสของเม็ดเลือดขาว - เซลล์ของระบบภูมิคุ้มกัน ในอีก 50 ปีข้างหน้า มีการศึกษากรดนิวคลีอิกเป็นระยะๆ เนื่องจากนักชีวเคมีส่วนใหญ่ถือว่าโปรตีนเป็นสารอินทรีย์หลักที่มีหน้าที่ในการถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรม
ตั้งแต่การถอดรหัสโครงสร้างของ DNA โดยวัตสันและคริกในปี 1953 การวิจัยอย่างจริงจังเริ่มต้นขึ้น ซึ่งพบว่ากรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิกเป็นพอลิเมอร์ และนิวคลีโอไทด์ทำหน้าที่เป็นโมโนเมอร์ของดีเอ็นเอ เราจะศึกษาประเภทและโครงสร้างของพวกมันในงานนี้
นิวคลีโอไทด์เป็นหน่วยโครงสร้างของข้อมูลทางพันธุกรรม
คุณสมบัติพื้นฐานของสิ่งมีชีวิตอย่างหนึ่งคือการเก็บรักษาและการส่งผ่านข้อมูลเกี่ยวกับโครงสร้างและหน้าที่ของทั้งเซลล์และสิ่งมีชีวิตทั้งหมดโดยทั่วไป. บทบาทนี้เล่นโดยกรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิกและโมโนเมอร์ของดีเอ็นเอ - นิวคลีโอไทด์เป็น "อิฐ" ชนิดหนึ่งซึ่งมีการสร้างโครงสร้างเฉพาะของสารพันธุกรรม มาลองพิจารณาสัญญาณที่สัตว์ป่าได้รับคำแนะนำเมื่อสร้าง supercoil กรดนิวคลีอิก
เกิดนิวคลีโอไทด์อย่างไร
เพื่อตอบคำถามนี้ เราต้องการความรู้เกี่ยวกับเคมีอินทรีย์ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เราจำได้ว่าในธรรมชาติมีกลุ่มของเฮเทอโรไซคลิกไกลโคไซด์ที่ประกอบด้วยไนโตรเจนรวมกับโมโนแซ็กคาไรด์ - เพนโทส (ดีออกซีไรโบสหรือไรโบส) พวกมันถูกเรียกว่านิวคลีโอไซด์ ตัวอย่างเช่น อะดีโนซีนและนิวคลีโอไซด์ประเภทอื่นๆ มีอยู่ในไซโตซอลของเซลล์ พวกเขาเข้าสู่ปฏิกิริยาเอสเทอริฟิเคชันกับโมเลกุลของกรดออร์โธฟอสฟอริก ผลิตภัณฑ์ของกระบวนการนี้จะเป็นนิวคลีโอไทด์ โมโนเมอร์ของ DNA แต่ละตัวและมีสี่ประเภทมีชื่อ เช่น guanine, thymine และ cytosine nucleotides
พิวรีนโมโนเมอร์ของ DNA
ในทางชีวเคมี มีการจำแนกประเภทที่แบ่งโมโนเมอร์ของ DNA และโครงสร้างของพวกมันออกเป็นสองกลุ่ม: ตัวอย่างเช่น อะดีนีนและนิวคลีโอไทด์ของกัวนีนเป็นพิวรีน ประกอบด้วยอนุพันธ์ของ purine ซึ่งเป็นสารอินทรีย์ที่มีสูตร C5H4N44. โมโนเมอร์ของ DNA ซึ่งเป็น guanine nucleotide ยังมีเบส purine ไนโตรเจนที่เชื่อมต่อกับ deoxyribose โดยพันธะ N-glycosidic ในรูปแบบเบต้า
ไพริมิดีนนิวคลีโอไทด์
