Нуклеотидууд, ДНХ ба РНХ (Nucleotides, DNA, and RNA)

Амьд биетийн удамшлын мэдээлэл нь нуклейн хүчил хэлбэрээр хадгалагддаг. Нуклейн хүчилд ДНХ (дезоксирибонуклейн хүчил) болон РНХ (рибонуклейн хүчил) хамаарна. Эдгээр нь нуклеотид хэмээх бүтэц нэгжээс тогтсон урт шулуун полимер молекулууд юм. Нуклеотид бүр нь нэг сахар (пентоз), нэг фосфат бүлэг, нэг азотот суурь (пурин эсвэл пиримидин)-аас бүрдэнэ. ДНХ нь РНХ-аас урт бөгөөд амьд биетийн бүх удамшлын мэдээллийг агуулдаг. Харин РНХ нь зөвхөн мэдээллийн хэсгийг агуулдаг ба эс дотор өөр, тусгай үүргүүдийг гүйцэтгэж чаддаг. ДНХ-ийн бүтцийн онцлог нь түүний хос гелий (double helix) хэлбэрт оршино. Энэ нь эсрэг чиглэлтэй, бие биедээ н complément болох хоёр нуклейн хүчлийн гинжээс бүрдэх ба эргүүлэг маягаар мушгиралдан байрладаг. ДНХ-ийн араг яс нь нүүрстөрөгчийн сахар ба фосфатын бүлгүүд ээлжлэн холбогдсон бүтэцтэй бөгөөд энэ нь молекулын гадна хэсэгт байрлана. Харин азотот сууринууд нь гелийн дотор талд байрлаж, устөрөгчийн холбоогоор холбогдсон дараах хослол үүсгэнэ: Аденин ↔ Тимин, Гуанин ↔ Цитозин

Хүний геном нь 3.2 × 10⁹ азотот суурийн хосоос бүрдэх ба эдгээр нь 23 хос хромосом дээр тархан байрласан байдаг. Хромосом бүр нь тодорхой урттай шулуун ДНХ молекул бөгөөд митоз хуваагдлын метафаз үе дээр хамгийн нягтралтай байршсан тул гэрлийн микроскопоор сайн харагддаг. Биеийн ихэнх эсүүдэд хромосомууд хосоороо оршдог. Хос бүрийн нэг нь эцгээс, нөгөө нь эхээс удамшдаг. Эдгээрийг гомолог хромосом гэнэ. Учир нь тэдгээр нь нэг ижил гений хувилбаруудыг агуулдаг. Хромосомын тоо болон бүтцийн өөрчлөлтүүд нь удамшлын эмгэгүүд, хөгжлийн алдаа үүсгэж болдог. Ийм өөрчлөлтийг илрүүлэхийн тулд молекул биологи болон цитогенетикийн аргууд хэрэглэгддэг ба тэдгээр нь олон тохиолдолд оношлогоог тодорхой болгодог.

• Бүтэц: Нуклеотид нь ДНХ болон РНХ-ийн үндсэн бүтцийн нэгж бөгөөд дараах 3 хэсгээс тогтдог:
  • Азотот сууриуд (пурин буюу пиримидин): Азотот суурь нь генетик мэдээлэл хадгалах гол нэгж юм.
    • Пурин: аденин (A), гуанин (G)
    • Пиримидин: цитозин (C), тимин (T) , урацил (U) 
  • Пентоз сахар (рибоз буюу дезоксирибоз)
    • ДНХ: 2’-дезоксирибоз 
      • Рибоз ба дезоксирибоз хоёулаа пентоз сахар бөгөөд 5 нүүрстөрөгчтэй. Дезоксирибоз нь рибозоос 2′-байрлалын гидроксил –OH бүлэг устөрөгч –H-өөр солигдсон байдгаараа ялгаатай. Энэ жижиг ялгаа нь ДНХ-г химийн хувьд илүү тогтвортой болгодог. ДНХ-ийн урт хугацааны мэдээлэл хадгалах үүрэгт чухал нөлөө үзүүлдэг.
    • РНХ: рибоз 
      • Пентоз сахар бөгөөд РНХ-д агуулагддаг. 2′-OH бүлэгтэй тул гидролизод өртөмтгий.
  • Фосфат бүлэг: нэг ба түүнээс олон PO₄³⁻

• Холбоо 
  • Нуклеозид: Азотлог суурь: пурин эсвэл пиримидин + пентоз сахар
    • Энэ хоёр N-гликозидын холбоо (N-glycosidic bond)-гоор холбогддог.
    • Холбоо нь пурин дээр N⁹, пиримидин дээр N¹ атом ба сахарын 1′-нүүрстөрөгчийн хооронд үүснэ.
  • Нуклеотид: Нуклеотид нь нуклеозид  дээр нэг буюу хэд хэдэн фосфат бүлэг холбогдсоноор үүснэ.
    • Фосфат бүлэг нь ихэвчлэн сахарын 5′-нүүрстөрөгч дээр фосфоэфирийн холбоо -гоор холбогддог.

