Нуклеотиды — это сложные биологические вещества, которые играют ключевую роль во многих биологических процессах. Они служат основой для построения ДНК и РНК и, кроме того, отвечают за синтез белков и генетическую память, будучи универсальными источниками энергии. Нуклеотиды входят в состав коферментов, принимают участие в углеводном обмене и синтезе липидов. Кроме того, нуклеотиды являются компонентами активных форм витаминов, в основном группы В (рибофлавин, ниацин). Нуклеотиды способствуют формированию естественного микробиоценоза, предоставляют необходимую энергию для регенеративных процессов в кишечнике, влияют на созревание и нормализацию функционирования гепатоцитов.

Нуклеотиды представляют собой низкомолекулярные соединения, состоящие из азотистых оснований (пурины, пиримидины), пентозного сахара (рибоза или дезоксирибоза) и 1—3 фосфатных групп.

Наиболее распространенные монофосфаты участвуют в метаболических процессах: пурины — аденозинмонофосфат (АМФ), гуанозинмонофосфат (ГМФ), пиримидины — цитидинмонофосфат (ЦМФ), уридинмонофосфат (УМФ) .

Чем же вызван интерес к проблеме содержания нуклеотидов в детском питании?

До последнего времени считалось, что все необходимые нуклеотиды синтезируются внутри организма, и их не рассматривали как незаменимые питательные вещества. Предполагалось, что нуклеотиды, поступающие с пищей, в основном оказывают «местное действие», определяя рост и развитие тонкого кишечника, обмен липидов и печеночную функцию. Однако последние исследования (материалы сессии ESPGAN, 1997) показали, что эти нуклеотиды становятся необходимыми, когда эндогенного запаса недостаточно : например, при заболеваниях, сопровождающихся энергетическим дефицитом, — тяжелых инфекциях, болезнях потребления, а также в неонатальном периоде, во время быстрого роста ребенка, при иммунодефицитных состояниях и гипоксических повреждениях. При этом общий объем эндогенного синтеза снижается, становится недостаточным для удовлетворения потребностей организма. В таких условиях поступление нуклеотидов с пищей «экономит» в организме расходы энергии для синтеза этих веществ и может оптимизировать функцию тканей. Так, врачи издавна советовали после длительных заболеваний использовать в пищу печень, молоко, мясо, бульоны, т. е. продукты, богатые нуклеотидами.

Дополнительная дотация нуклеотидов с пищей крайне важна при вскармливании младенцев. Нуклеотиды были выделены из женского молока около 30 лет назад. К настоящему времени идентифицированы 13 кислоторастворимых нуклеотидов в женском молоке. Давно известно, что состав женского молока и молока различных видов животных не идентичен. Однако многие годы было принято обращать внимание лишь на основные пищевые компоненты: белки, углеводы, липиды, минералы, витамины. Вместе с тем, нуклеотиды в женском молоке существенно отличаются, причем не только по количеству, но и по составу от нуклеотидов в коровьем молоке. Так, например, оротат, главный нуклеотид коровьего молока, содержащийся в значительных количествах даже в адаптированных молочных смесях, не присутствует в женском молоке.

Нуклеотиды являются компонентом небелковой азотной фракции грудного молока. Небелковый азот отвечает приблизительно за 25% общего азота в грудном молоке и содержит аминосахара и карнитин, которые играют особую роль в развитии новорожденных. Нуклеотидовый азот может способствовать наиболее эффективному употреблению белка у младенцев, вскармливаемых грудным молоком, получающих сравнительно меньше белка по сравнению с детьми, которых вскармливают искусственными смесями.

Было выявлено, что в женском молоке концентрация нуклеотидов превышает их содержание в сыворотке крови. Это говорит о том, что грудные железы женщины синтезируют дополнительное количество нуклеотидов, которые поступают в грудное молоко. Также имеются различия в содержании нуклеотидов по стадиям лактации. Так, наибольшее количество нуклеотидов в молоке определяется на 2-4-м месяце, и затем их содержание после 6-7-го месяца начинает постепенно снижаться.

Раннее зрелое молоко содержит преимущественно мононуклеотиды (АМФ, ЦМФ, ГМФ). Их количество в позднем зрелом молоке выше, чем в молозиве, однако меньше, чем в молоке первого месяца лактации.

