ทุกชีวิตบนโลกใบนี้ประกอบด้วยเซลล์จำนวนมากที่รักษาความเป็นระเบียบเรียบร้อยขององค์กรอันเนื่องมาจากข้อมูลทางพันธุกรรมที่มีอยู่ในนิวเคลียส มันถูกจัดเก็บ นำไปใช้ และส่งผ่านโดยสารประกอบโมเลกุลสูงที่ซับซ้อน - กรดนิวคลีอิก ซึ่งประกอบด้วยหน่วยโมโนเมอร์ - นิวคลีโอไทด์ บทบาทของกรดนิวคลีอิกไม่สามารถประเมินค่าสูงไป ความเสถียรของโครงสร้างเป็นตัวกำหนดกิจกรรมที่สำคัญตามปกติของสิ่งมีชีวิต และการเบี่ยงเบนใด ๆ ในโครงสร้างจะนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงในองค์กรของเซลล์อย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ กิจกรรมของกระบวนการทางสรีรวิทยาและความมีชีวิตของเซลล์โดยรวม
แนวคิดของนิวคลีโอไทด์และคุณสมบัติของมัน
DNA หรือ RNA แต่ละโมเลกุลประกอบขึ้นจากสารประกอบโมโนเมอร์ที่มีขนาดเล็กกว่า - นิวคลีโอไทด์ กล่าวอีกนัยหนึ่ง นิวคลีโอไทด์เป็นวัสดุก่อสร้างสำหรับกรดนิวคลีอิก โคเอ็นไซม์ และสารประกอบทางชีววิทยาอื่น ๆ อีกมากมายที่จำเป็นสำหรับเซลล์ในช่วงชีวิต
ถึงคุณสมบัติหลักของสิ่งเหล่านี้ที่ไม่สามารถถูกแทนที่ได้สารที่สามารถระบุได้:
• การจัดเก็บข้อมูลเกี่ยวกับโครงสร้างโปรตีนและลักษณะที่สืบทอด;
• ควบคุมการเจริญเติบโตและการสืบพันธุ์;
• มีส่วนร่วมในการเผาผลาญและกระบวนการทางสรีรวิทยาอื่น ๆ อีกมากมายที่เกิดขึ้นในเซลล์
องค์ประกอบนิวคลีโอไทด์
เมื่อพูดถึงนิวคลีโอไทด์ เราไม่ควรพูดถึงประเด็นสำคัญเช่นโครงสร้างและองค์ประกอบของมัน
แต่ละนิวคลีโอไทด์ประกอบด้วย:
• กากน้ำตาล;
• เบสไนโตรเจน;
• กลุ่มฟอสเฟตหรือกรดฟอสฟอริกตกค้าง
อาจกล่าวได้ว่านิวคลีโอไทด์เป็นสารประกอบอินทรีย์เชิงซ้อน กรดนิวคลีอิกแบ่งออกเป็น:
ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับชนิดขององค์ประกอบของฐานไนโตรเจนและชนิดของเพนโทสในโครงสร้างนิวคลีโอไทด์
• กรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิกหรือ DNA;
• กรดไรโบนิวคลีอิกหรืออาร์เอ็นเอ
องค์ประกอบของกรดนิวคลีอิก
ในกรดนิวคลีอิก น้ำตาลจะถูกแทนด้วยเพนโตส นี่คือน้ำตาลคาร์บอนห้าชนิด ใน DNA เรียกว่าดีออกซีไรโบส ในอาร์เอ็นเอเรียกว่าไรโบส โมเลกุลเพนโทสแต่ละโมเลกุลมีอะตอมของคาร์บอน 5 อะตอม โดย 4 อะตอมร่วมกับอะตอมออกซิเจน ก่อตัวเป็นวงแหวนห้าส่วน และอะตอมที่ห้าเป็นส่วนหนึ่งของกลุ่ม HO-CH2
ตำแหน่งของอะตอมของคาร์บอนแต่ละอะตอมในโมเลกุลเพนโตสจะแสดงด้วยเลขอารบิกที่มีจำนวนเฉพาะ (1C´, 2C´, 3C´, 4C´, 5C´) เนื่องจากกระบวนการทั้งหมดของการอ่านข้อมูลทางพันธุกรรมจากโมเลกุลกรดนิวคลีอิกมีทิศทางที่เข้มงวด การนับอะตอมของคาร์บอนและการจัดเรียงในวงแหวนจึงเป็นตัวบ่งชี้ทิศทางที่ถูกต้อง
ตามกลุ่มไฮดรอกซิลถึงกรดฟอสฟอริกตกค้างติดอยู่กับอะตอมของคาร์บอนที่สามและห้า (3С´ และ 5С´) เป็นตัวกำหนดความสัมพันธ์ทางเคมีของ DNA และ RNA กับกลุ่มกรด
ฐานไนโตรเจนติดอยู่กับอะตอมของคาร์บอนแรก (1С´) ในโมเลกุลน้ำตาล
องค์ประกอบสายพันธุ์ของเบสไนโตรเจน
DNA นิวคลีโอไทด์โดยฐานไนโตรเจนมีสี่ประเภท:
• adenine (A);
• guanine (G);
• cytosine (C);
• thymine (T).
