Дезоксирибонуклеиновая кислота, или ДНК, может быть самой известной единственной молекулой во всей биологии. Обнаружение его структуры с двойной спиралью в 1953 году катапультировало Джеймса Уотсона и Фрэнсиса Крика на Нобелевскую премию, и даже среди ненаучных ботаников ДНК широко известна тем, что она играет главную роль в бесчисленных чертах, которые передаются от родителей к потомству. В последние несколько десятилетий ДНК также стала заметной благодаря своей роли в криминалистике; «Доказательства ДНК», фраза, которая не могла существовать по крайней мере до 1980-х годов, теперь стала почти обязательным высказыванием в криминальных и полицейско-процессуальных телевизионных шоу и кинофильмах.

Однако за такими обыденными мелочами лежит элегантная и впечатляюще хорошо изученная структура, которая существует практически в каждой клетке каждого живого существа. ДНК - это вещество генов меньшего масштаба и хромосом, которые представляют собой совокупность множества генов в большем масштабе; вместе все хромосомы в организме (у человека 23 пары, включая 22 пары «правильных» хромосом и пару половых хромосом) известны как геном организма.

Если вы когда-либо посещали урок биологии или смотрели образовательную программу по основам генетики, даже если вы не помните этого, вы, вероятно, помните что-то вроде этого:

... ACCCGTACGCGGATTAG ...

Буквы A, C, G и T можно считать схематическими краеугольными камнями молекулярной биологии. Они являются аббревиатурами для названий четырех так называемых азотистых оснований, найденных во всей ДНК, где A обозначает аденин, C обозначает цитозин, G обозначает гуанин и T обозначает тимин. (Для простоты эти сокращения обычно будут использоваться в оставшейся части этой статьи.) Именно конкретные комбинации этих основ в группах из трех так называемых триплетных кодонов, в конечном итоге, служат в качестве инструкций для того, какие белки вырабатывают клетки вашего организма. Эти белки, каждый из которых является продуктом определенного гена, определяют все, от того, какую пищу вы можете и не можете легко переваривать, до цвета ваших глаз, вашего конечного роста взрослого человека, можете ли вы «катить» свой язык или нет, и многие другие. другие черты.

Перед тщательной обработкой каждого из этих изумительных основ приведен трактат об основах самой ДНК.

Нуклеиновые Кислоты: Обзор

ДНК является одной из двух нуклеиновых кислот, встречающихся в природе, другой является РНК или рибонуклеиновая кислота. Нуклеиновые кислоты представляют собой полимеры или длинные цепи нуклеотидов. Нуклеотиды включают три элемента: пентозу (пятиатомное кольцо), сахар, фосфатную группу и азотистое основание.

ДНК и РНК различаются тремя основными способами. Во-первых, сахар в ДНК - это дезоксирибоза, а в РНК - рибоза; Разница между ними состоит в том, что дезоксирибоза содержит на один атом кислорода меньше центрального кольца. Кроме того, ДНК почти всегда двухцепочечная, а РНК одноцепочечная. Наконец, в то время как ДНК содержит вышеупомянутые четыре азотистых основания (A, C, G и T), РНК содержит A, C, G и урацил (U) вместо T. Это различие важно для остановки ферментов, которые действуют на РНК из оказывает активность на ДНК и наоборот.

Собрав все это вместе, один нуклеотид ДНК, следовательно, содержит одну дезоксирибозную группу, одну фосфатную группу и азотистое основание, взятые из числа A, C, G или T.

Некоторые молекулы, подобные нуклеотидам, некоторые из которых служат промежуточными звенами в процессе синтеза нуклеотидов, также важны в биохимии. Нуклеозид, например, представляет собой азотистое основание, связанное с рибозным сахаром; другими словами, это нуклеотид, у которого отсутствует фосфатная группа. Альтернативно, некоторые нуклеотиды имеют более одной фосфатной группы. АТФ или аденозинтрифосфат представляет собой аденин, связанный с рибозным сахаром и тремя фосфатами; эта молекула необходима в клеточных энергетических процессах.

