ბუნებაში მნიშვნელოვანი ნუკლეინის მჟავებია დეოქსირიბონუკლეინის მჟავა, ან დნმ და რიბონუკლეინის მჟავა ან RNA. მათ მჟავებს უწოდებენ, რადგან ისინი პროტონის (ანუ წყალბადის ატომის) დონორები არიან და, შესაბამისად, მათ აქვთ უარყოფითი მუხტი.
ქიმიურად, დნმ და რნმ პოლიმერებია, რაც ნიშნავს, რომ ისინი შედგება განმეორებითი ერთეულებისაგან, ხშირად მათი ძალიან დიდი რაოდენობით. ამ ერთეულებს უწოდებენ ნუკლეოტიდები. თავის მხრივ, ყველა ნუკლეოტიდი მოიცავს სამ განსხვავებულ ქიმიურ ნაწილს: პენტოზის შაქარს, ფოსფატის ჯგუფს და აზოტოვან ფუძეს.
დნმ განსხვავდება რნმ-სგან სამი ძირითადი გზით. ერთი ის არის, რომ შაქარი წარმოადგენს ნუკლეინის მჟავას მოლეკულის სტრუქტურულ "ხერხემალს" დეოქსირიბოზა, ხოლო RNA– ში ეს არის რიბოზა. თუ თქვენ საერთოდ იცნობთ ქიმიურ ნომენკლატურას, თქვენ მიხვდებით, რომ ეს მცირე განსხვავებაა მთლიან სტრუქტურულ სქემაში; რიბოზას აქვს ოთხი ჰიდროქსილის (-OH) ჯგუფი, ხოლო დეოქსირიბოზას - სამი.
მეორე განსხვავება ისაა, რომ მიუხედავად იმისა, რომ დნმ-ში ნაპოვნი აზოტოვანი ბაზებიდან ოთხიდან ერთი არის თიმინი, რნმ-ში შესაბამისი ფუძე არის ურამა. ნუკლეინის მჟავების აზოტოვანი ფუძეებია, რაც მათ საბოლოო მახასიათებლებს უკარნახებს მოლეკულები, რადგან ფოსფატისა და შაქრის ნაწილი არ იცვლება მოლეკულების შიგნით ან მათ შორის იგივე ტიპის.
დაბოლოს, დნმ ორჯაჭვიანია, რაც ნიშნავს, რომ იგი შედგება ნუკლეოტიდების ორი გრძელი ჯაჭვისგან, რომლებიც ქიმიურად არის შეკრული ორი აზოტოვანი ფუძით. დნმ მოთავსებულია "ორმაგი სპირალის" ფორმაში, როგორც მოქნილი კიბე, რომელიც გადაბრუნებულია საპირისპირო მიმართულებით ორივე ბოლოში.
დნმ-ის ზოგადი მახასიათებლები
დეოქსირიბოზა შედგება ხუთი ატომური რგოლისგან, ოთხი ნახშირბადისგან და ჟანგბადისგან, ბეისბოლის პენტაგონის ან შესაძლოა სახლის ფირფიტის მსგავსი. იმის გამო, რომ ნახშირბადი ქმნის ოთხ ობლიგაციას, ხოლო ჟანგბადი ორს, ამან რვა შეკავშირების ადგილი რჩება ნახშირბადის ოთხ ატომზე, ორი ნახშირბადში, ერთი ზემოთ და ერთი ბეჭდის ქვემოთ. ამ ლაქებიდან სამს იკავებს ჰიდროქსილის (-OH) ჯგუფები, ხოლო ხუთზე აცხადებენ წყალბადის ატომები.