Концентрация нуклеотидов в грудном молоке на порядок выше зимой, чем в аналогичные сроки кормления в летний период.

Эти данные могут свидетельствовать о том, что в клетках грудных желез происходит дополнительный синтез нуклеотидов, так как в первые месяцы жизни извне поступающие вещества поддерживают необходимый уровень метаболизма и энергетического обмена ребенка. Увеличение синтеза нуклеотидов в грудном молоке в зимний период является защитным механизмом: в это время года ребенок больше подвержен инфекции и легче развивается витаминная и минеральная недостаточность.

Как указывалось выше, состав и концентрация нуклеотидов в молоке всех видов млекопитающих различаются, но всегда их количество ниже, чем в грудном молоке. Это, по-видимому, связано с тем, что потребность в экзогенных нуклеотидах особенно высока у беззащитных детенышей .

Грудное молоко — это не только наиболее сбалансированный продукт для рационального развития ребенка, но и тонкая физиологическая система, способная меняться в зависимости от нужд ребенка. Грудное молоко еще долго будет всесторонне изучаться, причем не только количественный и качественный его состав, но и роль отдельных ингредиентов в функционировании систем растущего и формирующегося организма. Смеси для искусственного вскармливания грудных детей также будут совершенствоваться и постепенно превратятся в настоящие «заменители грудного молока». Данные о том, что нуклеотиды грудного молока имеют более широкое физиологическое значение для растущего и развивающегося организма, послужили основанием для введения их в смеси для детского питания и приближения по концентрации и составу к таковым в грудном молоке .

Следующим этапом исследований стала попытка установить влияние нуклеотидов, введенных в детские смеси, на созревание плода и развитие младенца.

Наиболее наглядными оказались данные об активации иммунной системы ребенка . Как известно, IgG регистрируется еще внутриутробно, IgM начинает синтезироваться сразу после рождения ребенка, IgA синтезируется наиболее медленно, и активный его синтез возникает к концу 2-3-го месяца жизни. Эффективность их выработки во многом определяется зрелостью иммунного ответа.

Для исследования были сформированы 3 группы: дети, получавшие только грудное молоко, только смеси с нуклеотидами и молочные смеси без нуклеотидов.

В результате было выявлено, что дети, получавшие формулы с нуклеотидными добавками, к концу 1-го месяца жизни и на 3-м месяце имели уровень синтеза иммуноглобулина М, примерно равный таковому у детей, находящихся на грудном вскармливании, но значительно более высокий, чем у детей, получавших простую смесь. Аналогичные результаты получены и при анализе уровня синтеза иммуноглобулина А .

Зрелость иммунной системы определяет эффективность вакцинопрофилактики, ведь способность к формированию иммунного ответа на прививку — это один из показателей выработки иммунитета на первом году жизни. Для примера исследовали уровень выработки антител к дифтерии у детей, находящихся на «нуклеотидной» формуле, грудном вскармливании и смесях без нуклеотидов. Уровень антител измерялся через 1 месяц после первой и после последней вакцинации. Установлено, что даже первые показатели были выше, а вторые — достоверно выше у детей, получавших смеси с нуклеотидами .

При исследовании влияния вскармливания смесью с нуклеотидами на физическое и психомоторное развитие детей отмечена тенденция к лучшей прибавке массы и более быстрому становлению моторной и психической функции .

Кроме того, есть данные, что дотация нуклеотидов способствует более быстрому созреванию нервной ткани, функций мозга и зрительного анализатора, что крайне актуально для недоношенных и морфофункционально незрелых детей, а также малышей с офтальмологическими проблемами .

Всем известны проблемы со становлением микробиоценоза у детей раннего возраста, особенно в первые месяцы. Это явления диспепсии, кишечные колики, повышенный метеоризм. Потребление «нуклеотидных» смесей позволяет быстрее нормализовать ситуацию, без необходимости коррекции пробиотиками. У детей, получавших смеси с нуклеотидами, реже отмечались дисфункция желудочно-кишечного тракта, неустойчивость стула, они легче переносили введение последующего прикорма.

Однако при применении смесей с нуклеотидами необходимо иметь в виду, что они сокращают частоту стула, поэтому детям с запорами их следует рекомендовать с осторожностью .

