ОСНОВИ АЗОТУ: КЛАСИФІКАЦІЯ ТА ФУНКЦІЇ - БІОЛОГІЯ - 2025

Ці азотисті основи є органічними сполуками heterocyclically багаті азоту. Вони є частиною будівельних блоків нуклеїнових кислот та інших молекул біологічного інтересу, таких як нуклеозиди, динуклеотиди та внутрішньоклітинні месенджери. Іншими словами, азотисті основи є частиною одиниць, що складають нуклеїнові кислоти (РНК та ДНК) та інші згадані молекули.

Існує дві основні групи азотистих основ: пуринові або пуринові основи та піримідинові або піримідинові основи. Аденін та гуанін належать до першої групи, тоді як тимін, цитозин та урацил - основи піримідину. Ці бази зазвичай позначаються їх першою літерою: A, G, T, C і U.

Різні азотисті основи в ДНК та РНК.
Джерело: Користувач: Переклад спонсорів: Користувач: Jcfidy

Структурними блоками ДНК є A, G, T і C. У такому впорядкуванні основ закодована вся інформація, необхідна для побудови та розвитку живого організму. У РНК компоненти однакові, лише Т замінюється на U.

Структура та класифікація

Основи азоту - це плоскі молекули ароматичного та гетероциклічного типу, які, як правило, походять з пуринів або піримідинів.

Піримідинове кільце

Хімічна структура піримідину.

Піримідинове кільце - це шестичленні гетероциклічні ароматичні кільця з двома атомами азоту. Атоми нумеруються за годинниковою стрілкою.

Пуринове кільце

Хімічна структура пурину.

Пуринове кільце складається з двокільцевої системи: одна за структурою схожа на піримідинове кільце, а інша схожа на імідазольне кільце. Ці дев'ять атомів злиті в єдине кільце.

Піримідинове кільце - це плоска система, тоді як пурини дещо відхиляються від цієї картини. Повідомлялося про незначну складку або зморшку між імідазольним кільцем і піримідиновим кільцем.

Властивості азотистих основ

Ароматичність

В органічній хімії ароматичне кільце визначається як молекула, електрони якої з подвійних зв’язків мають вільну циркуляцію в межах циклічної структури. Рухливість електронів усередині кільця надає молекулі стійкість, якщо ми порівнюємо її з тією ж молекулою, але з електронами, закріпленими в подвійних зв’язках.

Ароматична природа цієї кільцевої системи дає їм можливість відчувати явище, яке називається кето-еноловим таутомерізмом.

Тобто пурини та піримідини існують у таутомерних парах. Кето-таутомери переважають при нейтральному рН для основ урацилу, тиміну та гуаніну. На відміну від цього, форма енолу є переважною для цитозину при нейтральному pH. Цей аспект має важливе значення для утворення водневих зв’язків між основами.

Поглинання ультрафіолетовим світлом

Ще одна властивість пуринів і піримідинів - їх здатність сильно поглинати ультрафіолетове світло (УФ-світло). Ця схема поглинання є прямим наслідком ароматичності її гетероциклічних кілець.

Спектр поглинання має максимум близько 260 нм. Дослідники використовують цей стандарт для кількісної оцінки кількості ДНК у своїх зразках.

Розчинність у воді

Завдяки сильному ароматичному характеру азотистих основ ці молекули практично нерозчинні у воді.

Азотні основи, що мають біологічний інтерес

Хоча існує велика кількість азотистих основ, у природному середовищі живих організмів ми знаходимо лише декілька.

Найпоширенішими піримідинами є цитозин, урацил та тимін (5-метилурацил). Цитозин та тимін - це піримідини, які зазвичай знаходяться у подвійній спіралі ДНК, а цитозин та урацил є загальними у РНК. Зауважимо, що єдиною відмінністю урацилу від тиміну є метильна група на вуглеці 5.

Аналогічно, найпоширеніші пурини - аденін (6-аміно-пурин) та гуанін (2-аміно-6-окси-пурин). Ці сполуки в достатку як у молекулах ДНК, так і РНК.

Є й інші похідні пуринів, які ми знаходимо природним чином у клітині, серед них ксантин, гіпоксантин та сечова кислота. Перші дві можна знайти в нуклеїнових кислотах, але дуже рідко і специфічно. Навпаки, сечова кислота ніколи не зустрічається як структурний компонент цих біомолекул.