ეს შაქრის მოლეკულა შეიძლება შეერთდეს ოთხიდან ერთ აზოტოვან ბაზასთან: ადენინი, ციტოზინი, გუანინი და თიმინი. ადენინი (A) და გუანინი (G) პურინებია, ხოლო ციტოზინი (C) და თიმინი (T) - პირიმიდინები. პურინები უფრო დიდი მოლეკულებია, ვიდრე პირიმიდინები; რადგან დნმ-ის ნებისმიერი სრული მოლეკულის ორი ძაფი შუაში უკავშირდება მათი აზოტოვანი ფუძეებით, ეს კავშირებით უნდა წარმოიქმნას ერთ პურინსა და ერთ პირიმიდინს შორის, რომ ორი ბაზის საერთო ზომა მოლეკულაზე უხეშად შენარჩუნდეს მუდმივი (ეს ხელს უწყობს ნუკლეინის მჟავების ნებისმიერი დიაგრამის მითითებას კითხვის დროს, მაგალითად, მითითებებში.) როგორც ეს ხდება, A დნმ – ში ობს მხოლოდ T– ს, ხოლო C– ს მხოლოდ G– ს.
აზოტოვან ბაზასთან შეკავშირებულ დეოქსირიბოზას ეწოდება ა ნუკლეოზიდი. როდესაც ფოსფატის ჯგუფი ემატება დეოქსირიბოზას ნახშირბადში, ძირის დამაგრების ორ წერტილში, წარმოიქმნება სრული ნუკლეოტიდი. ნუკლეოტიდებში სხვადასხვა ატომებზე შესაბამისი ელექტროქიმიური მუხტების თავისებურებებია პასუხისმგებელია ორმაგი ჯაჭვური დნმ-ის ბუნებრივად წარმოქმნა ხვეული ფორმა და მოლეკულაში არსებული ორი დნმ ბოჭკო უწოდებენ დამატებითი ბოჭკოები.
RNA– ს ზოგადი მახასიათებლები
პენტოზის შაქარი რნმ-ში უფრო მეტად არის რიბოზა, ვიდრე დეოქსირიბოზა. რიბოზა იდენტურია დეოქსირიბოზისა, გარდა იმისა, რომ რგოლის სტრუქტურა უკავშირდება ოთხ ჰიდროქსილის (-OH) ჯგუფს და წყალბადის ოთხ ატომს, შესაბამისად სამიდან და ხუთიდან. ნუკლეოტიდის რიბოზის ნაწილი უკავშირდება ფოსფატის ჯგუფს და აზოტოვან ფუძეს, ისევე როგორც დნმ-სთან, ალტერნატიული ფოსფატებით და შაქრები, რომლებიც ქმნიან RNA "ხერხემალს". ბაზებში, როგორც ზემოთ აღვნიშნეთ, შედის A, C და G, მაგრამ რნმ – ში მეორე პირიმიდინი არის ურამა (U), ვიდრე თ.
ვინაიდან დნმ მხოლოდ ინფორმაციის შენახვას ეხება (გენი უბრალოდ დნმ-ის ბოჭკოა, რომელიც კოდირდება ერთი ცილისთვის), სხვადასხვა ტიპის რნმ იღებს სხვადასხვა ფუნქციას. მესენჯერი RNA, ან mRNA, მზადდება დნმ-ისგან, როდესაც ჩვეულებრივ ორმაგი ჯაჭვური დნმ გაყოფილი ხდება ორ ერთ ძაფად ტრანსკრიფციის მიზნით. შედეგად მიღებული mRNA საბოლოოდ იშლება უჯრედების იმ ნაწილებისკენ, სადაც ხდება ცილების წარმოება, დნმ-ით მოცემული ამ პროცესის ინსტრუქციების მატარებლად. რნმ-ის მეორე ტიპი, ტრანსფერული RNA (tRNA), მონაწილეობს ცილების წარმოებაში. ეს ხდება უჯრედის ორგანოზე, რომელსაც რიბოსომები ეწოდება და თავად რიბოსომა შედგება ძირითადად მესამე ტიპის RNA– სგან, სახელწოდებით, რიბოსომული RNA (rRNA).