Особое значение эти смеси могут иметь у детей с гипотрофией, анемией, а также перенесших гипоксические нарушения в неонатальном периоде. Смеси с нуклеотидами помогают решить ряд проблем, возникающих при выхаживании недоношенных детей. В частности, речь идет о плохом аппетите и низкой прибавке массы тела в течение всего первого года жизни, кроме того, употребление смесей способствует более полноценному психомоторному развитию малышей .

Исходя из вышеизложенного применение смесей с нуклеотидными добавками для нас, врачей, представляет большой интерес. Рекомендовать эти смеси мы можем большому кругу детей, тем более что смеси не являются лечебными. Вместе с тем, мы считаем важным указать на возможность индивидуальных вкусовых реакций у детей раннего возраста, особенно при переводе ребенка с обычной смеси на нуклеотидсодержащую. Так, в некоторых случаях, даже при использовании смесей одной фирмы, мы отмечали у ребенка негативные реакции, вплоть до отказа от предлагаемой смеси. Однако все литературные источники утверждают, что нуклеотиды не только не влияют отрицательно на вкусовые качества, но и, напротив, улучшают их, не изменяя органолептических свойств смеси .

Представляем обзор смесей, содержащих нуклеотидные добавки и имеющихся на нашем рынке . Это сывороточные смеси фирмы «Фризленд Ньютришн» (Голландия) «Фрисолак», «Фрисомел», в которых содержатся 4 нуклеотида, идентичных нуклеотидам женского молока; сывороточная смесь «Мамекс» (Intern Nutrition, Дания), НАН («Нестле», Швейцария), «Энфамил» («Мид Джонсон», США), смесь «Симилак формула плюс» («Эббот Лабораториз», Испания/США). Количество и состав нуклеотидов в этих смесях разные, что определяется фирмой-производителем.

Все фирмы-изготовители стараются подобрать соотношение и состав нуклеотидов, приблизив его, насколько возможно технически и биохимически, к аналогичным показателям грудного молока. Совершенно ясно, что механический подход не является физиологическим. Безусловно, введение нуклеотидов в смеси для детского питания — это революционный шаг в производстве заменителей грудного молока, способствующий максимальному приближению к составу женского грудного молока. Однако никакая смесь пока не может считаться физиологически полностью идентичной этому единственному, универсальному и необходимому ребенку продукту.

Литература

1. Gyorgy. P. Biochemical aspects. Am.Y.Clin. Nutr. 24(8), 970-975.
2. Europan society for Pediatric Gastroenterology and Nutrition (ESPGAN). Committee on Nutrition: Guidelines on infant nutrition I. Recommendations on the composition of an adapted formula. Asta Paediatr Scand 1977; Suppl 262: 1-42.
3. James L. Leach, Jeffreu H. Baxter, Bruce E. Molitor, Mary B. Ramstac, Marc L\ Masor. Все потенциально имеющиеся нуклеотиды материнского молока на стадии лактации//Американский журнал клинического питания. - Июнь 1995. - Т. 61. - №6. - С. 1224-30.
4. Carver J. D., Pimental B., Cox WI, Barmess L. A. Dietary nucleotidi effects upon immune function in infаnts. Pediatrics 1991; 88; 359-363.
5. Uauy. R., Stringel G., Thomas R. and Quan R . (1990) Effect of dietari nucleosides on growth and maturation of the developing gut in the rat. J. Pediatr. Gastroenterol. Nutr. 10, 497-503.
6. Brunser O., Espinosa J., Araya М., Gruchet S. and Gil А. (1994) Effect of dietari nucleotide suppementation on diarrhoeal disease in infants. Asta Paediatr. 883. 188-191.
7. Кешишян Е. С., Бердникова Е. К.//Смеси с нуклеотидными добавками для вскармливания детей первого года жизни//Детское питание XXI века. - С. 24.
8. Дэвид. Новые технологии улучшения продуктов детского питания//Педиатрия. - 1997. - №1. - С. 61-62.
9. Кешишян Е. С., Бердникова Е. К. Смеси с нуклеотидными добавками для вскармливания грудных детей. Ожидаемый эффект//Педиатрия. Consilium medicum. - Приложение №2. - 2002. - С. 27-30.

