Nukleotid – definicija, struktura in vloga v DNK ter RNK

Nukleotidi so kemične spojine, gradniki nukleinskih kislin RNK in DNK. Gre za osnovne enote, iz katerih so zgrajene dolge verige nukleinskih kislin; vrstni red nukleotidov nosi genetske informacije in vpliva na delovanje celice.

Struktura nukleotida

Nukleotid je sestavljen iz nukleobaza (dušikova baza), petogljičnega sladkorja (riboze ali 2-deoksiriboze) in ene fosfatne skupine. Nukleobaze so kemično razdeljene v dve skupini: purinsko (adenin, gvanin) in pirimidinsko (citozin, timin ali uracil). Nukleozid je kombinacija nukleobaze in sladkorja (brez fosfata); ko se k temu doda ena ali več fosfatnih skupin, dobimo nukleotid.

Ribonukleotidi so nukleotidi, v katerih je sladkor riboza. Deoksiribonukleotidi so nukleotidi, v katerih je sladkor deoksiriboza. Ključna razlika je prisotnost hidroksilne skupine na 2' ogljiku v ribozi, ki jo deoksiriboza nima — ta 2'‑OH v RNK naredi molekulo bolj reaktivno in manj stabilno kot DNK.

Fosfatna skupina omogoča tvorbo fosfodiesterske vezi med nukleotidi: fosfat na 5' ogljiku enega nukleotida se poveže z 3' hidroksilno skupino (3'‑OH) drugega. To daje verigi smernost od 5' proti 3' (beri: "pet-pri-proti-tri"), kar je pomembno pri replikaciji in transkripciji.

Vrste baz v DNK in RNK ter medsebojno ujemanje

V DNK sta purinski bazi adenin in gvanin, pirimidinski pa timin in citozin. V RNK se namesto timina uporablja uracil. Adenin se s timinom vedno poveže z dvema vodikovima vezema, medtem ko se gvanin s citozinom poveže s tremi vodikovimi vezmi, vsaka zaradi svoje edinstvene strukture.

Ta komplementarnost je osnova za dvojno vijačnico DNK: nukleotidne verige se povezujejo po pravilih parjenja baz (A–T v DNK ali A–U v RNK; G–C). Zaradi tega lahko DNK natančno kopira informacije pri replikaciji, saj posamezna veriga deluje kot predloga za sestavo nove komplementarne verige.

Vloga nukleotidov v celici

Genetska informacija: Nukleotidi v DNK shranjujejo dedne informacije; zaporedje treh nukleotidov (kodon) v mRNA določa aminokislino pri sintezi beljakovin.
Prenos informacij: RNK (mRNA, tRNA, rRNA in druge vrste) prenaša in izvaja informacije iz DNK do translacijskega aparata.
Energijska vloga: Nekateri nukleotidi, posebej trifosfati kot je ATP (adenozin trifosfat), delujejo kot glavna energijska valuta celice, saj sproščanje fosfatnih vezi oskrbuje celico z energijo za biokemijske procese.
Signalizacija: Ciklični nukleotidi (npr. cAMP, cGMP) so pomembni kot sekundarni glasniki v signalnih poteh, ki prenašajo informacije z receptorjev na tarčne beljakovine.
Koencimi: Nukleotidni deli so prisotni v koencimih, kot sta NAD+ in FAD, ki sodelujeta pri oksidacijskih in redukcijskih reakcijah v metabolizmu.

Stabilnost in biološke posledice

Razlika med ribozo in deoksiribozo vpliva na kemično stabilnost: 2'‑OH v ribozi omogoča notranjo nukleofilno napadno reakcijo, zaradi česar je RNK bolj dovzetna za hidrolizo in lomlje pod bazičnimi pogoji. Zato je DNK primernejša za dolgoročno shranjevanje genetskih informacij, medtem ko RNK pogosto opravlja kratkoročne ali katalitične naloge.

Pomen pri molekularnih procesih

Nukleotidi in njihove verige so ključni pri replikaciji DNK, transkripciji (sinteza RNK na predlogi DNK) in translaciji (pretvorba informacij iz mRNA v proteine). Mutacije v zaporedju nukleotidov (zaradi napak pri kopiranju ali kemičnih sprememb, npr. tautomernih premikov baz) lahko spremenijo amino-kislinski zapis in posledično funkcijo beljakovin.

Povzetek ključnih pojmov

Nukleotid: baza + sladkor + fosfat.
Nukleozid: baza + sladkor (brez fosfata).
Fosfodiesterska vez: povezuje nukleotide v verigo (5'→3').
Parjenje baz: A–T (DNK) ali A–U (RNK) s 2 H vezi; G–C s 3 H vezmi.
Funkcije: genetsko shranjevanje, prenos informacij, energija, signalizacija, koencimi.

S tem je jasno, da nukleotidi niso le gradbeni elementi DNK in RNK, temveč večnamenske molekule, ki sodelujejo pri skoraj vseh pomembnih biokemijskih procesih v živi celici.

Struktura riboze z oštevilčenjem ogljikovih atomov. Temu je dodana fosfatna skupina, da postane nukleotid.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj so nukleotidi?

O: Nukleotidi so organske molekule, ki so gradniki nukleinskih kislin RNK in DNK. Sestavljeni so iz nukleobase (dušikova baza), petogljičnega sladkorja (riboze ali 2-deoksiriboze) in ene fosfatne skupine.

V: Kakšna je razlika med ribonukleotidi in deoksiribonukleotidi?

O: Ribonukleotidi vsebujejo sladkor, imenovan riboza, medtem ko deoksiribonukleotidi vsebujejo sladkor, imenovan deoksiriboza.

V: Katere so purinske baze v DNK?

O: Purinski bazi v DNK sta adenin in gvanin.

V: Katera pirimidinska baza se uporablja namesto tima v RNK?

O: V RNK se namesto timina uporablja uracil.

V: Kako se adenin in gvanin povežeta s svojima dušikovima bazama?

O: Adenin se s timinom poveže z dvema vodikovima vezema, medtem ko se gvanin s citozinom zaradi svoje edinstvene strukture poveže s tremi vodikovimi vezmi.

V: Kakšno vlogo imajo nukleotidi pri presnovi na celični ravni?

O: Nukleotidi zagotavljajo kemično energijo za številne celične funkcije, kot so sinteza aminokislin, sinteza beljakovin, sinteza celičnih membran, notranje ali medcelično premikanje celic, delitev celic itd., imajo pomembno vlogo pri celični signalizaciji in delujejo kot kofaktorji encimskih reakcij.

V: Kako je mogoče eksperimentalno označiti nukleotide?

O: Nukleotide lahko označimo z radionuklidom, da eksperimentalno dobimo radionukleotid.