აზოტოვანი ბაზები
ხუთი აზოტოვანი ფუძე - ადენინი (A), ციტოზინი (C), გუანინი (G) და თიმინი (T) დნმ – ში და პირველი სამი პლუს ურაცილი (U) რნმ – ში - არის ნუკლეინის მჟავების ის ნაწილები, რომლებიც საბოლოოდ პასუხისმგებელნი არიან გენური პროდუქტების მრავალფეროვნებაზე საცხოვრებლად საგნები. შაქრისა და ფოსფატის ნაწილები აუცილებელია იმით, რომ ისინი უზრუნველყოფენ სტრუქტურას და ხარაჩოებს, მაგრამ კოდების წარმოქმნის საფუძველია. თუ თქვენს ლეპტოპ კომპიუტერზე ფიქრობთ, როგორც ნუკლეინის მჟავა ან მინიმუმ ნუცელოტიდების სიმები, აპარატურა (მაგ., დისკის დრაივები, მონიტორი ეკრანი, მიკროპროცესორი) შაქრებისა და ფოსფატების ანალოგიურია, ხოლო ნებისმიერი პროგრამული უზრუნველყოფა და პროგრამა, რომელსაც იყენებთ, აზოტოვანია ბაზები, რადგან თქვენს სისტემაში ჩატვირთული პროგრამების უნიკალური ასორტიმენტი თქვენს კომპიუტერს ერთგვარად აქცევს "ორგანიზმი".
როგორც ადრე აღვნიშნეთ, აზოტოვანი ფუძეები კლასიფიცირდება როგორც პურინები (A და G) ან პირიმიდინები (C, T და U). A ყოველთვის წყვილდება დნმ – ის სტრიქონში T– ით და C ყოველთვის წყვილდება G– სთან. მნიშვნელოვანია, რომ როდესაც დნმ-ის სტრიქონს იყენებენ, როგორც RNA სინთეზის (ტრანსკრიპციის) შაბლონს, მზარდი RNA მოლეკულის გასწვრივ თითოეულ წერტილში, რნმ-ის ნუკლეოტიდი, რომელიც იქმნება "მშობლის" დნმ-ის ნუკლეოტიდიდან, შეიცავს ბაზას, რომელიც "მშობლის" ფუძეს ყოველთვის აკავშირებს რომ ეს შესწავლილია შემდეგ განყოფილებაში.
პურინები შედგება ექვსწევრიანი აზოტისა და ნახშირბადის რგოლისა და ხუთწევრიანი აზოტისა და ნახშირბადის რგოლისგან, ჰექსაგონისა და ხუთკუთხედის მსგავსად, რომლებსაც აქვთ მხარე. პურინის სინთეზი მოიცავს რიბოზას შაქრის ქიმიურ შეცვლას, რასაც მოჰყვება ამინოს დამატება (-NH)2) ჯგუფები. პირიმიდინებს აქვთ ექვსწევრიანი აზოტისა და ნახშირბადის რგოლი, ისევე როგორც პურინები, მაგრამ არ გააჩნიათ პურინების ხუთწევრიანი აზოტისა და ნახშირბადის ბეჭედი. ამიტომ პურინებს უფრო მაღალი მოლეკულური მასა აქვთ, ვიდრე პირიმიდინებს.
პირიმიდინების შემცველი ნუკლეოტიდების სინთეზი და პურინების შემცველი ნუკლეოტიდების სინთეზი ხდება საპირისპირო თანმიმდევრობით ერთ მნიშვნელოვან ეტაპზე. პირიმიდინებში, პირველად შეიკრიბება ფუძის ნაწილი, ხოლო დანარჩენი მოლეკულა მოდიფიცირდება მოგვიანებით ნუკლეოტიდად. პურინებში, ნაწილი, რომელიც საბოლოოდ ხდება ადენინი ან გუანინი, მოდიფიცირებულია ნუკლეოტიდის ფორმირების ბოლოსკენ.