Е. С. Кешишян, доктор медицинских наук, профессор
Е. К. Бердникова
МНИИ педиатрии и детской хирургии Минздрава РФ, Москва

- это сложные мономеры, из которых собраны гетерополимерные молекулы. ДНК и РНК. Свободные нуклеотиды участвуют в сигнальных и энергетических процессах жизнедеятельности. ДНК-нуклеотиды и РНК-нуклеотиды имеют общий план строения, но различаются по строению сахара-пентозы. В ДНК-нуклеотидах используется сахар дезоксирибоза, а в РНК-нуклеотидах - рибоза.

Структура нуклеотида

В каждом нуклеотиде можно выделить 3 части:

1. Углевод - это пятичленный сахар-пентоза (рибоза или дезоксирибоза).

2. Фосфорный остаток (фосфат) - это остаток фосфорной кислоты.

3. Азотистое основание - это соединение, в котором много атомов азота. В нуклеиновых кислотах используется всего 5 видов азотистых оснований: Аденин, Тимин, Гуанин, Цитозин, Урацил. В ДНК - 4 вида: Аденин, Тимин, Гуанин, Цитозин. В РНК - тоже 4 вида: Аденин, Урацил, Гуанин, Цитозин, Легко заметить, что в РНК происходит замещение Тимина на Урацил по сравнению с ДНК.

Общая структурная формула пентозы (рибозы или дезоксирибозы), молекулы которой образуют "скелет" нуклеиновых кислот:

Если Х заменить на Н (Х = Н) - то получаются дезоксирибонуклеозиды; если Х заменить на ОН (Х = ОН) - то получаются рибонуклеозиды. Если вместо R подставить азотистое основание (пуриновое или пиримидиновое) - то получится конкретный нуклеотид.

Важно обратить внимание на те положения атомов углерода в пентозе, которые обозначены как 3" и 5". Нумерация атомов углерода начинается от атома кислорода вверху и идёт по часовой стрелке. Последним получается атом углерода (5"), который располагается за пределами пентозного кольца и образует, можно сказать, "хвостик" у пентозы. Так вот, при наращивании цепочки из нуклеотидов фермент может присоединить новый нуклеотид только к углероду 3" и ни к какому другому. Поэтому 5"-конец нуклеотидной цепочки никогда не сможет иметь продолжения, удлинняться может только 3"-конец.

Сравните нуклеотид для РНК с нуклеотидом для ДНК.

Попробуйте узнать, какой это нуклеотид, в таком представлении:

АТФ - свободный нуклеотид

цАМФ - "закольцованная" молекула АТФ

Схема строения нуклеотида

Обратите внимание на то, что активированный нуклеотид, способный наращивать цепочку ДНК или РНК, имеет "трифосфатный хвостик". Именно этим "энергонасыщенным" хвостиком он может присоединиться к уже имеющейся цепочке растущей нуклеиновой кислоты. Фосфатный хвостик сидит на 5-м атоме углерода, так что это положение углерода уже занято фосфатами и предназнено для прикрепления. К чему же его прикрепить? Только к углероду в положении 3". После прикрепления данный нуклеотид сам станет мишенью дла прикрепления следующего нуклеотида. "Принимающая сторона" предоставляет углерод в положении 3", а "прибывающая сторона" цепляется к нему фосфатным хвостиком, находящимся в положении 5". В целом цепочка растёт со стороны 3".

Наращивание нуклеотидной цепочки ДНК

Наращивание цепочки за счёт "продольных" связей между нуклеотидами может идти только в одном направлении: от 5" ⇒ к 3", т.к. новый нуклеотид можно присоединить только к 3"-концу цепочки, но не к 5"-концу.

Пары нуклеотидов, связанные "поперечными" комплементарными связями своих азотистых оснований

Участок двойной спирали ДНК

Найдите признаки антипараллельности двух цепей ДНК.

Найдите пары нуклеотидов с двойными и тройными комплементарными связями.

Нуклеиновые кислоты. АТФ

Нуклеиновые кислоты (от лат. nucleus – ядро) – кислоты, впервые обнаруженные при исследовании ядер лейкоцитов; были открыты в 1868 г. И.Ф. Мишером, швейцарским биохимиком. Биологическое значение нуклеиновых кислот - хранение и передача наследственной информации; они необходимы для поддержания жизни и для ее воспроизведения.