ฐานไนโตรเจนเรียกว่า cytidine และ thymidine เป็นอนุพันธ์ของสารอินทรีย์ pyrimidine สูตรคือ C4H4N2 โมเลกุลนี้เป็นเฮเทอโรไซเคิลระนาบหกส่วนที่มีอะตอมไนโตรเจนสองอะตอม เป็นที่ทราบกันว่าแทนที่จะเป็นไทมีนนิวคลีโอไทด์ โมเลกุลของกรดไรโบนิวคลีอิก เช่น rRNA, tRNA และ mRNA มีโมโนเมอร์ยูราซิล ในระหว่างการถอดรหัส ระหว่างการถ่ายโอนข้อมูลจากยีน DNA ไปยังโมเลกุล mRNA นิวคลีโอไทด์ของไทมีนจะถูกแทนที่ด้วยอะดีนีน และอะดีนีนนิวคลีโอไทด์จะถูกแทนที่ด้วยยูราซิลในสายโซ่ mRNA ที่สังเคราะห์ขึ้น นั่นคือบันทึกต่อไปนี้จะยุติธรรม: A - U, T - A
กฎชาร์กัฟ
ในส่วนก่อนหน้านี้ เราได้กล่าวถึงหลักการของการติดต่อระหว่างโมโนเมอร์ในสาย DNA และในยีน-mRNA ที่ซับซ้อนแล้วบางส่วน นักชีวเคมีชื่อดัง E. Chargaff ได้สร้างคุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์อย่างสมบูรณ์ของโมเลกุลกรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิก กล่าวคือ จำนวนของอะดีนีนนิวคลีโอไทด์ในนั้นจะเท่ากับไทมีนและกวานีนต่อไซโตซีนเสมอ พื้นฐานทางทฤษฎีหลักของหลักการของ Chargaff คือการวิจัยของวัตสันและคริก ผู้ก่อตั้งโมโนเมอร์ตัวใดที่ก่อตัวเป็นโมเลกุลดีเอ็นเอและการจัดวางเชิงพื้นที่ที่พวกมันมี อีกรูปแบบหนึ่งที่ Chargaff ได้มาและเรียกว่าหลักการของการเติมเต็ม บ่งบอกถึงความสัมพันธ์ทางเคมีของเบส purine และ pyrimidine และความสามารถในการสร้างพันธะไฮโดรเจนเมื่อมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน ซึ่งหมายความว่าการจัดเรียงของโมโนเมอร์ในสาย DNA ทั้งสองนั้นถูกกำหนดอย่างเข้มงวด: ตัวอย่างเช่น ตรงข้าม A ของสาย DNA สายแรกสามารถมีเพียง T เท่านั้นที่แตกต่างกันและมีพันธะไฮโดรเจนสองพันธะเกิดขึ้นระหว่างกัน ตรงข้ามกับนิวคลีโอไทด์ของกัวนีน มีเพียงไซโตซีนเท่านั้นที่สามารถระบุตำแหน่งได้ ในกรณีนี้ พันธะไฮโดรเจนสามพันธะระหว่างเบสไนโตรเจน
บทบาทของนิวคลีโอไทด์ในรหัสพันธุกรรม
เพื่อดำเนินการปฏิกิริยาของการสังเคราะห์โปรตีนที่เกิดขึ้นในไรโบโซม มีกลไกในการถ่ายโอนข้อมูลเกี่ยวกับองค์ประกอบกรดอะมิโนของเปปไทด์จากลำดับ mRNA นิวคลีโอไทด์ไปยังลำดับกรดอะมิโน ปรากฎว่าโมโนเมอร์ที่อยู่ติดกันสามตัวนำข้อมูลเกี่ยวกับกรดอะมิโนที่เป็นไปได้หนึ่งใน 20 ตัว ปรากฏการณ์นี้เรียกว่ารหัสพันธุกรรม ในการแก้ปัญหาทางอณูชีววิทยา มันถูกใช้เพื่อกำหนดทั้งองค์ประกอบของกรดอะมิโนของเปปไทด์และเพื่อชี้แจงคำถาม: โมโนเมอร์ใดก่อตัวเป็นโมเลกุล DNA กล่าวอีกนัยหนึ่งคือองค์ประกอบของยีนที่สอดคล้องกันคืออะไร ตัวอย่างเช่น ทริปเปิ้ล AAA (โคดอน) ในยีนเข้ารหัสฟีนิลอะลานีนของกรดอะมิโนในโมเลกุลโปรตีน และในรหัสพันธุกรรม โคดอนจะสอดคล้องกับแฝดสามของ UUU ในสายโซ่ mRNA