В «стандартном» нуклеотиде ДНК дезоксирибоза и фосфатная группа образуют «главную цепь» двухцепочечной молекулы, причем фосфаты и сахара повторяются вдоль внешних краев спиральной спирали. Тем временем азотистые основания занимают внутреннюю часть молекулы. Крайне важно, что эти основания связаны друг с другом водородными связями, образуя «перекладины» структуры, которая, если ее не свернуть в спираль, будет напоминать лестницу; в этой модели сахара и фосфаты образуют боковые стороны. Однако каждое азотистое основание ДНК может связываться с одним и только одним из трех других. В частности, A всегда спаривается с T, а C всегда спаривается с G.

Как уже отмечалось, дезоксирибоза является сахаром с пятью атомными кольцами. Эти четыре атома углерода и один атом кислорода расположены в структуре, которая в схематическом представлении имеет вид, похожий на пятиугольник. В нуклеотиде фосфатная группа присоединена к углероду, обозначенному номером пять, в соответствии с соглашением о химическом наименовании (5 '). углерод номер три (3 ') почти прямо напротив этого, и этот атом может связываться с фосфатной группой другого нуклеотида. Между тем азотистое основание нуклеотида присоединено к 2'-углероду в дезоксирибозном кольце.

Как вы, возможно, поняли к этому моменту, поскольку единственное различие от одного нуклеотида к следующему - это азотистое основание, в которое входит каждый, единственное различие между любыми двумя цепями ДНК - это точная последовательность его связанных нуклеотидов и, следовательно, его азотистых оснований. На самом деле, ДНК моллюсков, ДНК ослов, ДНК растений и ваша собственная ДНК состоят из абсолютно одинаковых химических веществ; они отличаются только тем, как они упорядочены, и именно этот порядок определяет белковый продукт, который в конечном итоге будет ответственен за синтез любого гена, то есть любого участка ДНК, несущего код для одной производственной работы.

Что такое азотистая основа?

A, C, G и T (и U) являются азотистыми из-за большого количества азотного элемента, который они содержат по отношению к их общей массе, и они являются основаниями, потому что они являются акцепторами протонов (атомов водорода) и имеют тенденцию нести чистый положительный результат. электрический заряд. Эти соединения не нужно употреблять в рационе человека, хотя они содержатся в некоторых продуктах питания; они могут быть синтезированы с нуля из различных метаболитов.

А и G классифицируются как пурины, а С и Т - пиримидины. Пурины включают шестичленное кольцо, конденсированное с пятичленным кольцом, и между ними эти кольца включают четыре атома азота и пять атомов углерода. Пиримидины имеют только шестичленное кольцо, в котором находятся два атома азота и четыре атома углерода. У каждого типа основания также есть другие составляющие, выступающие из кольца.

Глядя на математику, становится ясно, что пурины значительно крупнее пиримидинов. Это частично объясняет, почему пурин A связывается только с пиримидином T, и почему пурин G связывается только с пиримидином C. Если два сахарофосфатных остова в двухцепочечной ДНК должны оставаться на одинаковом расстоянии друг от друга, которое они должны если спираль должна быть стабильной, то два пурина, связанные вместе, будут чрезмерно большими, а два связанных пиримидина будут чрезмерно малыми.

В ДНК пурино-пиримидиновые связи представляют собой водородные связи. В некоторых случаях это водород, связанный с кислородом, а в других это водород, связанный с азотом. Комплекс C-G включает две связи H-N и одну связь H-O, а комплекс A-T включает одну связь H-N и одну связь H-O.

Метаболизм пуринов и пиримидинов

Упоминались аденин (формально 6-амино-пурин) и гуанин (2-амино-6-окси-пурин). Хотя они не являются частью ДНК, другие биохимически важные пурины включают гипоксантин (6-оксипурин) и ксантин (2,6-диоксипурин).

