نوکلئوتید چیست؟ – به زبان ساده

می‌دانیم که سلول، کوچکترین واحد مستقل حیات است و برای همه فعالیت‌های خود، به ماده ژنتیکی نیاز دارد که به طور عمده، از جنس DNA است. ساختمان DNA به نوبه خود، از واحدهایی به نام نوکلئوتید تشکیل شده است که اگرچه تعداد آن‌ها محدود است، اما مانند حروف الفبا، دنیای واژگان حیات را پدید می‌آورند. در این نوشتار، به معرفی نوکلئوتیدها و اجزای ساختاری آن‌ها می‌پردازیم. برخی از بازهای تغییریافته موجود در طبیعت را معرفی می‌کنیم و نقش‌های کلیدی نوکلئوتیدها را در برخی از فرایندهای زیستی، مرور می‌کنیم.

نوکلئوتید چیست؟

نوکلئوتید، یک مولکول آلی است که واحد سازنده اسیدهای نوکلئیک DNA و RNA به شمار می‌رود. به جرات می‌توان گفت نوکلئوتیدها درون زنجیره DNA، ماده ژنتیکی همه موجودات زنده شناخته شده را تشکیل می‌دهند و آن را به نسل‌های بعدی منتقل می‌کنند. اما علاوه بر ذخیره و انتقال اطلاعات ژنتیکی،‌ نوکلئوتیدها نقش‌های دیگری را نیز در سلول بر عهده دارند.

به عنوان مثال، می‌توان به عملکرد آن‌ها در قالب مولکول‌های حامل انرژی اشاره کرد. علاوه بر این، نوکلئوتیدها نقش‌هایی را در فرایندهای مربوط به سیگنالینگ (انتقال پیام) سلولی، متابولیسم و ​​واکنش‌های آنزیمی بر عهده دارند.

چهار نوع نوکلئوتید موجود در DNA

چهار باز نیتروژنی آدنین، سیتوزین، گوانین و تیمین در ساختمان DNA به کار می‌روند. در مولکول RNA نوکلئوتید حاوی یوراسیل، جایگزین تیمین می‌شود.

ساختار نوکلئوتید، به تنهایی، ساده است، اما از کنار هم قرار گرفتن نوکلئوتیدها، ساختار بلند و پیچیده‌ای ایجاد می‌شود که ممکن است DNA خطی یا حلقوی، یا هریک از انواع RNA باشد. در ادامه، تصویری از DNA را مشاهده می‌کنید. این مولکول از دو رشته تشکیل شده است که به دور یکدیگر پیچیده شده‌اند. همانطور که در تصویر مشخص است، بهترین آرایش نوکلئوتیدها در حالتی است که حداکثر تعداد پیوندهای هیدروژنی بین آن‌ها ایجاد شود.

پیوند درون هر رشته، از نوع فسفودی‌استری است که یکی از انواع پیوندهای محکم کووالانسی به شمار می‌رود. دو رشته با پیوندهای هیدروژنی به یکدیگر متصل شده‌اند. هرچند این پیوند، به تنهایی، جزو پیوندهای شیمیایی ضعیف به شمار می‌رود، اما خاصیت تعاونی آن موجب می‌شود، در مجموع، یک اتصال قوی بین دو رشته، شکل گیرد و آن را به حالت پایدار نگه دارد. تشکیل چنین ساختار پایداری، به دلیل وجود ویژگی‌های بیوشیمایی نوکلئوتیدهاست که در ادامه به آن‌ها می‌پردازیم.

به دلیل ویژگی‌های بیوشیمیایی، هر نوکلئوتید، فقط می‌تواند با یک نوع نوکلئوتید دیگر، پیوند هیدروژنی برقرار کند و به اصطلاح، جفت شود. این تصویر، پیوند تیمین به آدنین و پیوند گوانین به سیتوزین را نشان می‌دهد. این نوع جفت‌شدگی، به طور معمول در انواع اسیدهای نوکلئیک دیده می‌شود.

اگر رشته‌ای از نوکلئوتیدها، به همین ترتیب، به رشته دیگری جفت شود، سرانجام، مانند یک زیپ، یک مولکول دو رشته‌ای بلند، ایجاد می‌شود که دو زنجیره آن، به دور یک محور فرضی، پیچیده‌اند و در تمام طول خود، کاملا صاف و هموار، هستند. اما اگر در ناحیه‌ای از این مولکول، یک نوکلئوتید، با نوکلئوتید مقابل خود، جفت نشود، به صورت یک برامدگی دیده خواهد شد.