ปฏิกิริยาของนิวคลีโอไทด์ในกระบวนการทำซ้ำดีเอ็นเอ
ตามที่พบก่อนหน้านี้ หน่วยโครงสร้าง โมโนเมอร์ดีเอ็นเอคือนิวคลีโอไทด์ ลำดับเฉพาะของพวกมันในสายโซ่คือเทมเพลตสำหรับกระบวนการสังเคราะห์โมเลกุลลูกสาวของกรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิก ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นในระยะ S ของเฟสระหว่างเซลล์ ลำดับนิวคลีโอไทด์ของโมเลกุล DNA ใหม่ถูกประกอบบนสายโซ่หลักภายใต้การกระทำของเอนไซม์ DNA polymerase โดยคำนึงถึงหลักการการเติมเต็ม (A - T, D - C) การจำลองแบบหมายถึงปฏิกิริยาของการสังเคราะห์เมทริกซ์ ซึ่งหมายความว่าโมโนเมอร์ DNA และโครงสร้างของพวกมันในสายพาเรนต์ทำหน้าที่เป็นพื้นฐาน นั่นคือเมทริกซ์สำหรับสำเนาย่อย
โครงสร้างของนิวคลีโอไทด์เปลี่ยนแปลงได้ไหม
อย่างไรก็ตาม สมมติว่ากรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิกเป็นโครงสร้างที่อนุรักษ์นิยมมากของนิวเคลียสของเซลล์ มีคำอธิบายที่สมเหตุสมผลสำหรับสิ่งนี้: ข้อมูลทางพันธุกรรมที่เก็บไว้ในโครมาตินของนิวเคลียสจะต้องไม่เปลี่ยนแปลงและคัดลอกโดยไม่ผิดเพี้ยน จีโนมของเซลล์นั้น "อยู่ภายใต้ปืน" ของปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมอยู่ตลอดเวลา ตัวอย่างเช่น สารเคมีที่มีฤทธิ์รุนแรง เช่น แอลกอฮอล์ ยา กัมมันตภาพรังสี สิ่งเหล่านี้เรียกว่าสารก่อกลายพันธุ์ภายใต้อิทธิพลของโมโนเมอร์ DNA ใด ๆ ที่สามารถเปลี่ยนโครงสร้างทางเคมีของมันได้ การบิดเบือนทางชีวเคมีดังกล่าวเรียกว่าการกลายพันธุ์แบบจุด ความถี่ของการเกิดขึ้นในจีโนมของเซลล์นั้นค่อนข้างสูง การกลายพันธุ์ได้รับการแก้ไขโดยการทำงานที่ดีของระบบซ่อมแซมเซลล์ ซึ่งรวมถึงชุดของเอนไซม์
บางพวก เช่น การจำกัด "ตัด" นิวคลีโอไทด์ที่เสียหาย โพลีเมอเรสให้การสังเคราะห์โมโนเมอร์ปกติ ลิกาเซส "เย็บ" ส่วนที่ได้รับการฟื้นฟูของยีน หากด้วยเหตุผลบางอย่างกลไกที่อธิบายข้างต้นไม่ทำงานในเซลล์และโมโนเมอร์ DNA ที่มีข้อบกพร่องยังคงอยู่ในโมเลกุลของมัน การกลายพันธุ์จะถูกหยิบขึ้นมาโดยกระบวนการสังเคราะห์เมทริกซ์และแสดงออกมาทางฟีโนไทป์ในลักษณะของโปรตีนที่มีคุณสมบัติบกพร่องที่ ไม่สามารถปฏิบัติหน้าที่ที่จำเป็นที่มีอยู่ในตัวได้เมแทบอลิซึมของเซลล์ นี่เป็นปัจจัยลบร้ายแรงที่ลดความสามารถในการมีชีวิตของเซลล์และทำให้อายุขัยสั้นลง