• • • Харин полинуклеотидын гинж үүсэх үед, нуклеотидууд хоорондоо 3′-5′ фосфодиэфирийн холбоо -гоор холбогддог.
      • Энэ холбоо нь нэг нуклеотидын 5′-фосфат бүлэг ба дараагийн нуклеотидын 3′-OH бүлгийн хооронд үүсдэг бөгөөд ингэснээр ДНХ, РНХ-ийн гинж бүрэлддэг. 

Азотлог сууриуд 

• Цитозин (C) – Гуанин (G) хослол: Цитозин нь 3 ширхэг устөрөгчийн холбоо үүсгэгч (донор) агуулна. Гуанин нь 3 ширхэг устөрөгчийн холбоо хүлээн авагч (акцептор) агуулна. 
  • CG хослол нь 3 H-бондтой тул илүү тогтвортой. Харин AT хослол нь 2 H-бондтой.
  • Иймд ДНХ-ийн CG хослолын тоо их байх тусам хайлах температур (Tm) өндөр байдаг.
• Урацилээс гадна нуклейн хүчлийн анхдагч гинж үүссэний дараа бий болдог олон өөр суурь байдаг. Жишээлбэл:
  • Гипоксантин  
    • РНХ-г засварлах үед аденинаас амингүйжүүлэх урвалаар үүснэ.
    • тРНХ-д инозин хэлбэрээр агуулагддаг бөгөөд кодоны гурав дахь суурийн wobble pairing-ыг зөв уншуулахад чухал үүрэгтэй.
  • Ксантин 
    • Пурины солилцооны завсрын бүтээгдэхүүн
    • Гуаниний амингүйжих урвалаар үүсдэг 
  • Пурины нийлэгжилтэнд шаардлагатай амин хүчлүүд 
    • • Глицин 
      • Аспартат 
      • Глутамин 
      • Пурин, пиримидин хэсгээс дэлгэрүүлэн уншина уу.

Нуклеотидууд болон тэдгээрийн уламжлалын биед гүйцэтгэх үүрэг

• Нуклейн хүчлийн бүтэц бүрэлдэхүүн болохын зэрэгцээ нуклеотидууд дараах олон талт үүргийг гүйцэтгэдэг:
• Нуклейн хүчлийн бүтцийн нэгжүүд (Building blocks):
  
  • ДНХ ба РНХ-ийн үндсэн бүтцийн нэгжийг бүрдүүлдэг .
• Энергийн эх үүсвэр (Energy source):
  
  • Нуклеотидууд ялангуяа аденозин трифосфат (АТФ) хэлбэрээр эсийн энергийн хамгийн түгээмэл зөөвөрлөгч болдог. Мөн гуанозин трифосфат (ГТФ) ч энерги нийлүүлэгч үүрэгтэй.
• Дохио молекулууд (Signaling molecules): Нуклеотидын циклик хэлбэрүүд болох
  
  • цАМФ (циклик аденозин монофосфат)
  • цГМФ (циклик гуанозин монофосфат) нь фосфорын эфирийн нэгдлүүд бөгөөд эсийн дотоод дохиоллын зам (second messenger)–д оролцоно .
• Бүлэг шилжүүлэгч урвалд оролцогч (Activators in group transfer reactions): Өндөр энерги бүхий холбоо үүсгэх чадварын ачаар нуклеотидууд молекулыг өөр нэгэн нэгдэлд холбож өгдөг. Үүний жишээ:
  •  UDP-глюкоз: гликоген үүсэхэд идэвхтэй хэлбэрийн глюкоз болгон ашиглагддаг
  • Цитиколин: хүнсний холиныг CTP-ийн оролцоотой идэвхжүүлснээр фосфатидилхолин нийлэгжилд оролцоно
  • 3′-Фосфоаденозин-5′-фосфосульфат (PAPS): сульфолипидийн нийлэгжилд сульфат бүлгийн донороор оролцоно
  • S-аденозилметионин (SAM): метиониноос үүсэх ба метилжүүлэх урвалын кофактор болдог
• Энзимийн үйл ажиллагааны зохицуулга (Enzymatic regulation):
  • GTP нь G уураг (G-protein) -ийн идэвхжлийг дэмжих замаар дохио дамжуулах замын энзимүүдийн үйл ажиллагааг зохицуулдаг.
• Тээвэрлэгч молекулууд (Carrier molecules):
  • Никотинамид аденин динуклеотид (NAD⁺)
  • Флавин аденин динуклеотид (FAD) зэрэг нуклеотидын уламжлалууд нь исэлдэн-ангижрах урвалд оролцдог кофакторууд бөгөөд электроны тээвэрлэлтийг гүйцэтгэнэ.