สองตัวแรกเป็นพิวรีน สองตัวสุดท้ายเป็นไพริมิดีน ด้วยน้ำหนักโมเลกุล พิวรีนจะหนักกว่าไพริมิดีนเสมอ
RNA นิวคลีโอไทด์โดยฐานไนโตรเจนแสดงโดย:
• อะดีนีน (A);
• กัวนีน (G);
• ไซโตซีน (C);
• uracil (U).
Uracil ก็เหมือนไทมีน เป็นเบสไพริมิดีน
ในวรรณคดีทางวิทยาศาสตร์ เรามักจะพบการกำหนดฐานไนโตรเจนแบบอื่นได้ - เป็นอักษรละติน (A, T, C, G, U)
มาดูรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับโครงสร้างทางเคมีของพิวรีนและพิริมิดีนกัน
Pyrimidines คือ cytosine, thymine และ uracil เป็นตัวแทนของอะตอมไนโตรเจน 2 อะตอมและคาร์บอน 4 อะตอม ก่อตัวเป็นวงแหวนหกส่วน แต่ละอะตอมมีเลขตั้งแต่ 1 ถึง 6
พิวรีน (อะดีนีนและกัวนีน) ประกอบด้วยไพริมิดีนและอิมิดาโซลหรือเฮเทอโรไซเคิลสองอัน โมเลกุลฐาน purine แสดงโดยอะตอมไนโตรเจนสี่อะตอมและอะตอมของคาร์บอนห้าอะตอม แต่ละอะตอมมีเลขตั้งแต่ 1 ถึง 9
เป็นผลจากความเชื่อมโยงของไนโตรเจนเบสและเพนโทสเรซิดิวก่อตัวเป็นนิวคลีโอไซด์ นิวคลีโอไทด์คือการรวมกันของนิวคลีโอไซด์และหมู่ฟอสเฟต
การก่อตัวของพันธะฟอสโฟไดสเตอร์
สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจคำถามว่านิวคลีโอไทด์เชื่อมต่อกันอย่างไรในสายโพลีเปปไทด์และสร้างโมเลกุลกรดนิวคลีอิก สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากสิ่งที่เรียกว่าพันธะฟอสโฟไดสเตอร์
ปฏิสัมพันธ์ของสองนิวคลีโอไทด์ทำให้เกิดไดนิวคลีโอไทด์ การก่อตัวของสารประกอบใหม่เกิดขึ้นจากการควบแน่น เมื่อพันธะฟอสโฟไดสเตอร์เกิดขึ้นระหว่างฟอสเฟตเรซิดิวของโมโนเมอร์ตัวหนึ่งกับกลุ่มไฮดรอกซีของเพนโตสของอีกตัวหนึ่ง
การสังเคราะห์พอลินิวคลีโอไทด์เป็นการทำซ้ำของปฏิกิริยานี้ (หลายล้านครั้ง) สายโซ่โพลีนิวคลีโอไทด์ถูกสร้างขึ้นจากการก่อตัวของพันธะฟอสโฟไดสเตอร์ระหว่างน้ำตาลคาร์บอนที่สามและห้า (3С´ และ 5С´)
การประกอบโพลีนิวคลีโอไทด์เป็นกระบวนการที่ซับซ้อนซึ่งเกิดขึ้นจากการมีส่วนร่วมของเอ็นไซม์ DNA polymerase ซึ่งรับประกันการเติบโตของห่วงโซ่จากปลายด้านหนึ่งเท่านั้น (3´) ด้วยกลุ่มไฮดรอกซีอิสระ
โครงสร้างของโมเลกุลดีเอ็นเอ
โมเลกุล DNA เช่นเดียวกับโปรตีน สามารถมีโครงสร้างหลัก ทุติยภูมิ และตติยภูมิได้
ลำดับของนิวคลีโอไทด์ในสาย DNA เป็นตัวกำหนดโครงสร้างหลักของมัน โครงสร้างทุติยภูมิเกิดขึ้นจากพันธะไฮโดรเจนซึ่งมีพื้นฐานอยู่บนหลักการของการเติมเต็ม กล่าวอีกนัยหนึ่ง ในระหว่างการสังเคราะห์เกลียวคู่ของดีเอ็นเอ รูปแบบบางอย่างทำงาน: อะดีนีนของสายโซ่หนึ่งสอดคล้องกับไทมีนของอีกสายหนึ่ง กวานีนกับไซโตซีน และในทางกลับกัน คู่ของ adenine และ thymine หรือ guanine และ cytosineเกิดขึ้นจากพันธะไฮโดรเจนสองอันในพันธะแรกและสามในกรณีสุดท้าย การเชื่อมต่อของนิวคลีโอไทด์ดังกล่าวทำให้เกิดพันธะที่แข็งแกร่งระหว่างโซ่และระยะห่างที่เท่ากันระหว่างพวกมัน