ტრანსკრიფცია და თარგმანი
ტრანსკრიფცია არის mRNA– ის სტრიქონის შექმნა დნმ – ის შაბლონიდან, რომელსაც აქვს იგივე ინსტრუქცია (ანუ გენეტიკური კოდი) კონკრეტული ცილის მიღებისათვის, რასაც შაბლონი აკეთებს. პროცესი ხდება უჯრედის ბირთვში, სადაც დნმ მდებარეობს. როდესაც ორმაგი ბოჭკოვანი დნმ-ის მოლეკულა გამოყოფილია ერთ ძაფად და ტრანსკრიფცია მიმდინარეობს, mRNA, რომელიც წარმოიქმნება ერთიდან "დაუცველი" დნმ – ის წყვილის იდენტურია დნმ – ის სხვა სტრიქონის დნმ – ის იდენტურია, გარდა იმისა, რომ mRNA შეიცავს U– ს ნაცვლად თ. (ისევ სასარგებლოა დიაგრამის მითითება; იხილეთ წყაროები.) mRNA, დასრულების შემდეგ ტოვებს ბირთვს ბირთვულ მემბრანაში არსებული ფორების მეშვეობით. მას შემდეგ, რაც mRNA ტოვებს ბირთვს, იგი ერთვის რიბოსომას.
შემდეგ ფერმენტები ემატება რიბოსომულ კომპლექსს და ეხმარება თარგმნის პროცესში. თარგმანი არის mRNA- ს ინსტრუქციის ცილად გარდაქმნა. ეს ხდება მაშინ, როდესაც ამინომჟავები, ცილების ქვედა ერთეულები, წარმოიქმნება სამი ნუკლეოტიდის "კოდონებიდან" mRNA ძაფზე. პროცესი ასევე მოიცავს rRNA– ს (ვინაიდან თარგმანი ხდება ribsomes– ზე) და tRNA– ს (რომელიც ხელს უწყობს ამინომჟავების აწყობას).
დნმ – ის ძაფებიდან ქრომოსომებამდე
დნმ – ის ძაფები იკრიბება ორმაგი სპირალურად, დაკავშირებული ფაქტორების შეერთების გამო. ერთ-ერთი მათგანია წყალბადის ბმები, რომლებიც ბუნებრივად ხვდება მოლეკულის სხვადასხვა ნაწილში. სპირალის წარმოქმნისას, აზოტოვანი ფუძეების შემაკავშირებელი წყვილი პერპენდიკულარულია მთლიან ორმაგი სპირალის ღერძზე. ყოველი სრული შემობრუნება ჯამში მოიცავს დაახლოებით 10 ფუძე-ფუძის შეკავშირებულ წყვილს. რასაც შეიძლება ეწოდოს დნმ-ის "მხარეები", როდესაც "კიბე" ასახეს, ახლა ორმაგი სპირალის "ჯაჭვებს" უწოდებენ. ეს თითქმის მთლიანად შედგება ნუკლეოტიდების რიბოზისა და ფოსფატის ნაწილებისგან, ხოლო ფუძეები შიგნით არის. ამბობენ, რომ სპირალს აქვს როგორც ძირითადი, ისე მცირე ზომის ღარები, რომლებიც განსაზღვრავს მის საბოლოოდ სტაბილურ ფორმას.
