Նուկլեինաթթուներ

Նուկլեինաթթուները և մասնավորապես ԴՆԹ-ն այն հիմնական մակրոմոլեկուլներն են, որոնք ապահովում են կյանքի շարունակականությունը։ ԴՆԹ-ն պարունակում է այն ինֆորմացիան, որը ժառանգականորեն փոխանցվում է ծնողներից երեխաներին։ ԴՆԹ-ն նաև հրահանգավորում է, թե ինչպես (և երբ) է անհրաժեշտ սպիտակուց արտադրել, որպեսզի կառուցվեն ֆունկցիոնալ բջիջներ, հյուսվածքներ ու օրգանիզմներ։

Այն, թե ինչպես է ԴՆԹ-ն կրում այս ողջ տեղեկույթը, և ինչպես են դա օգտագործում բջիջներն ու օրգանիզմները, բավականին բարդ, հետաքրքիր և ուղղակի անհավատալի գործընթաց է։ Մենք այն ավելի մանրամասն կուսումնասիրենք մոլեկուլային կենսաբանության բաժնում: Այս հոդվածում պարզապես մակերեսորեն կհետազոտենք նուկլեինաթթուները՝ որպես մակրոմոլեկուլներ։

Նուկլեինաթթուները՝ մակրոմոլեկուլները, որոնք կազմավորվում են նուկլեոտիդներից, լինում են երկու տեսակի՝ դեզօքսիռիբոնուկլեինաթթու (ԴՆԹ) և ռիբոնուկլեինաթթու (ՌՆԹ)։ ԴՆԹ-ն գենետիկական նյութ է, որը հանդիպում է կենդանի օրգանիզմներում՝ սկսած միաբջիջ բակտերիաներից մինչև բազմաբջիջ կաթնասուններ, ինչպես ես և դուք։ Որոշ վիրուսներ որպես գենետիկական նյութ օգտագործում են ոչ թե ԴՆԹ-ն, այլ ՌՆԹ-ն, բայց դրանք չեն համարվում կենդանի օրգանիզմներ (քանի որ դրանք չեն կարող բազմանալ առանց տեր օրգանիզմի օգնության)։

Կորիզավորների շրջանում, ինչպիսիք են բույսերը ու կենդանիները, ԴՆԹ-ն հանդիպում է կորիզում՝ մասնագիտացված թաղանթապատ պահուստում, ինչպես նաև որոշակի այլ օրգանոիդներում (ինչպիսիք են բուսական բջիջներում առկա քլորոպլաստները)։ Նախակորիզավորների շրջանում, օրինակ՝ բակտերիաների, ԴՆԹ-ն սահմանափակված չէ թաղանթով, թեպետ գտնվում է որոշակի տարածքում, որը կոչվում է նուկլեոիդ։

Էուկարիոտների մոտ ԴՆԹ-ն բաժանված է մի շարք երկար, գծային մասերի, որոնք կոչվում են քրոմոսոմներ։ Պրոկարիոտների դեպքում, օրինակ՝ բակտերիաների մոտ, քրոմոսոմներն ավելի փոքր են և հաճախ՝ շրջանաձև (օղակաձև)։ Քրոմոսոմը կարող է պարունակել տասնյակ հազարավոր գեներ, որոնցից յուրաքանչյուրը հրահանգավորում է, թե ինչպես պատրաստել բջջի համար անհրաժեշտ որոշակի նյութ։

Շատ գեներ կոդավորում են սպիտակուցների կառուցվածքը, ինչը նշանակում է, որ դրանք տեղեկույթ են կրում այն ամիաթթուների հաջորդականության վերաբերյալ, որոնք անհրաժեշտ են տվյալ սպիտակուցը ստանալու համար։ Սակայն նախքան այս տեղեկույթը սպիտակուցի սինթեզի համար օգտագործելը անհրաժեշտ է ունենալ գենի ՌՆԹ պատճենը։ ՌՆԹ-ի այս տեսակը կոչվում է տեղեկատվական ՌՆԹ (տ-ՌՆԹ), քանզի այն ծառայում է որպես տեղեկատվական կապ ԴՆԹ-ի և ռիբոսոմների (մոլեկուլային մեքենաներ, որոնք կարդում են տ-ՌՆԹ-ի հաջարդականությունը և օգտագործում այն սպիտակուց ստեղծելու համար) միջև։ ԴՆԹ-ից ՌՆԹ և ապա սպիտակուց անցման այս գործընթացը կոչվում է մոլեկուլային կենսաբանության «կենտրոնական դոգմա»։