یکی از راه‌هایی که پروتئین‌ها می‌توانند DNA آسیب دیده را ترمیم کنند، شناسایی و اتصال به این نقطه‌های برامده موجود در ساختار DNA است. در این حالت، پروتئین ترمیمی، نوکلئوتید غلط را برش داده و آن را جایگزین می‌کند. ماهیت دورشته‌ای بودن ساختار ژنوم، تضمین می‌کند که خطاهای از این دست، با دقت بالایی قابل اصلاح هستند.

ساختار نوکلئوتید

یک نوکلئوتید از سه قسمت تشکیل شده است:

• یک باز آلی نیتروژن دار
• یک قند 5 کربنی
• یک گروه فسفات

فیلم آموزش بیوشیمی نوکلئوتیدها و اسیدهای نوکلئیک در فرادرس

کلیک کنید

باز آلی نیتروژن دار

باز نیتروژنی، بخش اصل حامل اطلاعات، در ساختار نوکلئوتیدی است. این مولکول‌ها، که دارای گروه‌های عملکردی مختلف هستند، توانایی‌های متفاوتی برای برهم‌کنش با یکدیگر دارند.

بازهای آلی، در دو گروه عمده پورین و پیریمیدین، دسته‌بندی می‌شوند. پورین‌ها بازهای آلی دو حلقه‌ای و پیریمیدین‌ها تک حلقه‌ای هستند. آدنین و گوانین، در گروه پورین‌ها و سیتوزین و تیمین و یوراسیل در گروه پیریمیدین‌ها قرار می‌گیرند. در هر حلقه، اتم‌ها در جهت عقربه ساعت، شماره‌گذاری می‌شوند. در مورد پورین‌ها، اولویت شماره‌گذاری با حلقه شش اتمی است.

آدنین

آدنین، یک پورین است. در DNA، آدنین با تیمین پیوند می‌یابد. اما در RNA، یوراسیل، جایگزین تیمین می‌شود. همانطور که گفتیم، برای شکل‌گیری آدنوزین تری فسفات، یک آدنین نوکلئوتیدی به عنوان پایه اصلی استفاده و سه گروه فسفات، به ترتیب به آن متصل می‌شوند. پیوند بین گروه‌های فسفات، از نوع اتصالات محکم فسفو انهیدریدی (Phosphoanhydride Bonds) یا پیروفسفاتی است و مقدار زیادی انرژی در آن ذخیره می‌شود. در هنگام لزوم، آنزیم‌های خاصی موجب شکستن این اتصالات پایدار می‌شوند و انرژی آزاد شده از این واکنش، به سایر واکنش‌ها و مولکول‌ها منتقل می‌شود.

گوانین

مانند آدنین، گوانین نیز یک نوکلئوتید پورینی است و یک ساختار دوحلقه‌ای دارد. نوکلئوتید حاوی گوانین، در هردو مولکول DNA و RNA با سیتوزین پیوند می‌یابد. همانطور که در تصویر نشان داده شده است، گوانین از طریق سه پیوند هیدروژنی به سیتوزین متصل می‌شود. این ویژگی، باعث می‌شود پیوند سیتوزین-گوانین کمی قوی‌تر از پیوند تیمین-آدنین باشد که فقط دو پیوند هیدروژنی را تشکیل می‌دهند.

سیتوزین

پیریمیدین‌ها دسته دیگر نوکلئوتیدها هستند. سیتوزین، یک نوکلئوتید پیریمیدینی است و در ساختار خود فقط یک حلقه دارد. سیتوزین در DNA و RNA با گوانین جفت می‌شود. این دو، یک جفت محکم را در ساختارهای اسید نوکلئیکی ایجاد می‌کنند.

تیمین

تیمین مانند سیتوزین، یک نوکلئوتید پیریمیدینی است و دارای یک حلقه است. تیمین با آدنین در DNA پیوند می‌یابد. اما در RNA یافت نمی شود.پیوند آدنین-تیمین، فقط حاوی دو پیوند هیدروژنی است و آنها را به جفت ضعیف‌تر تبدیل می‌کند.

اوراسیل

اوراسیل (یوراسیل) نیز یک پیریمیدین است. در حین رونویسی از DNA به RNA، در مقابل آدنین، به جای تیمین، اوراسیل قرار می‌گیرد. دلیل این امر، به طور دقیق،‌ هنوز مشخص نشده است، هرچند مزایا و معایب یوراسیل، مشخص است. بیشتر موجودات از اوراسیل، درون DNA استفاده نمی‌کنند، زیرا عمر آن کوتاه است و ممکن است به سیتوزین تجزیه شود. با این حال، در RNA یوراسیل، نوکلئوتید ارجح است،‌ چرا که RNA نیز مولکولی با طول عمر کوتاه است.