Нуклеиновые кислоты

Нуклеотид ДНК и нуклеотид РНК имеют черты сходства и различия.

Строение нуклеотида ДНК

Строение нуклеотида РНК

Молекула ДНК – двойная цепь, закрученная по спирали.

Молекула РНК представляет собой одиночную нить нуклеотидов, схожую по строению с отдельной нитью ДНК. Только вместо дезоксирибозы РНК включает другой углевод – рибозу (отсюда и название), а вместо тимина – урацил.

Две нити ДНК соединены друг с другом водородными связями. При этом наблюдается важная закономерность: напротив азотистого основания аденин А в одной цепи располагается азотистое основание тимин Т в другой цепи, а против гуанина Г всегда расположен цитозин Ц. Эти пары оснований называют комплементарными парами.

Таким образом, принцип комплементарности (от лат. complementum – дополнение) состоит в том, что каждому азотистому основанию, входящему в нуклеотид, соответствует другое азотистое основание. Возникают строго определенные пары оснований (А – Т, Г – Ц), эти пары специфичны. Между гуанином и цитозином – три водородные связи, а между аденином и тимином возникают две водородные связи в нуклеотиде ДНК, а в РНК две водородные связи возникают между аденином и урацилом.

Водородные связи между азотистыми основаниями нуклеотидов

Г ≡ Ц Г ≡ Ц

В результате у всякого организма число адениловых нуклеотидов равно числу тимидиловых, а число гуаниловых - числу цитидиловых. Благодаря этому свойству последовательность нуклеотидов в одной цепи определяет их последовательность в другой. Такая способность к избирательному соединению нуклеотидов называется комплементарностью, и это свойство лежит в основе образования новых молекул ДНК на базе исходной молекулы (репликации, т. е. удвоения).

Таким образом, количественное содержание азотистых оснований в ДНК подчинено некоторым правилам:

1) Сумма аденина и гуанина равна сумме цитозина и тимина А + Г = Ц + Т.

2) Сумма аденина и цитозина равна сумме гуанина и тимина А + Ц = Г + Т.

3) Количество аденина равно количеству тимина, количество гуанина равно количеству цитозина А = Т; Г = Ц.

При изменении условий ДНК, подобно белкам, может подвергаться денатурации, которая называется плавлением.

ДНК обладает уникальными свойствами: способностью к самоудвоению (репликация, редупликация) и способностью к самовосстановлению (репарация). Репликация обеспечивает точное воспроизведение в дочерних молекулах той информации, которая была записана в материнской молекуле. Но в процессе репликации иногда возникают ошибки. Способность молекулы ДНК исправлять ошибки, возникающие в ее цепях, то есть восстанавливать правильную последовательность нуклеотидов, называется репарацией .

Молекулы ДНК находятся в основном в ядрах клеток и в небольшом количестве в митохондриях и пластидах – хлоропластах. Молекулы ДНК – носители наследственной информации.

Строение, функции и локализация в клетке. Различают три вида РНК. Названия связаны с выполняемыми функциями:

Сравнительная характеристика нуклеиновых кислот

Аденозинфосфорные кислоты - аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), аденозиндифосфорная кислота (АДФ), аденозинмонофосфорная кислота (АМФ).

В цитоплазме каждой клетки, а также в митохондриях, хлоропластах и ядрах содержится аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Она поставляет энергию для большинства реакций, происходящих в клетке. С помощью АТФ клетка синтезирует новые молекулы белков, углеводов, жиров, осуществляет активный транспорт веществ, биение жгутиков и ресничек.

АТФпо строению сходна с адениновым нуклеотидом, входящим в состав РНК, только вместо одной фосфорной кислоты в состав АТФ входят три остатка фосфорной кислоты.

Строение молекулы АТФ:

Неустойчивые химические связи, которыми соединены молекулы фосфорной кислоты в АТФ, очень богаты энергией. При разрыве этих связей выделяется энергия, которая используется каждой клеткой для обеспечения процессов жизнедеятельности:

АТФ АДФ + Ф + Е

АДФ АМФ + Ф + Е,

где Ф – фосфорная кислота Н3РО4, Е – освобождающаяся энергия.