Як вони спарюються?

Структуру ДНК було з’ясовано дослідниками Уотсоном та Криком. Завдяки їх вивченню вдалося зробити висновок, що ДНК - це подвійна спіраль. Він складається з довгого ланцюга нуклеотидів, пов'язаних фосфодіефірними зв’язками, в яких фосфатна група утворює міст між гідроксильними групами (-OH) залишків цукру.

Щойно описана нами структура нагадує сходи разом із відповідним поручнім. Азотисті основи є аналогами сходів, які групуються у подвійну спіраль за допомогою водневих зв’язків.

У водневому мості два електронегативні атоми ділять протон між основами. Для утворення водневої зв'язку необхідна участь атома водню з невеликим позитивним зарядом і акцептора з малим негативним зарядом.

Міст утворюється між Н і О. Ці зв'язки слабкі, і вони повинні бути, оскільки ДНК повинна легко відкриватися для реплікації.

Правило зарядки

Пара основ утворює водневі зв’язки за наступною схемою спарювання пурину-піримідину, відомою як правило Чаргафа: пари гуаніну з цитозином та пари аденіну з тиміном.

Пара GC утворює три водородні каністри один до одного, тоді як пара AT пов'язана лише двома мостами. Таким чином, ми можемо передбачити, що ДНК з більш високим вмістом GC буде більш стабільною.

Кожна ланцюг (або поручні за нашою аналогією) проходить у протилежних напрямках: одна 5 ′ → 3 ′, а інша 3 ′ → 5 ′.

Особливості

Будівельні блоки нуклеїнових кислот

Органічні істоти представляють тип біомолекул, які називають нуклеїновими кислотами. Це значні полімери, що складаються з повторюваних мономерів - нуклеотидів, з'єднаних спеціальним типом зв’язку, званого фосфодіефірним зв’язком. Їх класифікують на два основні типи - ДНК та РНК.

Кожен нуклеотид складається з фосфатної групи, цукру (типу дезоксирибози в ДНК та рибози в РНК) та однієї з п’яти азотистих підстав: A, T, G, C і U. Коли фосфатної групи немає , молекула називається нуклеозидом.

В ДНК

ДНК - генетичний матеріал живих істот (за винятком деяких вірусів, які в основному використовують РНК). Використовуючи 4-базовий код, ДНК має послідовність для всіх білків, які існують в організмах, а також елементів, що регулюють їх експресію.

Структура ДНК повинна бути стабільною, оскільки організми використовують її для кодування інформації. Однак це молекула, схильна до змін, званих мутаціями. Ці зміни генетичного матеріалу є основним матеріалом для еволюційних змін.

В РНК

Як і ДНК, РНК є нуклеотидним полімером, за винятком того, що підстава Т заміщена U. Ця молекула знаходиться у формі єдиної смуги і виконує широкий спектр біологічних функцій.

У клітині є три основні РНК. РНК-месенджер - це посередник між ДНК та утворенням білка. Він відповідає за те, щоб скопіювати інформацію в ДНК та віднести її до машини перекладу білка. Рибосомальна РНК, другий тип, є структурною частиною цього складного обладнання.

Третій тип, або переносна РНК, відповідає за перенесення відповідних амінокислотних залишків для синтезу білків.

На додаток до трьох "традиційних" РНК, існує ряд невеликих РНК, які беруть участь у регуляції експресії генів, оскільки всі гени, закодовані в ДНК, не можуть експресуватися постійно і з однаковою величиною в клітині.

Організми повинні мати шляхи регулювання своїх генів, тобто вирішувати, експресуються вони чи ні. Так само генетичний матеріал складається лише зі словника іспанських слів, а регулятивний механізм дозволяє формувати літературний твір.

Будівельні блоки трифосфатів нуклеозидів

Основи азоту - це частина трифосфатів нуклеозидів, молекули, яка, як і ДНК та РНК, представляє біологічний інтерес. Крім основи, він складається з пентози та трьох фосфатних груп, пов'язаних між собою за допомогою високоенергетичних зв'язків.

Завдяки цим зв’язкам нуклеозидні трифосфати є багатими енергією молекулами і є основним продуктом метаболічних шляхів, які прагнуть вивільнення енергії. Серед найбільш використовуваних - АТФ.

