Нуклеотиды — структура и роль¶
Нуклеотид — органическое соединение, основная структурная единица нуклеиновых кислот (ДНК и РНК). Молекула нуклеотида состоит из трёх компонентов: азотистого основания, пентозы (пятиатомного сахара) и остатка фосфорной кислоты (фосфатной группы). Соединение азотистого основания с пентозой без фосфатной группы называется нуклеозидом; присоединение фосфата превращает нуклеозид в нуклеотид.
¶Строение нуклеотида
¶Азотистые основания
Азотистые основания делятся на две группы:
- Пуриновые — двухъячеечные гетероциклические соединения: аденин (A) и гуанин (G). Входят в состав и ДНК, и РНК.
- Пиримидиновые — одиночные гетероциклические кольца: цитозин (C), тимин (T) и урацил (U). Цитозин и тимин присутствуют в ДНК, цитозин и урацил — в РНК.
¶Пентоза
В ДНК в качестве сахара выступает дезоксирибоза (отсюда название «дезоксирибонуклеиновая кислота»), в РНК — рибоза. Дезоксирибоза отличается от рибозы отсутствием гидроксильной группы (-OH) у второго углеродного атома.
¶Фосфатная группа
Фосфатная группа связывает нуклеозид с остальной цепью нуклеиновой кислоты. Она образует фосфодиэфирную связь между 3'-углеродом одной пентозы и 5'-углеродом следующей, формируя каркас («сахарно-фосфатный скелет») полинуклеотидной цепи.
¶Классификация
По составу сахара нуклеотиды подразделяются на:
| Тип | Сахар | Основания | Входят в |
|---|---|---|---|
| Рибонуклеотиды | Рибоза | A, G, C, U | РНК |
| Дезоксирибонуклеотиды | Дезоксирибоза | A, G, C, T | ДНК |
По числу фосфатных групп различают моно-, ди- и трифосфаты. Примеры: аденозинмонофосфат (АМФ), аденозиндифосфат (АДФ), аденозинтрифосфат (АТФ). Последний является основным переносчиком энергии в клетке.
¶Биологическая роль
¶Носители генетической информации
Последовательность нуклеотидов в цепи ДНК кодирует генетическую информацию. Комплементарное спаривание оснований (A–T, G–C в ДНК; A–U, G–C в РНК) обеспечивает точную репликацию и транскрипцию.
¶Энергетический обмен
АТФ (аденозинтрифосфат) при гидролизе одной фосфатной связи выделяет около 30,5 кДж/моль энергии, которая используется для синтеза белков, сокращения мышц, активного транспорта веществ через мембраны.
¶Вторичные посредники
Циклический АМФ (цАМФ) и циклический ГМФ (цГМФ) выполняют роль внутриклеточных посредников в сигнальных путях, передавая сигнал от гормонов к эффекторным системам.
¶Коферменты
Многие коферменты содержат нуклеотидные фрагменты: НАД⁺, ФАД, коэнзим А, а также коферменты витаминов группы B. Это объясняет их происхождение от «нуклеотидного мира» — гипотезы ранних форм жизни.
¶История открытия
Термин «нуклеотид» ввёл немецкий биохимик Фридрих Микер в 1889 году. Он же выделил первый нуклеотид — нуклеиновую кислоту из дрожжей. Ранее, в 1869 году, швейцарский врач Фридрих Мизер обнаружил в ядрах лейкоцитов вещество, названное нуклеином (позже — нуклеиновой кислотой).
Структура ДНК как двухцепочечной спирали, открытая Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком в 1953 году с использованием рентгеноструктурных данных Розалинды Франклин и Мориса Уилкинса, показала принцип комплементарного базирования нуклеотидов.
¶Синтез в клетке
Нуклеотиды синтезируются двумя путями:
- Де ново — сборка из простых предшественников: аминокислот, CO₂, аминогрупп и фосфата. Пуриновые основания собираются на рибозофосфате, пиримидиновые — сначала формируются свободно, затем присоединяют сахар.
- Спасательный (салваге) путь — использование готовых оснований, поступающих с пищей или при распаде нуклеиновых кислот. Этот путь экономичнее и является основным для большинства клеток.
¶Применение
Нуклеотиды и их аналоги используются в медицине как противовирусные и противоопухолевые препараты (ацикловир, зидовудин, флударабин). В диагностике применяются методы, основанные на гибридизации нуклеотидных последовательностей. С 2020-х годов нуклеотидные последовательности используются в мРНК-вакцинах.
Источники:
- Альбертс Б. и др. «Молекулярная биология клетки»
- Лёвингер Д.М. «Биохимия» (учебник)
- Википедия: «Нуклеотид», «Нуклеиновые кислоты»
- Нельсон Д., Кокс М. «Биохимия Ленингера»