Русский изменить

Ошибка: нет перевода

×

Нуклеотиды и азотистые основания; цитозин

Main page / Живомордность / Нуклеотиды и азотистые основания; цитозин

Содержание

    На молекулу ДНК мы уже смотрели издалека, видели её структуру двойной спирали и знаем, что она построена из каких-то «нуклеотидов», которых имеется 4 вида, соединенных в очень длинные цепочки, и еще мы знаем, что ДНК используется большинством живых существ для хранения и передачи их наследственной информации, и диаметр двойной спирали ДНК равен 2 нанометрам. Теперь пора взглянуть на неё поближе.

    Давай внимательно посмотрим на левую часть размещенной ниже картинки. Рисунок кажется сложным, но на самом деле сложность эта не слишком большая. Мы видим уже знакомую спираль. Она прослеживается тут не слишком явно, поскольку на картинке изображен каждый атом, от чего возникает впечатление хаотичного их нагромождения. Но все же спираль можно без труда рассмотреть, например проследив её закручивание по желтым атомам фосфора.

     

    ДНК_атомы

    Между двумя нитями, закрученными в спираль, легко видеть своего рода «ступеньки». В левой части рисунка они видны нам в профиль, а в правой части показано, как они выглядят, если взглянуть на них сверху (тут ступеньками являются центральные части, где мы видим много азота). Каждая такая ступенька образована парой нуклеотидов, обозначенных на рисунке буквами Т, А, С и G. Нуклеотид Т, являющийся частью одной нити ДНК, соединяется с нуклеотидом А, являющимся частью другой нити ДНК, и возникает «ступенька». Мы видим, что в структуре каждой ступеньки есть много атомов азота (они обозначены синим цветом), в то время как в закрученных нитях азота нет совсем. С другой стороны, фосфора совсем нет в ступеньках, хотя он есть в закрученных нитях. Атомы углерода, обозначенные серыми шариками, во множестве есть и там и там. Углерод — главный строительный материал органических веществ.

    Мы также видим, что маленьких атомов водорода (белые шарики) полно и там и там. Водород, наряду с углеродом — очень распространенный элемент в органической материи, и атом водорода в самом деле самый маленький из всех — его боровский радиус равен 0.05 нанометра. В ядре углерода 6 протонов, 6 нейтронов, а значит в атоме углерода есть 6 электронов, два из которых занимают 1s орбиталь, еще два занимают 2s орбиталь, и еще два расположены на гантелеообразных орбиталях 2p — по одному электрону на одной орбитали. Наверное будет интересно сравнить их размеры: радиус атома углерода примерно равен 0.1 нм., то есть примерно в два раза больше радиуса водорода, значит размер шариков на рисунке вполне адекватен.

    Кислород тоже присутствует и в мостиках, и в каркасе закрученных нитей.

    На правой части рисунка пунктирными линиями изображены химические связи между двумя нуклеотидами, благодаря которым они и удерживаются вместе, формируя тем самым двойную спираль. Можно обратить внимание, что в каждой такой связи одним из партнеров выступает атом водорода.

    Природа той разновидности химической связи, которая соединяет обе цепи двойной спирали, станет ясна по мере того, как ты будешь читать дальше главы, посвященные устройству атома, а пока ты можешь просто принять к сведению, что связь эта не слишком сильная (есть и сильнее), и не слишком слабая (есть и слабее). Умеренно сильная связь. И в этом есть глубокий смысл. Слишком слабая связь сделала бы молекулу двойной спирали слишком неустойчивой, неподходящей для хранения жизненно важной наследственной информации. Слишком сильная связь сделала бы невозможным или сильно затрудненным процесс управляемого разделения обеих нитей, и это было бы ужасно, так как копирование наследственной информации происходит именно в результате процесса, первым этапом которого является разделение двух нитей.

    Посмотрим еще раз на изображение нуклеотидов. Заметно, что они весьма похожи друг на друга — так вот сходу даже и незаметно, что они чем-то отличаются, так что неудивительно, что сначала ученые полагали, что все нуклеотиды одинаковы. В этой схожести нуклеотидов есть свои плюсы. Во-первых, это удобно для нас, изучающих генетику, тем, что достаточно хорошо разобраться в структуре одного, а устройство остальных уже будет для нас почти знакомым. Во-вторых, это удобно для наших организмов, так как очень похожие детали легче изготавливать, чем совсем разные. Ну можно и упомянуть о минусе такой схожести — они могут начать путаться в нашей голове, когда мы пытаемся запомнить их названия и структуру. Поэтому в этой главе будет разобрано общее строение только одного нуклеотида, но сначала взглянем на нуклеотиды еще раз.

    Можно заметить, что в составе каждого нуклеотида присутствует кольцеобразная структура, похожая также на шестерёнку и «пятерёнку»:) Нуклеотиды А и G имеют две таких структуры, а Т и С — по одной.