მიუხედავად იმისა, რომ ქრომოსომები შეიძლება აღწერილიყო, როგორც დნმ – ის ძალიან გრძელი ბოჭკო, ეს არის უხეში გამარტივება. მართალია, მოცემულ ქრომოსომას, თეორიულად, შეუძლებელი იქნებოდა აღმოეჩინა დნმ – ის ერთი გაუტეხავი მოლეკულა, მაგრამ ეს ვერ მიუთითებს რთული გრაგნილით, spooling და clustering რომ დნმ აკეთებს გზა ფორმირების a ქრომოსომა. ერთ ქრომოსომას აქვს მილიონობით დნმ ფუძის წყვილი და თუ მთელი დნმ დაიჭიმებოდა სპირალის გატეხვის გარეშე, მისი სიგრძე რამდენიმე მილიმეტრიდან სანტიმეტრზე მეტს გაგრძელდებოდა. სინამდვილეში, დნმ გაცილებით შედედებულია. ცილები, რომლებსაც ჰისტონები ეწოდება, წარმოიქმნება ქვედანაყოფის ცილების ოთხი წყვილიდან (სულ რვა ქვედანაყოფი). ეს ოქტამერი ემსახურება როგორც კოჭას დნმ-ის ორმაგი სპირალის ორჯერ შემოხვევას, ძაფის მსგავსად. ამ სტრუქტურას, ოქტამერს და მის გარშემო შემოხვეულ დნმ-ს, ნუკლეოზომას უწოდებენ. როდესაც ქრომოსომა ნაწილობრივ იხსნება ძაფად, რომელსაც ქრომატიდს უწოდებენ, ეს ნუკლეოზომები მიკროსკოპიაში ჩნდება, როგორც მძივები სიმზე. მაგრამ ნუკლეოსომების დონის ზემოთ, გენეტიკური მასალის შემდგომი შეკუმშვა ხდება, თუმცა ზუსტი მექანიზმი რჩება გაურკვეველი.
ნუკლეინის მჟავები და სიცოცხლის გაჩენა
განხილულია დნმ, რნმ და ცილები ბიოპოლიმერები რადგან ისინი ინფორმაციისა და ამინომჟავების განმეორებითი მიმდევრობაა, რომლებიც დაკავშირებულია ცოცხალ არსებებთან (”ბიო” ნიშნავს ”სიცოცხლეს”). მოლეკულური ბიოლოგები დღეს აღიარებენ, რომ დნმ და რნმ რაიმე ფორმით უსწრებს სიცოცხლის გაჩენას დედამიწა, მაგრამ 2018 წლისთვის არავის გაერკვა ადრეული ბიოპოლიმერებიდან უბრალო ცხოვრებისკენ მიმავალი გზა საგნები. ზოგმა თქვა, რომ რნმ გარკვეული ფორმით წარმოადგენდა ამ ყველაფრის თავდაპირველ წყაროს, მათ შორის დნმ-ს. ეს არის "რნმ მსოფლიო ჰიპოთეზა". ამასთან, ეს წარმოადგენს ერთგვარი ქათმის და კვერცხის სცენარს ბიოლოგებისათვის, რადგან საკმარისად დიდი რნმ მოლეკულები, როგორც ჩანს, სხვა გზით არ შეიძლებოდა გაჩნდნენ ტრანსკრიფცია. ნებისმიერ შემთხვევაში, მეცნიერები დიდი მონდომებით იკვლევენ RNA- ს, როგორც პირველი თვითგამრავლების მოლეკულის მიზანს.
სამედიცინო თერაპიები
ქიმიკატები, რომლებიც მიბაძავენ ნუკლეინის მჟავების შემადგენლობას, დღეს ნარკოტიკებად იყენებენ, ამ სფეროში შემდგომი განვითარება მიმდინარეობს. მაგალითად, ურაცილის ოდნავ შეცვლილი ფორმა, 5-ფტორურაცილი (5-FU), ათწლეულების განმავლობაში გამოიყენება მსხვილი ნაწლავის კარცინომის სამკურნალოდ. იგი ამას ახდენს ნამდვილი აზოტოვანი ბაზის საკმარისად მჭიდრო იმიტაციით ისე, რომ იგი ჩასმული ხდება ახლად წარმოებულ დნმ-ში. ეს საბოლოოდ იწვევს ცილების სინთეზის დაშლას.
ანტიბაქტერიული და ანტივირუსული თერაპიების დროს გამოყენებულია ნუკლეოზიდების მიმბაძველები (რომლებიც, ალბათ გახსოვთ, რიბოზის შაქარი პლუს აზოტოვანი ფუძეა). ზოგჯერ, ეს არის ნუკლეოზიდის ძირითადი ნაწილი, რომელიც განიცდის მოდიფიკაციას, ხოლო სხვა დროს პრეპარატი მიზნად ისახავს შაქრის ნაწილს.