Կարևոր է նշել, որ ոչ բոլոր գեներն են սպիտակուց կոդավորում։ Օրինակ՝ որոշ գեներ կոդավորում են ռիբոսոմային ՌՆԹ (ռ-ՌՆԹ), որոնք ծառայում են որպես ռիբոսոմների կառուցողական մասնիկ։ Իսկ որոշ գեներ կոդավորում են փոխադրող ՌՆԹ (փ-ՌՆԹ)՝ տերևանման ՌՆԹ մոլեկուլներ, որոնք սպիտակուցի սինթեզի համար դեպի ռիբոսոմ են փոխադրում ամինաթթուները։ Մյուս ՌՆԹ մոլեկուլները, ինչպիսիք են փոքրիկ միկրոՌՆԹերը (մի-ՌՆԹ), օգտագործվում են որպես այլ գեների վերահսկողներ։ Այժմ շարունակում են բացահայտվել սպիտակուց չկոդավորող ՌՆԹ-ների նորանոր շղթաներ։

ԴՆԹ-ն և ՌՆԹ-ն պոլիմերմեր են (ԴՆԹ-ի դեպքում շատ երկար պոլիմերներ) և դրանք կազմված են մոնոմերներից, որոնք հայտնի են որպես նուկլեոտիդներ։ Երբ այս մոնոմերները միավորվում են, ստացված շղթան կոչվում է պոլինուկլեոտիդային (պոլի = "շատ"):

Յուրաքանչյուր նուկլեոտիդ կազմված է երեք մասերից՝ ազոտ պարունակող հատված, որ կոչվում է ազոտական հիմք, հնգածխածին շաքար և գոնե մեկ ֆոսֆատային խումբ։ Շաքարի մոլեկուլը նուկլեոտիդում կենտրոնական դիրք ունի։ Դրա մի ածխածինը միանում է հիմքին, իսկ մյուսը՝ ֆորսֆատային խմբին։ Եկեք քննարկենք ամեն բաղկացուցիչ մասն առանձին։

Նուկլեոտիդի ազոտական հիմքերը օրգանական (ածխածնային հիմքով) մոլեկուլներ են, որոնք կազմված են ազոտ պարունակող օղակային կառուցվածքներից։

ԴՆԹ-ի ցանկացած մոլեկուլ պարունակում է հետևյալ 4 ազոտական հիմքերից որևէ մեկը՝ ադենին (Ա), թիմին (Թ), գուանին (Գ) կամ ցիտոզին (Ց)։ Ադենինն ու գուանինը պուրիններ են, ինչը նշանակում է, որ պարունակում են երկու ազոտական-ածխածնային օղակներ։ Ցիտոզինն ու Թիմինը, հակառակը՝ պիրամիդիններ են և պարունակում են միայն մեկ օղակ։ ՌՆԹ նուկլեոտիդները նույնպես կարող են պարունակել ադենին, գուանին և ցիտոզին հիմքերը, բայց թիմինի փոխարեն, այստեղ հանդիպում է ուրացիլը։ Ինչպես ցույց է տրված վերևի նկարում, յուարքանչյուր հիմք ունի յուրահատուկ կառուցվածք՝ իր օղակին ամրացած ֆունկցիոնոալ խմբերի յուրահատուկ հավաքակազմով։

Մոլեկուլային կենսաբանության մեջ հաճախ հիմքերի փոխարեն օգտագործվում են ուղղակի սկզբնատառերը՝ Ա, Թ, Գ, Ց և Ու։ ԴՆԹ-ն պարունակում է Ա, Թ, Գ և Ց, իսկ ՌՆԹ-ն պարունակում է Ա, Ու, Գ, Ց (Թ-ի փոխարեն այստեղ Ու-ն է)։