Химические связи в АТФ между остатками фосфорной кислоты, богатые энергией, называются макроэргическими связями . Отщепление одной молекулы фосфорной кислоты сопровождается выделением энергии – 40 кДж.

АТФ образуется из АДФ и неорганического фосфата за счет энергии, освобождающейся при окислении органических веществ и в процессе фотосинтеза. Этот процесс называется фосфорилированием.

При этом должно быть затрачено не менее 40 кДж/моль энергии, которая аккумулируется в макроэргических связях. Следовательно, основное значение процессов дыхания и фотосинтеза определяется тем, что они поставляют энергию для синтеза АТФ, с участием которой в клетке выполняется большая часть работы.

АТФ чрезвычайно быстро обновляется. У человека, например, каждая молекула АТФ расщепляется и вновь восстанавливается 2 400 раз в сутки, так что ее средняя продолжительность жизни менее 1 мин. Синтез АТФ осуществляется главным образом в митохондриях и хлоропластах (частично в цитоплазме). Образовавшаяся здесь АТФ направляется в те участки клетки, где возникает потребность в энергии.

АТФ играет важную роль в биоэнергетике клетки: выполняет одну из важнейших функций – накопителя энергии, это универсальный биологический аккумулятор энергии.

Молекула нуклеотида имеет в своем составе сахар, фосфат и азотистую основу. Как эти простые компоненты позволяют нуклеотидам объединяться вместе, чтобы создавать такие полимеры, как ДНК и РНК, а также молекулы, несущие энергию, такие как АТФ?

Нуклеотиды: часть структуры ДНК

Что такое нуклеотид? Чтобы это понять, нужно представить себе ДНК. Попав в ядро ​​клетки и распутав хромосомы, можно увидеть тонкую двойную нить. При масштабировании можно увидеть, что каждая из этих нитей состоит из небольших строительных блоков, называемых нуклеотидами.

Если ДНК выглядит как скрученная лестница, каждый строительный блок или нуклеотид включает половину ступени и немного вертикальной части лестницы. Другая половина ступени относится к соседней цепочке ДНК. Нуклеотиды также могут существовать сами по себе или быть частью других важных молекул, помимо ДНК. Например, энергетический носитель АТФ представляет собой форму нуклеотида.

Компоненты нуклеотида

В состав нуклеотида входят такие компоненты, как азотистая основа, сахар и один или несколько фосфатов. Стоит рассмотреть каждый их них более подробно:

• Азотистое основание. Это может быть аденин, тимин, цитозин, гуанин, урацил. Они не являются кислотами, каждый из них содержит несколько атомов азота. Нуклеотиды могут соединяться друг с другом: цитозин всегда составляет пару с гуанином и адениновые пары с тимином в ДНК или урацил в РНК.
• Следующим основным компонентом нуклеотида является сахар. Существует много видов сахара, но здесь важны два: рибоза - это сахар, который вы увидите в РНК. Существует версия рибозы, у которой отсутствует атом кислорода, и он будет называться сахарной дезоксирибозой. Это тип сахара в ДНК-нуклеотидах. Помните, что ДНК - это дезоксирибонуклеиновая кислота.
• Последним основным фрагментом нуклеотида является фосфат. Фосфат представляет собой атом фосфора, связанный с четырьмя атомами кислорода. Связи между фосфатами являются очень высокой энергией и действуют как форма хранения энергии. Когда связь сломана, полученная энергия может быть использована для выполнения работы.

Типы нуклеотидов

Когда нуклеотиды полимеризуются или объединяются вместе, они образуют нуклеиновую кислоту, такую ​​как ДНК или РНК. Каждый нуклеотидный фосфат присоединяется к другому сахару, образуя сахар-фосфатную основу с азотистыми основаниями. Нуклеозид является частью нуклеотида, который состоит только из сахара и основания. Таким образом, мы можем говорить о нуклеотиде как о нуклеозиде и фосфатах:

• Нуклеозид монофосфат представляет собой нуклеотид, который включает в себя один фосфат.
• Нуклеозид дифосфат представляет собой нуклеотид, который включает в себя два фосфата.
• Нуклеозид трифосфат представляет собой нуклеотид, который содержит три фосфата. Нуклеотиды являются строительными блоками ДНК и РНК.

