Нуклеотиды: строение, функции и классификация¶

Нуклеотиды — это органические соединения, являющиеся мономерами нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) и выполняющие ряд самостоятельных биологических функций. Молекула нуклеотида состоит из трёх компонентов: азотистого основания, углевода (пентозы) и одной или нескольких фосфатных групп. Именно последовательность нуклеотидов в полимерной цепи кодирует генетическую информацию живых организмов.

¶Строение

Каждый нуклеотид включает три химически связанные части.

• Азотистое основание — производное пурина или пиримидина. Пуриновые основания (аденин, гуанин) имеют два конденсированных кольца, пиримидиновые (цитозин, тимин, урацил) — одно.
• Пентоза — пятиуглеродный сахар: рибоза в РНК или дезоксирибоза в ДНК. Различие в одной гидроксильной группе определяет большую химическую устойчивость ДНК по сравнению с РНК.
• Фосфатная группа — остаток фосфорной кислоты, присоединённый к сахару. Нуклеотид с одной фосфатной группой называется монофосфатом (например, АМФ), с двумя — дифосфатом (АДФ), с тремя — трифосфатом (АТФ).

Соединение основания с пентозой без фосфата называется нуклеозидом. Связь между основанием и сахаром — гликозидная, между сахаром и фосфатом — фосфоэфирная. В полинуклеотидной цепи нуклеотиды соединяются через фосфодиэфирные связи между 3'- и 5'-углеродными атомами соседних пентоз.

¶Классификация

Нуклеотиды классифицируют по нескольким признакам.

По азотистым основаниям различают аденин (A), гуанин (G), цитозин (C), тимин (T) и урацил (U). В ДНК присутствуют A, G, C и T, в РНК тимин заменён на урацил. Помимо основных, существуют минорные (редкие) основания, встречающиеся в тРНК и некоторых других молекулах.

¶Функции

Нуклеотиды выполняют в клетке несколько групп функций.

Структурная и генетическая. Как мономеры ДНК и РНК они обеспечивают хранение, передачу и реализацию наследственной информации. Комплементарность оснований (A–T, G–C в ДНК; A–U, G–C в РНК) лежит в основе репликации, транскрипции и трансляции.

Энергетическая. АТФ — универсальный источник энергии клетки. Гидролиз его макроэргических связей высвобождает энергию, используемую для биосинтеза, движения, транспорта веществ. Аналогичную роль играют ГТФ, ЦТФ и УТФ.

Коферментная. Нуклеотиды входят в состав важнейших коферментов: НАД, НАДФ, ФАД, кофермента А. Они участвуют в окислительно-восстановительных реакциях и переносе химических групп.

Регуляторная и сигнальная. Циклические нуклеотиды — цАМФ и цГМФ — служат вторичными посредниками (мессенджерами) в передаче сигналов гормонов и других стимулов внутри клетки.

Метаболическая. Нуклеотиды участвуют в синтезе углеводов и липидов, например в переносе сахаров (УДФ-глюкоза) при образовании полисахаридов.

¶Значение и применение

Нуклеотиды — основа молекулярной биологии и биотехнологии. Синтетические нуклеотиды и их аналоги применяются в секвенировании ДНК, полимеразной цепной реакции, создании лекарственных препаратов (противовирусных, противоопухолевых). Нуклеотидные последовательности служат основой генетической дактилоскопии, генной инженерии и разработки вакцин. Понимание структуры и функций нуклеотидов лежит в фундаменте современной генетики, медицины и биоинформатики.