بازهای آلی تغییریافته

علاوه بر چهار نوع باز اصلی اشاره شده در بالا، DNA ممکن است حاوی مقادیر کمی از بازهای تغییریافته‌ باشد. این بازها، پس از تشکیل زنجیره اسید نوکلئیک، تغییر یافته‌اند. برخی از رایج‌ترین بازهای تغییر یافته در DNA عبارتند از:

• 5-متیل سیتوزین
• 5-هیدروکسی متیل سیتوزین
• 5- فلوئوروسیتوزین
• 5- کربوکسی سیتوزین
• 6-متیل آدنین

متیل سیتوزین ($$5-mC$$) فراوان‌ترین باز تغییریافته موجود در ژنوم است و از این رو به عنوان باز پنجم DNA در نظر گرفته می شود. گزارش شده است که بیش از 4٪ سیتوزین‌های موجود در ژنوم انسان، به صورت متیله هستند.

انواع و فراوانی این بازها در RNA بسیار بیشتر است. در واقع،‌ این مولکول، بیش از 140 نوع باز تغییریافته دارد. برخی از این بازها منجر به تشکیل نوکلئوزیدهای زیر، شده‌اند:

•  سودویوریدین (Ψ)
• دی هیدرویوریدین (D)
• اینوزین (I)
• 7-متیل گوانوزین

هیپوزانتین و زانتین دو بازی هستند که در حضور عوامل جهش‌زا (موتاژن) ایجاد می‌شوند، هر دوی این بازها از طریق دآمیناسیون (جایگزینی گروه آمین با یک گروه کربونیل) به وجود می‌آیند. هیپوزانتین از آدنین و زانتین از گوانین تولید می‌شود. و دآمیناسیون سیتوزین، منجر به ایجاد اوراسیل خواهد شد.

قند

بخش دوم نوکلئوتید، قند است. صرف نظر از باز آلی، قند در همه نوکلئوتیدها یکسان به صورت ۵ کربنی (پنتوز) است و تنها تفاوت آن، به DNA و RNA برمی‌گردد. در DNA، قند 5 کربنی دئوکسی ریبوز در زنجیره‌ها وجود دارد، در حالی که در RNA، قند 5 کربنی ریبوز به کار رفته است. در واقع،‌ دلیل نامگذاری این مولکول‌ها نیز، وجود قند متفاوت در آنهاست. DNA مخفف دئوکسی ‌ریبو نوکلئیک اسید و RNA مخفف ریبو نوکلئیک اسید است.

همانطور که در تصویر، مشخص است، کربن‌های قند هم با اعداد ۱ تا ۵، شماره‌گذاری می‌شوند. اما برای متمایز کردن آن‌ها از کربن‌های باز آلی، در کنار هر عدد، علامت بالانویس پریم (') اضافه می‌شود. به این ترتیب، به راحتی می‌گوییم پنتوز، از کربن $$1'$$ خود به باز آلی متصل می‌شود. کربن $$2'$$ آن در ریبوز، دارای یک گروه هیدروکسیل و در دئوکسی ریبوز، فاقد آن است. حالا درک جمله‌های زیر، ساده‌تر می‌شود:

• آنزیم‌های پلیمراز، برای ساخت رشته جدید به سر $$3'-OH$$ آزاد نیاز دارند.
  یعنی آنزیم پلیمراز، خواه در سلول زنده باشد، خواه در ویال PCR، کربن $$3'$$ نوکلئوتید قبلی را به کربن $$5'$$ نوکلئوتید بعدی، پیوند می‌زند. طی این واکنش، یک مولکول آب و یک مولکول پیروفسفات، آزاد می‌شوند.
• رشته جدید اسید نوکليئک، چه DNA باشد و چه RNA، در جهت $$5'$$ به $$3'$$ خود و $$3'$$ به $$5'$$ رشته الگو ساخته می‌شود. 
• در یک رشته اسید نوکلئيکی، جهت خوانش نوکلئوتیدها در جهت $$5'$$ به $$3'$$ است. یعنی، در هر رشته، کربن‌های $$3'$$ و $$5'$$ میانی، همگی در پیوند فسفودی استری، درگیر هستند و به این ترتیب، تنها کربن $$5'$$ اولین نوکلئوتید و کربن $$3'$$ آخرین نوکلئوتید، آزاد هستند که اولی، حاوی یک گروه فسفات و دومی حاوی یک گروه هیدروکسیل است.