АТФ або аденозинтрифосфат складається з аденістого основи аденіну, пов'язаного з вуглецем, розташованим у положенні 1 цукру пентозного типу: рибоза. У положенні п'ятому цього вуглеводу всі три фосфатні групи пов'язані.

Взагалі, АТФ - це енергія валюти клітини, оскільки її можна швидко використовувати та регенерувати. Багато загальних метаболічних шляхів серед органічних речовин використовують і виробляють АТФ.

Його "потужність" заснована на високоенергетичних зв'язках, утворених фосфатними групами. Негативні заряди цих груп знаходяться в постійному відштовхуванні. Є й інші причини, що зумовлюють гідроліз в АТФ, включаючи резонансну стабілізацію та сольвацію.

Аутакойд

Хоча більшості нуклеозидів не вистачає значної біологічної активності, аденозин є помітним винятком у ссавців. Це працює як аутакоїд, аналог «місцевого гормону» і як нейромодулятор.

Цей нуклеозид вільно циркулює в крові і діє місцево, впливаючи на розширення кровоносних судин, скорочення гладких м’язів, нервові розряди, вивільнення нейромедіаторів та обмін жиру. Це також пов'язано з регуляцією серцевого ритму.

Ця молекула також бере участь у регуляції структури сну. Концентрація аденозину збільшується і сприяє втомі. Ось чому кофеїн допомагає нам залишатися неспаними: він блокує взаємодію нейронів з позаклітинним аденозином.

Структурні блоки регуляторних елементів

Значна кількість загальних метаболічних шляхів у клітинах має регуляторні механізми, засновані на рівнях АТФ, АДФ та АМФ. Ці дві останні молекули мають таку ж структуру, що і АТФ, але втратили відповідно одну і дві фосфатні групи.

Як ми згадували в попередньому розділі, АТФ - це нестабільна молекула. Клітина повинна виробляти АТФ лише тоді, коли вона потребує її, оскільки вона повинна швидко її використовувати. Сам АТФ також є елементом, який регулює метаболічні шляхи, оскільки його присутність вказує клітині, що вона не повинна виробляти більше АТФ.

Навпаки, його гідролізовані похідні (АМФ) попереджають клітину про те, що АТФ закінчується та має виробляти більше. Таким чином, AMP активує метаболічні шляхи для отримання енергії, такі як гліколіз.

Аналогічно, багато гормональних сигналів (наприклад, тих, що беруть участь у метаболізмі глікогену) опосередковуються внутрішньоклітинно молекулами cAMP (c - циклічно) або аналогічним варіантом, але з гуаніном у своїй структурі: cGMP.

Складові коферменти

На декількох етапах метаболічних шляхів ферменти не можуть діяти окремо. Їм потрібні додаткові молекули, щоб вони могли виконувати свої функції; Ці елементи називаються коферментами або косубстратами, останній термін є більш відповідним, оскільки коферменти не є каталітично активними.

У цих каталітичних реакціях виникає необхідність перенесення електронів або групи атомів на інший субстрат. Допоміжні молекули, які беруть участь у цьому явищі, є коферментами.

Основи азоту є структурними елементами цих кофакторів. Серед найбільш визнаних - нуклеотиди піримідину (NAD ⁺ , NADP ⁺ ), FMN, FAD та коензим А. Вони беруть участь у дуже важливих метаболічних шляхах, таких як гліколіз, цикл Кребса, фотосинтез тощо.

Наприклад, нуклеотиди піримідину є дуже важливими коферментами ферментів, що мають активність дегідрогенази, і відповідають за транспортування гідрид-іонів.

Список літератури

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2013). Основна клітинна біологія. Гарленд Наука.
2. Cooper, GM, & Hausman, RE (2007). Клітина: молекулярний підхід. Вашингтон, округ Колумбія, Сандерленд, Массачусетс.
3. Griffiths, AJ (2002). Сучасний генетичний аналіз: інтеграція генів і геномів. Макміллан.
4. Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT, & Miller, JH (2005). Вступ до генетичного аналізу. Макміллан.
5. Koolman, J., & Röhm, KH (2005). Біохімія: текст та атлас. Panamerican Medical Ed.
6. Пасаж, Е. (2009). Генетичний текст та атлас. Panamerican Medical Ed.