Какие различают типы нуклеотидов, какова их структура и как изменение одного нуклеотида может повлиять на выживание организма?

Нуклеотид - это в биологии... (определение)

ДНК человека состоит из нуклеотидов, которые в основном представляют собой субэлементное измерение ДНК, выстраиваемое парами. Есть около 3 миллиардов этих пар, также называемых парами оснований. Какое можно дать определение нуклеотиду? Каждый сперматозоид и каждая яйцеклетка содержат примерно шесть миллиардов отдельных нуклеотидов в своем ядре, которые организованы в компактные молекулы ДНК. Это облегчает их хранение и перемещение.

Итак, что такое нуклеотиды? Они действуют как особый язык, который используется для написания рецептов химических веществ, создаваемых вашим организмом, в частности белков. Большинство участков нуклеотидов называют нежелательной ДНК, потому что они ничего не кодируют. Тем не менее есть небольшая доля, которая имеет решающее значение для вашего выживания и делает вас такими, какие вы есть. Этот 2 % кода нуклеотидов для каждого белка, который ваш организм производит и имеет на участках ДНК, называемых генами. Каждый ген кодирует цепь аминокислот, которая приводит к образованию определенного белка.

Мутации, которые являются изменениями в ДНК-клетки, с участием одного нуклеотида, могут показаться тривиальными, учитывая, что в геноме человека так много нуклеотидов, но, когда они происходят на определенных генах, они могут привести к опасным для жизни заболеваниям. Чтобы лучше понять этот механизм, нужно сначала взглянуть на некоторые основы нуклеотидов.

Структура нуклеотидов

Нуклеотиды представляют собой мономеры (или строительные блоки) нуклеиновых кислот и состоят из 5-углеродного сахара, фосфатной группы и азотистого основания. Как уже было сказано, сахар и основание вместе образуют нуклеозид. Добавление фосфатной группы превращает молекулу в нуклеотид. Нуклеотиды называются в соответствии с азотистым основанием, которое они содержат, и сахаром, присоединенным к нему (например, дезоксирибозой в ДНК-нуклеотидах и рибозе в РНК). Какие нуклеотиды в ДНК и РНК? Всего существует восемь различных нуклеозидов в ДНК и РНК:

• РНК: аденозин, гуанозин, цитидин, уридин.
• ДНК: дезоксиаденозин, дезоксигуанозин, деоксицитидин, дезокситимидин.

Существуют и другие важные нуклеотиды, такие как те, которые участвуют в метаболизме (например, АТФ) и клеточной передаче сигналов (например, ГТФ).

Связывание нуклеотидов

Для создания цепей полимера (или нескольких единиц), которые приводят к образованию РНК и ДНК, нуклеотиды соединяются друг с другом через сахарофосфатный скелет, который образуется, когда фосфат одного нуклеотида присоединяется к сахару другого. Это возможно благодаря сильным ковалентным связям, называемым фосфодиэфирными связями.

Поскольку ДНК представляет собой двухцепочечную молекулу, две из этих полимерных цепей должны присоединяться друг к другу, как лестница. «Ступеньки» состоят из пар нуклеотидов, которые соединяют две стороны лестницы с помощью водородных связей. Что такое нуклеотид? Это структурная единица ДНК, которая состоит из азотистого основания и сахар-фосфатной основной цепи, состоящей из фосфатной группы и сахара. ДНК состоит из многих нуклеотидов, которые содержат и защищают генетические коды организма.

Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты являются биополимерами, которые наряду с белками играют важную роль в клетках всех живых организмов. Эти соединения ответственны за хранение, передачу и реализацию наследственной информации. Что такое нуклеотиды? Это мономеры нуклеиновых кислот.

Между частями нуклеотида возникают ковалентные химические связи, которые образуются в результате реакций конденсации. Такие реакции являются обратными гидролизу. Интересным фактом является то, что молекулы ДНК обычно не только длиннее, чем молекулы РНК, но и включают в себя две цепочки, которые соединены друг с другом при помощи водородных связей, возникающих между азотистыми основаниями.

Подобно белкам, нуклеиновые кислоты - биополимеры, а их функция заключается в хранении, реализации и передаче генетической (наследственной) информации в живых организмах.