Հիմքերի տարբեր հավաքակազմեր ունենալուց բացի, ԴՆԹ-ն և ՌՆԹ-ն կազմող նուկլեոիտիդները կազմված են նաև տարբեր շաքարներից։ Հնգածխածին շաքարը, որ հանդիպում է ԴՆԹ-ում, կոչվում է դեզօքսիռիբոզ, իսկ ՌՆԹ-ի շաքարը ռիբոզն է։ Այս երկուսը շատ նման են իրենց կառուցվածքով և ունեն միայն մեկ տարբերություն՝ ռիբոզի երկրորդ ածխածինը միանում է հիդրօքսիլ խմբի, իսկ դեզօքսիռիբոզի երկրորդ ածխածինը դրա փոխարեն միանում է ջրածնի։ Նուկլեոտիդային շաքարի ածխածնային մոլեկուլները համարակալված են 1՛, 2՛, 3՛, 4՛ և 5՛ (1՛-ը կարդացվում է 1 ածանցյալ), ինչպես ցույց է տրված վերին նկարում։ Նուկլեոտիդի մեջ, շաքարը զբաղեցնում է կենտրոնական դիրք։ Նրա 1՛ ածխածինը միացած է հիմքին, իսկ 5՛ ածխածինը՝ ֆոսֆորական խմբին (կամ խմբերին)։

Նուկլեոտիդները կարող են պարունակել միայն մի ֆոսֆատային խումբ, կամ մինչ 3-ի հասնող ֆոսֆատային խմբերի շղթա, որոնք կցված են շաքարի 5՛ ածխածնին։ Որոշ աղբյուրներ օգտագործում են "նուկլեոտիդ" տերմինը միայն մեկ ֆոսֆատային խմբի առկայության դեպքում, բայց մոլեկուլային կենսաբանության մեջ այս եզրույթը կիրառվում է ավելի լայն իմաստով${}^1$‍։

Բջջում, նուկլեոտիդը, որ դեռևս չի կցվել պոլինուկլեոտիդային շղթային, կարող է պարունակել 3 ֆոսֆատային խմբեր։ Երբ նուկլեոտիդը միանում է ԴՆԹ-ի կամ ՌՆԹ-ի աճող շղթային, այն կորցնում է 2 ֆոսֆատային խմբեր։ Այսպիսով՝ ԴՆԹ կամ ՌՆԹ շղթաներում, յուրաքանչյուր նուկլեոտիդ պարունակում է միայն մեկ ֆոսֆատային խումբ։

Նուկլեոտիդային հաջորդականության կառուցվածքի շնորհիվ պոլինուկլետիդային շղթան ունի ուղղվածություն- ինչը նշանակում է, որ երկու ծայրերը տարբերվում են միմյանցից։ 5՛ ծայրում կամ շղթայի սկզբում առաջին նուկլեոտիդի 5՛ ֆոսֆատ խումբը դուրս է մնում։ Հակառակ ծայրում, որը կոչվում է 3՛ ծայր, վերջին ավելացված նուկլեոտիդի 3՛ հիդրօքսիլ խումբն է ազատ մնում։ ԴՆԹ հաջորդականությունը հիմնականում գրվում է 5՛ից 3՛ ուղղությունը, ինչը նշանակոմ է որ 5՛ի նուկլեոտիդը գալիս է առաջինը և 3՛ նուկլեոտիդը ամենավերջում:

Երբ ԴՆԹ-ին կամ ՌՆԹ-ին նոր նուկլեոտիդներ են ավելանում, շղթան աճում է 3՛ ծայորւմ և ամեն ֆոսֆատի 5՛ ծայրը միանում է նախորդի 3՛ հիդրօքսիլ խմբին։ Սրա շնորհիվ առաջանում է շղթա, որի յուրաքանչյուր շաքար միացած է իր հարևաններին կապով, որը կոչվում է ֆոսֆատային կապ:

Դեզօքսիռիբոնուկլեինաթթուների կամ ԴՆԹ-ի շղթաները սովորաբար երկպարույր են, որում 2 կոմպլեմենտար շղթաներ միանում են միմյանց, ինչպես ցույց է տրված ձախակողմյան նկարում։ Շաքարներն ու ֆոսֆատները գտնվում են պարույրից դուրս՝ կառուցելով ԴՆԹ-ի արտաքին շերտը։ ԴՆԹ-ի այս շերտը հաճախ կոչում են շաքար-ֆոսֆատային ողնաշար։ Ազոտային հիմքերը միահյուսվում են ինչպես աստիճանավանդակը՝ զույգերով։ Զույգի հիմքերը կապվում են իրար ջրածնային կապերով։

Երկշղթա պարույրի շղթաները հակառակ ուղղություններ ունեն, ինչը նշանակում է, որ մի շղթայի 5՛ ծայրը միացած է մյուսի 3՛ ծայրին։ (Սա հաճախ անվանում են հակազուգահեռ, և դա շատ կարևոր է ԴՆԹ-ի պատճենման համար)։

Ցանկացած երկու հիմք կարո՞ղ են միանալ իրար և զույգ կազմել երկշղթա պարույրում։ Պատասխանը միանշանակ ոչ է։ Քանզի յուրաքանչյուր հիմք ունի որոշակի կառուցվածք և գործառույթ, զույգերի կազմումը շատ սահմանափակ է․ Ա-ն կարող է միանալ միայն Թ-ին, Գ-ն կրող է միանալ միայն Ց-ին, ինչպես ցույց է տրված ներքևում։ Սա նշանակում է, որ ԴՆԹ-ի պարույրի երկու շղթաները շատ կանխատեսելի հարաբերություններ և կառուցվածք ունեն։

Օրինակ, եթե գիտես, որ շղթաներից մեկի հաջորդականությունը 5՛-ԱԱԹԹԳԳՑՑ-3՛ է, ապա փոխլրացնող շղթան պետք է լինի 3՛-ԹԹԱԱՑՑԳԳ-5՛։ Սրա արդյունքում շղթայի յուրաքանչյուր հիմք համապատասխանում է իր փոխլրացնող զույգին։

Երբ երկու ԴՆԹ հաջորդականություններ համապատասխանում են այսպիսի եղանակով, դրանք կարող են միմյանց միանալ հակազուգահեռ կերպով և կազմել պարույր։ Երկու շղթաները կոչվում են կոմպլեմենտար։

Ռիբոնուկլեինաթթուն (ՌՆԹ), ի տարբերություն ԴՆԹ-ի, միաշղթա է։ ՌՆԹ-ն կազմող նուկլեոտիդները պարունակում են ռիբոզ (հնգածխածին շաքար), չորս ազոտական հիմքերից որևէ մեկը (Ա, Ու, Գ, Ց) և ֆոսֆատային խումբ։ Այստեղ մենք կխոսենք ՌՆԹ-ի 4 հիմնական տեսակների մասին՝ տեղեկատվական ՌՆԹ (տ-ՌՆԹ), ռիբոսոմային ՌՆԹ (ռ-ՌՆԹ), փոխադրող ՌՆԹ (փ-ՌՆԹ) և կարգավորող ՌՆԹներ։

Տեղեկատվական ՌՆԹ-ն (տ-ՌՆԹ) կապ է հաստատում սպիտակուցը կոդավորող գենի և արտադրված սպիտակուցի միջև։ Եթե բջիջը պետք է սինթեզի որևէ սպիտակուց, ապա այդ սպիտակուցը կոդավորող գենը "կակտիվանա", ինչը նշանակում է, որ ՌՆԹ-պոլիմերազը կստեղծի տվյալ գենի ԴՆԹ հաջորդականությանը համապատասխանող ՌՆԹ պատճենը։ Այն պարունակում է նույն տեղեկույթը, ինչը կոդավորված է գենի ԴՆԹ հաջորդականությունում, սակայն ՌՆԹ-ում թիմինը փոխարինվում է ուրացիլով։ Օրինակ եթե ԴՆԹ-ի շղթան ունի այսպիսի կառուցվածք՝ 5՛-ԱԱԹԹԳՑԳՑ-3՛, ապա համապատասխան ՌՆԹ շղթան 5՛-ԱԱՈՒՈՒԳՑԳՑ-3՛։