    Химическое соединение, содержащее лишь одно такое кольцо, имеет свое название: пиримидин ( pyrimidine [pɪ’rɪmɪdiːn] ). А содержащее два кольца называется пуринpurine [‘pjʊəriːn] ). Отсюда ясно, что два нуклеотида являются пуринами, и еще два — пиримидинами. В спирали ДНК напротив пурина всегда стоит пиримидин, а напротив пиримидина — всегда только пурин. Никогда не бывает такого, чтобы в здоровой спирали ДНК пурин связывался с пурином или пиримидин с пиримидином, и если такое вдруг происходит в результате какого-то нарушения в работе механизмов, регулирующих работу ДНК, то это приводит к проблемам. В силу того, что пурины связаны с пиримидинами на всех уровнях двойной спирали, толщина её одинакова на всем её протяжении, что тоже очень удобно для организации процессов снятия наследственной информации.

    cytosine 3D

    Мы видим, что нуклеотиды являются сложными молекулами. Это тебе не Н2О, тут целая куча атомов, да еще имеющих сложную трехмерную композицию. Но присмотревшись, мы можем выделить три составные части этой сложной молекулы. На рисунке слева показан один из нуклеотидов-пиримидинов.

    Правая его часть, которая и является «ступенькой» двойной спирали и которая содержит атомы азота, обозначенные синими шариками, сразу и отчетливо выделяется на фоне остальных частей молекулы. Эта часть нуклеотида имеет специальное название: азотистое основаниеnucleobase [nj’uːklɪəbeɪs] ). И именно азотистое основание является самой важной частью нуклеотида, потому что разные нуклеотиды отличаются только своими азотистыми основаниями. Остальные две части во всех нуклеотидах идентичны, из них строится внешний «скелет» двойной спирали, который они создают, цепляясь последовательно друг за друга. Именно азотистым основанием отличается один нуклеотид от другого, и, таким образом, именно азотистые основания участвуют в процессе кодирования наследственной информации. Поэтому две остальные части мы пока оставим в стороне, а вот на азотистое основание взглянем поближе.

    Повторим еще раз главное, представив себе двойную спираль ДНК, стоящую вертикально перед нами. Каждый нуклеотид состоит из трех частей, из которых две части не содержат азота и создают каркас двойной спирали. При этом третья часть, содержащая азот — азотистое основание — выставлена внутрь спирали и соединяется с азотистым основанием противоположного нуклеотида, создавая своего рода «лесенку» с плоскими горизонтальными ступеньками, по которым какое-то существо не толще одного нанометра могло бы подниматься с самого низа до самого верха. Путешествие, впрочем, получится ОЧЕНЬ долгим, поскольку средняя длина одной двойной спирали у человека равна 4 см., то есть 40 миллионов нанометров.

     

    cytosine

    Теперь посмотрим на схему слева. Перед нами — азотистое основание нуклеотида, рассмотренного выше. Оно обладает самой простой структурой среди других азотистых оснований ДНК, поэтому мы с него и начнем. Называется оно цитозинcytosine [‘sʌɪtəsiːn] ), и на схемах обозначается латинской буквой «С» согласно первой букве его английского наименования.

    В центре цитозина мы видим так называемое «кольцо», хотя оно в реальности похоже больше на шестиугольник.

     

    benzol

     

    Азотистое основание цитозина является видоизмененной (и очень сильно видоизмененной) молекулой бензолаbenzene [‘benziːn] ), изображенной справа, в которой 6 атомов углерода соединены в шестиугольник, и во все стороны торчат 6 атомов водорода. Углерод — один из очень немногих химических элементов, который может сворачиваться в такие вот кольца. Происходит это сворачивание потому, что такая конфигурация атомов энергетически выгодна. Если атомы какого-то вещества образуют такое кольцо, в котором некоторые атомы связаны двойными связями (что мы видим на рисунке вверху), то это называют «ароматической системой», а вещества, содержащие ароматическую систему, называются ароматическими соединениями ( aromatic compound [ærə’mætɪk ‘kɔmpaund] ). Это не значит, что все они замечательно пахнут:), просто самые первые изученные ароматические соединения пахли неплохо.

    Таким образом мы можем сказать, что все нуклеотиды являются ароматическими соединениями, поскольку содержат в себе видоизмененное бензольное кольцо. И цитозин тоже является ароматическим соединением. Если собрать в одну кучу множество молекул цитозина, то мы увидим перед собой бесцветные кристаллы, которые хорошо растворяются в воде.

    Для того, чтобы нам было удобней ориентироваться в кольце, состоящем из атомов, биохимики вполне разумно решили их пронумеровывать. В цитозиновом кольце решили обозначать номером «1» атом азота, от которого торчит атом водорода — он в кольце такой тут один. А дальше нумерация идет против часовой стрелки, таким образом атом углерода, к которому прикреплен кислород, имеет номер «2», и так далее. Хвостик NH2 прикреплен к 4-му атому кольца.

    cytos

    Еще можно заметить, рассмотрев большую картинку в начале статьи, что когда в спирали ДНК цитозин соединяется с гуанином — азотистым основанием лежащего напротив нуклеотида, то в этом соединении участвуют сразу три атома цитозина: по одному атому водорода, азота и кислорода. Это те три атома, которые на картинке слева лежат в правой части молекулы.

     

     

     

    (Автор статьи: Бодх)