Существует два типа нуклеиновых кислот - дезоксирибонуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК). Мономерами в нуклеиновых кислотах служат нуклеотиды. Каждый из них содержит азотистое основание, пятиуглеродный сахар (дезоксирибоза - в ДНК, рибоза - в РНК) и остаток фосфорной кислоты.

В ДНК входят четыре вида нуклеотидов, отличающихся по азотистому основанию в их составе, - аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимин (Т). В молекуле РНК также имеется 4 вида нуклеотидов с одним из азотистых оснований - аденином, гуанином, цитозином и урацилом (У). Таким образом, ДНК и РНК различаются как по содержанию сахара в нуклеотидах, так и по одному из азотистых оснований (табл. 1).

Таблица 1

Компоненты нуклеотидов ДНК и РНК

Молекулы ДНК и РНК существенно различаются по своему строению и выполняемым функциям.

Молекула ДНК может включать огромное количество нуклеотидов - от нескольких тысяч до сотен миллионов (поистине гигантские молекулы ДНК удается «увидеть» с помощью электронного микроскопа). В структурном отношении она представляет собой двойную спираль из полинуклеотидных цепей (рис. 1), соединенных с помощью водородных связей между азотистыми основаниями нуклеотидов. Благодаря этому полинуклеотидные цепи прочно удерживаются одна возле другой.

При исследовании различных ДНК (у разных видов организмов) было установлено, что аденин одной цепи может связываться лишь с тимином, а гуанин - только с цитозином другой. Следовательно, порядок расположения нуклеотидов в одной цепи строго соответствует порядку их расположения в другой. Этот феномен получил название комплементарности (т. е. дополнения), а противоположные полинуклеотидные цепи называются комплементарными. Именно этим обусловлено уникальное среди всех неорганических и органических веществ свойство ДНК - способность к самовоспроизведению или удвоению (рис. 2). При этом сначала комплементарные цепи молекул ДНК расходятся (под воздействием специального фермента происходит разрушение связей между комплементарными нуклеотидами двух цепей). Затем на каждой цепи начинается синтез новой («недостающей») комплементарной ей цепи за счет свободных нуклеотидов, всегда имеющихся в большом количестве в клетке. В результате вместо одной («материнской») молекулы ДНК образуются две («дочерние») новые, идентичные по структуре и составу друг другу, а также исходной молекуле ДНК. Этот процесс всегда предшествует клеточному делению и обеспечивает передачу наследственной информации от материнской клетки дочерним и всем последующим поколениям.

Рис. 1. Двойная спираль ДНК. Две цепи обвиты одна вокруг другой. Каждая цепь (изображенная в виде ленты) состоит из чередующихся остатков сахара и фосфатных групп. Водородные связи между азотистыми основаниями (А, Т, Г и Ц) удерживают две цепи вместе

Рис. 2. Репликация ДНК. Двойная спираль «расстегивается» по слабым водородным связям, соединяющим комплементарные основания двух цепей. Каждая из старых цепей служит матрицей для образования новой: нуклеотиды с комплементарными основаниями выстраиваются против старой цепи и соединяются друг с другом

Молекулы РНК, как правило, одноцепочечные (в отличие от ДНК) и содержат значительно меньшее число нуклеотидов. Выделяют три вида РНК (табл. 2), различающиеся по величине молекул и выполняемым функциям, - информационную (иРНК), рибосомальную (рРНК) и транспортную (тРНК).

Таблица 2

Три вида РНК

Информационная РНК (и-РНК) располагается в ядре и цитоплазме клетки, имеет самую длинную полинуклеотидную цепь среди РНК и выполняет функцию переноса наследственной информации из ядра в цитоплазму клетки.

Транспортная РНК (т-РНК) также содержится в ядре и цитоплазме клет-ки, ее цепь имеет наиболее сложную структуру, а также является самой короткой (75 нуклеотидов). Т-РНК доставляет аминокислоты к рибосомам в процессе трансляции - биосинтеза белка.

Рибосомальная РНК (р-РНК) содержится в ядрышке и рибосомах клетки, имеет цепь средней длины. Все виды РНК образуются в процессе транскрипции соответствующих генов ДНК.