Երբ արտադրվում է տ-ՌՆԹ, այն ուղվում է դեպի ռիբոսոմ՝ մոլեկուլային մեքենա, որ մասնագիտանում է ամինաթթուներից սպիտակուցներ կառուցելու մեջ։ Ռիբոսոմն օգտագործում է տ-ՌՆԹ-ում կոդավորված տեղեկույթը համապատասխան սպիտակուց արտադրելու համար: Այն կարդում է տ-ՌՆԹ-ի նուկլեոտիդները եռյակներով (կոչվում են կոդոններ) և յուրաքանչյուր կոդոնին համապատասխան ավելացնում է որոշակի ամինաթթու։

Ռիբոսոմային ՌՆԹ-ն (ռ-ՌՆԹ) ռիբոսոմների բաղկացուցիչ մաս է և օգնում է, որ տ-ՌՆԹն միանա ճիշտ վայրում, որպեսզի հնարավոր լինի կարդալ սպիտակուցի հաջորդականության մասին տեղեկույթը։ Որոշ ռ-ՌՆԹ-ներ գործում են որպես ֆերմենտ և օգնում են արագացնել (կատալիզացնել) քիմիական ռեակցիաները, այս դեպքում ՝ ամինաթթուների միջև կապերի առաջացումը, որոնք միավորում են ամինաթթուները սպիտակուց կազմավորելու համար։ ՌՆԹ-ները, որոնք գործում են որպես ֆերմենտներ հայտնի են որպես ռիբոֆերմենտներ։

Փոխադրող ՌՆԹ-ները (փ-ՌՆԹ) նույնպես ներգրավված են սպիտակուցի սինթեզի մեխանիզմում, բայց նրանց աշխատանքը փոխադրելն է՝ մոտեցնել ամինաթթուները ռիբոսոմներին՝ համոզելով, որ ամինաթթուն համապատասխանում է տ-ՌՆԹ-ի հրահանգին։ Փոխադրող ՌՆԹ-ն կազմված է միայն մեկ շղթայից, բայց այս շղթան ունի կոմպլեմենտար հատվածներ, որոնք միանում են իրար, որպեսզի կառուցեն երկշղթա տեղամասերի։ Այս հիմքերի զուգավորումը ստեղծում է 3D բարդ կառուցվածք, որը կարևոր է դրա գործունեության համար։

Սպիտակու չկոդավորող ՌՆԹ-ների մի քանի տեսակներ օգնում են կարգավորել այլ գեների գործառույթը։ Այսպիսի ՌՆԹ-ները կարելի է անվանել կարգավորող ՌՆԹ-ներ։ Օրինակ, միկրոՌՆԹ-ները (միՌՆԹ-ներ) և փոքր միջամտող ՌՆԹ-ներ (սիՌՆԹ-ներ) փոքր կարգավորող մոլեկուլներ են, որոնք մոտ 22 նուկլեոտիդի երկարություն ունեն։ Նրանք միանում են որոշակի տ-ՌՆԹ-ների (մասնակի կամ ամբողջական կոմպլեմենտար հաջորդականություններով) և նվազեցնում են դրանց հաստատունությունը կամ միջամտում տրանսլյացիային, բջջի համար հնարավոր դարձնելով տ-ՌՆԹ-ի մակարդակով դրա կարգավորումը։

Սրանք ուղղակի սպիտակուց չկոդավորող և կարգավորող ՌՆԹ-ների օրինակեր են։ Գիտնականները դեռևս հայտնագործում են ՌՆԹ-ի սպիտակուց չկոդավորող տեսակներ։

Ուզու՞մ ես ավելին իմանալ նուկլեոտիդների զույգերի մասին․ ուսումնասիրիր LabXchange-ից այս թերթվող ինտերակտիվը