เมื่อทราบลำดับนิวคลีโอไทด์ของสาย DNA เส้นหนึ่ง คุณจะสร้างลำดับที่สองให้สมบูรณ์ได้โดยอาศัยหลักการเสริมหรือเติม
โครงสร้างระดับตติยภูมิของ DNA นั้นเกิดจากพันธะสามมิติที่ซับซ้อน ซึ่งทำให้โมเลกุลมีขนาดเล็กลงและสามารถบรรจุในปริมาตรเซลล์ขนาดเล็กได้ ตัวอย่างเช่น ความยาวของ E. coli DNA มากกว่า 1 มม. ในขณะที่ความยาวของเซลล์น้อยกว่า 5 ไมครอน
จำนวนนิวคลีโอไทด์ใน DNA กล่าวคือ อัตราส่วนเชิงปริมาณ เป็นไปตามกฎของเชอร์กาฟฟ์ (จำนวนของเบสพิวรีนจะเท่ากับจำนวนของเบสไพริมิดีนเสมอ) ระยะห่างระหว่างนิวคลีโอไทด์เป็นค่าคงที่เท่ากับ 0.34 นาโนเมตร เช่นเดียวกับน้ำหนักโมเลกุลของพวกมัน
โครงสร้างของโมเลกุลอาร์เอ็นเอ
RNA แสดงโดยสายโซ่โพลีนิวคลีโอไทด์เดี่ยวที่เกิดขึ้นจากพันธะโควาเลนต์ระหว่างเพนโทส (ในกรณีนี้คือ ไรโบส) และกากฟอสเฟต มันสั้นกว่าความยาว DNA มาก นอกจากนี้ยังมีความแตกต่างในองค์ประกอบของสปีชีส์ของฐานไนโตรเจนในนิวคลีโอไทด์ ใน RNA จะใช้ยูราซิลแทนเบสไพริมิดีนของไทมีน ขึ้นอยู่กับหน้าที่ที่ทำในร่างกาย RNA สามารถมีได้สามประเภท
• ไรโบโซม (rRNA) - มักจะมีนิวคลีโอไทด์ตั้งแต่ 3000 ถึง 5000 เนื่องจากองค์ประกอบโครงสร้างที่จำเป็น มันจึงมีส่วนร่วมในการก่อตัวของศูนย์กลางการทำงานของไรโบโซม ซึ่งเป็นที่ตั้งของกระบวนการที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งในเซลล์- การสังเคราะห์โปรตีน
• Transport (tRNA) - ประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์เฉลี่ย 75 - 95 ตัว ถ่ายโอนกรดอะมิโนที่ต้องการไปยังตำแหน่งของการสังเคราะห์พอลิเปปไทด์ในไรโบโซม tRNA แต่ละประเภท (อย่างน้อย 40) มีลำดับเฉพาะของโมโนเมอร์หรือนิวคลีโอไทด์
• ให้ข้อมูล (mRNA) - องค์ประกอบนิวคลีโอไทด์มีความหลากหลายมาก ถ่ายโอนข้อมูลทางพันธุกรรมจาก DNA ไปยังไรโบโซม ทำหน้าที่เป็นเมทริกซ์สำหรับการสังเคราะห์โมเลกุลโปรตีน
บทบาทของนิวคลีโอไทด์ในร่างกาย
นิวคลีโอไทด์ในเซลล์ทำหน้าที่สำคัญหลายประการ:
• ถูกใช้เป็นส่วนประกอบสำหรับกรดนิวคลีอิก (นิวคลีโอไทด์ของซีรีย์ purine และ pyrimidine);
• เกี่ยวข้องกับกระบวนการเผาผลาญหลายอย่างในเซลล์
• เป็นส่วนหนึ่งของ ATP - แหล่งพลังงานหลักในเซลล์
• ทำหน้าที่เป็นพาหะของการลดสิ่งที่เทียบเท่าในเซลล์ (NAD+, NADP+, FAD, FMN);
• ทำหน้าที่ควบคุมทางชีวภาพ
• ถือได้ว่าเป็นผู้ส่งสารที่สอง การสังเคราะห์ปกตินอกเซลล์ (เช่น cAMP หรือ cGMP)
นิวคลีโอไทด์เป็นหน่วยโมโนเมอร์ที่สร้างสารประกอบที่ซับซ้อนมากขึ้น - กรดนิวคลีอิก หากไม่มีการถ่ายโอนข้อมูลทางพันธุกรรม การจัดเก็บและการสืบพันธุ์ของมันจะเป็นไปไม่ได้ นิวคลีโอไทด์อิสระเป็นองค์ประกอบหลักที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการส่งสัญญาณและพลังงานที่สนับสนุนการทำงานปกติของเซลล์และร่างกายโดยรวม