Когда пурины расщепляются в организме человека, конечным продуктом является мочевая кислота, которая выделяется с мочой. А и G претерпевают несколько разные катаболические (то есть распада) процессы, но они сходятся в ксантине. Это основание затем окисляется с образованием мочевой кислоты. Обычно, поскольку эта кислота не может быть разрушена в дальнейшем, она выводится из организма в моче. Однако в некоторых случаях избыток мочевой кислоты может накапливаться и вызывать физические проблемы. Если мочевая кислота сочетается с доступными ионами кальция, это может привести к появлению камней в почках или мочевого пузыря, которые часто бывают очень болезненными. Избыток мочевой кислоты может также вызвать состояние под названием подагра, при котором кристаллы мочевой кислоты откладываются в различных тканях по всему организму. Один из способов контролировать это - ограничить потребление пуринсодержащих продуктов, таких как мясо органов. Другой способ заключается в применении препарата аллопуринол, который смещает путь расщепления пурина от мочевой кислоты, взаимодействуя с ключевыми ферментами.

Что касается пиримидинов, то уже были введены цитозин (2-окси-4-аминопиримидин), тимин (2,4-диокси-5-метилпиримидин) и урацил (2,4-диоксипиримидин). Оротовая кислота (2,4-диокси-6-карбоксипиримидин) является еще одним метаболически значимым пиримидином.

Разложение пиримидинов проще, чем разложение пуринов. Во-первых, кольцо сломано. Конечными продуктами являются простые и распространенные вещества: аминокислоты, аммиак и углекислый газ.

Синтез пурина и пиримидина

Как указано выше, пурины и пиримидины изготавливаются из компонентов, которые в изобилии содержатся в организме человека и не нуждаются в потреблении в неизменном виде.

Пурины, которые синтезируются главным образом в печени, собираются из аминокислот глицина, аспартата и глутамата, которые поставляют азот, и из фолиевой кислоты и углекислого газа, которые обеспечивают углерод. Важно отметить, что азотистые основания сами по себе не выделяются во время синтеза нуклеотидов, потому что рибоза входит в смесь до появления чистого аланина или гуанина. Это приводит либо к аденозинмонофосфату (AMP), либо к гуанозинмонофосфату (GMP), оба из которых являются почти полными нуклеотидами, готовыми к введению в цепочку ДНК, хотя они также могут быть фосфорилированы с образованием аденозин ди- и трифосфата (ADP и ATP) или гуанозин-ди- и трифосфат (ВВП и ГТФ).

Синтез пурина является энергоемким процессом, требующим по меньшей мере четырех молекул АТФ на каждый произведенный пурин.

Пиримидины являются более мелкими молекулами, чем пурины, и их синтез, соответственно, проще. Встречается в основном в селезенке, вилочковой железе, желудочно-кишечном тракте и яичках у мужчин. Глютамин и аспартат поставляют весь необходимый азот и углерод. Как в пуринах, так и в пиримидинах сахарный компонент возможного нуклеотида взят из молекулы, называемой 5-фосфорибозил-1-пирофосфатом (PRPP). Глютамин и аспартат объединяются с образованием молекулы карбамоилфосфата. Это тогда преобразовано в оротовую кислоту, которая может тогда стать или цитозином или тимином. Обратите внимание, что, в отличие от синтеза пурина, пиримидины, предназначенные для включения в ДНК, могут выступать в качестве свободных оснований (то есть сахарный компонент добавляется позже). Превращение оротовой кислоты в цитозин или тимин является последовательным путем, а не разветвленным путем, поэтому цитозин всегда образуется первым, и его можно либо сохранить, либо в дальнейшем перерабатывать в тимин.

Организм может использовать автономные пуриновые основания помимо путей синтеза ДНК. Хотя пуриновые основания не образуются во время синтеза нуклеотидов, они могут быть включены в процесс в середине процесса, будучи "спасенными" из различных тканей. Это происходит, когда PRPP объединяется с аденозином или гуанином из AMP или GMP плюс две молекулы фосфата.

Синдром Леша-Нихана - это состояние, при котором путь спасения пурина не удается из-за недостатка ферментов, что приводит к очень высокой концентрации свободного (несвязанного) пурина и, следовательно, к опасно высокому уровню мочевой кислоты во всем организме. Одним из симптомов этого прискорбного недуга является то, что пациенты часто демонстрируют неконтролируемое самоуничижительное поведение.