Нуклеїнові кислоти та нуклеотиди

Молекули нуклеїнових кислот є великими органічними молекулами — біополімерами, мономерами яких є нуклеотиди. Кожний нуклеотид складається з трьох компонентів — нітрогеновмісної основи, моносахариду (рибози або дезоксирибози) і залишку ортофосфатної кислоти (мал. 8.1). У нуклеїнових кислотах трапляються п’ять різних нітрогеновмісних основ (мал. 8.2). Залежно від того, яка нітрогеновмісна основа входить до складу нуклеотиду, розрізняють п’ять видів нуклеотидів: тимідиловий (основа — тимін), цитиділовий (основа — цитозин), уридиловий (основа — урацил), аденіловий (основа — аденін), гуаніловий (основа — гуанін).

У клітинах живих організмів окремі нуклеотиди як окремі речовини також активно використовуються в різних процесах обміну речовин.

Мал. 8.1. Розгорнута структурна формула молекули нуклеотиду

Мал. 8.2. Нітрогеновмісні основи нуклеотидів

Мал. 8.3. Схема дволанцюгової молекули ДНК

Під час утворення молекул нуклеїнової кислоти між залишком ортофосфатної кислоти одного нуклеотиду й моносахаридом іншого утворюється міцний ковалентний зв’язок. Тому нуклеїнові кислоти, що утворюються таким чином, мають вигляд ланцюга, в якому нуклеотиди розташовані послідовно один за одним. їх кількість в одній молекулі біополімера може досягати кількох мільйонів.

ДНK і РНК

У живих організмах існує два типи нуклеїнових кислот — РНК (рибонуклеїнова кислота) і ДНК (дезоксирибонуклеїнова кислота). Вони відрізняються між собою за складом і особливостями будови.

До складу нуклеотидів ДНК входить моносахарид дезоксирибоза і чотири нітрогеновмісні основи — аденін, тимін, цитозин і гуанін. А самі молекули ДНК зазвичай складаються з двох ланцюжків нуклеотидів, які з’єднані між собою водневими зв’язками (мал. 8.3).

У нуклеотидах РНК замість дезоксирибози міститься моносахарид рибоза, а замість тиміну — урацил. Молекула РНК зазвичай складається з одного ланцюжка нуклеотидів, різні фрагменти якого утворюють між собою водневі зв’язки.

Між гуаніном і цитозином утворюються три такі зв’язки, а між аденіном і тиміном або аденіном і урацилом — два.

Нуклеїнові кислоти як носії спадкової інформації

Головною функцією нуклеїнових кислот є робота зі спадковою інформацією. Вони її зберігають і відтворюють. Збереженню й відтворенню інформації сприяє будова ДНК.

Молекула ДНК складається з двох ланцюгів нуклеотидів, які з’єднуються за принципом комплементарності (доповнення). Навпроти кожного нуклеотиду одного ланцюга розміщується той нуклеотид, який йому відповідає. Навпроти аденілового — тимідиловий, а навпроти цитиділового — гуаніловий (мал. 8.4). Тому в молекулах ДНК кількість аденілових нуклеотидів завжди дорівнює кількості тимідилових нуклеотидів, а кількість гуанілових — кількості цитиділових.

РНК теж може зберігати спадкову інформацію. Але вона робить це не так надійно, як ДНК, тому такий спосіб зберігання використовує тільки частина вірусів.

Мал. 8.4. Комплементарність нуклеотидів

АТФ та її роль у життєдіяльності клітин

У життєдіяльності клітини активну участь беруть не тільки РНК і ДНК, але й окремі нуклеотиди. Особливо важливими для життєдіяльності клітин є сполуки нуклеотидів із залишками ортофосфатної кислоти. Таких залишків до нуклеотиду може приєднуватися від одного до трьох. Відповідно й називають їх за кількістю цих залишків. Наприклад: АТФ — аденозинтриортофосфат (аденозинтриортофосфатна кислота), ГТФ — гуаназинтриортофосфат, АДФ — аденозиндіортофосфат, АМФ — аденозинмоноортофосфат. Усі нуклеотиди, які входять до складу нуклеїнових кислот, є моноортофосфатами. Три- і діортофосфати також відіграють важливу роль у біохімічних процесах клітин.

Найбільш поширеним у клітинах живих організмів є АТФ. Він бере участь у процесах росту, руху й розмноження клітин. Велика кількість молекул АТФ утворюється в процесах клітинного дихання та фотосинтезу. Ця молекула відіграє роль універсального джерела енергії для біохімічних реакцій.

Перетворення енергії та реакції синтезу в біологічних системах

Визначна роль АТФ в обміні речовин полягає в тому, що вона забезпечує енергією переважну більшість процесів, які відбуваються в клітинах. У першу чергу, це процеси синтезу органічних речовин. Вони здійснюються за допомогою ферментів.

Для того щоб ферменти могли провести біохімічну реакцію, їм у більшості випадків потрібна енергія.

Молекули АТФ під час взаємодії з ферментами розпадаються на дві молекули — ортофосфатної кислоти і АДФ. При цьому виділяється енергія:

Цю енергію й використовують ферменти для роботи. А чому саме АТФ? Тому що зв’язок залишків ортофосфатної кислоти в цій молекулі є не звичайним, а макроергічним (багатим на енергію) (мал. 8.5). Для утворення цього зв’язку потрібно багато енергії, але під час його руйнування енергія виділяється у великій кількості.

Коли молекули вуглеводів, білків, ліпідів у клітинах розщеплюються, то відбувається виділення енергії. Цю енергію клітина запасає. Для цього до нуклеотидів моноортофосфатів (наприклад, АМФ) приєднується один або два залишки ортофосфатної кислоти й утворюється молекула ди- або триортофосфатів (відповідно, АДФ або АТФ).

Мал. 8.5. Макроергічні зв'язки в молекулі АТФ

Утворені зв’язки є макроергічними. Таким чином, АДФ містить один макроергічний зв’язок, а АТФ — два. Під час синтезу нових органічних сполук макроергічні зв’язки руйнуються й забезпечують відповідні процеси енергією.

Всі клітинні форми життя на нашій планеті мають у своїх клітинах і РНК, і ДНК. А от вірусам притаманний тільки один тип нуклеїнової кислоти. У їхніх віріонах під білковою оболонкою міститься або РНК, або ДНК. Лише коли вірус потрапляє в клітину-хазяїна, він зазвичай починає синтезувати і ДНК, і РНК.