وقتی نوکلئوتیدها کنار هم قرار می‌گیرند، در هر نوکلئوتید، اکسیژن موجود بر روی کربن شماره ۳ قند، می‌تواند با گروه فسفات مولکول بعدی پیوند بخورد. این اتصالات محکم کووالانسی،‌ سرانجام، زنجیره‌ای را تشکیل می‌دهند که به «ستون فقرات قند-فسفات» (Sugar-Phosphate Backbone) تبدیل می‌شود. همانطور که می دانید، پیوندهای کووالانسی، بسیار قوی‌تر از پیوندهای هیدروژنی برقرار شده بین دو رشته هستند.

برای انجام فرایندهایی مثل رونویسی یا همانندسازی، پروتئين‌های مخصوصی، رشته‌ها را از هم باز می‌کنند و خواندنِ فقط یک رشته از DNA انجام می‌شود. پس از پایان فرایند و جدا شدن پروتئین‌ها، این دو رشته، دوباره به طرف هم باز می‌گردند و پیوندهای هیدروژنی، شکل می‌گیرد. اسکلت قند-فسفات، در تمام این مدت، متصل باقی مانده است.

گروه فسفات

آخرین بخش ساختار نوکلئوتیدی، گروه فسفات، احتمالاً از یک مولکول مهم دیگر به نام ATP مشتق شده است. آدنوزین تری فسفات، یا ATP، یک مولکول حامل انرژی است که بیشتر زندگی روی زمین برای ذخیره و انتقال انرژی بین واکنش‌ها به آن وابسته است. ATP شامل سه گروه فسفات است که می‌توانند انرژی زیادی را در پیوندهای خود ذخیره کنند. پیوند تشکیل شده در نوکلئوتیدها به عنوان پیوندهای فسفودی استری شناخته می‌شوند، زیرا بین یک گروه فسفات و یک مولکول قند ایجاد می‌شوند.

در طول تکثیر DNA، آنزیمی معروف به DNA پلیمراز، نوکلئوتیدهای صحیح را جمع‌آوری می‌کند و آنها را بر اساس توالی زنجیره الگو، در کنار هم می‌چیند. پروتئین دیگر، آنزیم DNA لیگاز است که با ایجاد پیوند فسفو دی استری بین مولکول قند یک نوکلئوتید و گروه فسفات نوکلئوتید دیگر، کار  ساخت زنجیره جدید را تمام می‌کند. به این ترتیب، اسکلت مولکول ژنتیکی جدید ساخته می‌شود و می‌تواند به نسل بعدی منتقل شود. DNA و RNA حاوی تمام اطلاعات ژنتیکی لازم برای عملکرد سلول‌ها هستند.

تفاوت نوکلئوتید و نوکلئوزید

ترکیب یک باز آلی با یک قند، «نوکلئوزید» را تشکیل می‌دهد. نوکلئوزیدهای هریک از بازهای آلی در جدول زیر آورده شده‌اند.

با افزوده شدن گروه‌های فسفات به نوکلئوزیدها، «نوکلئوتید» شکل می‌گیرد که ممکن است به فرم‌های مونو، دی یا تری فسفات دیده شود.

تفاوت نوکلئوتید و اسید نوکلئیک

همانطور که گفتیم، نوکلئوتیدهای آزاد در سیتوپلاسم و هسته سلول، ممکن است یک، دو یا سه گروه فسفات داشته باشند. در فرایندهای همانندسازی و رونویسی، آنزیم پلیمراز، آن‌ها را در یک رشته، در کنار هم می‌چیند. این واکنش، از نوع واکنش‌های کندانسیون است و طی آن،‌ یک مولکول آب و یک مولکول دوفسفاتی به نام پیروفسفات، آزاد خواهند شد.

از اتصال تعداد کمی نوکلئوتید در کنار هم، یک رشته اولیگونوکلئوتید (مثل پرایمر) به دست می‌آید. اتصال تعداد زیادی نوکلئوتید،‌ منجر به شکل‌گیری یک رشته پلی نوکلئوتید (مثل DNA) می‌شود.

نقش نوکلئوتیدها در بدن

نوکلئوتید، علاوه بر اینکه واحد اصلی ماده ژنتیکی برای همه موجودات زنده است، می‌تواند عملکردهای دیگری نیز داشته باشد. به عنوان مثال، نوکلئوتید می‌تواند یک جزء پایه در مولکول دیگری مانند آدنوزین تری فسفات (ATP) باشد که مولکول اصلی حامل انرژی در سلول است. جالب است بدانید، شکستن پیوند بین هر جفت گروه فسفات این مولکول، در شرایط آزمایشگاهی، حدود 7/۴ و در سلول زنده، حدود 14 کیلوکالری بر مول، انرژی آزاد می‌کند.

AMP حلقوی (cAMP)

مولکول تک نوکلئوتیدی «آدنوزین مونوفسفات» (AMP) حلقوی که به اختصار، cAMP خوانده می‌شود، حاوی تنها یک گروه فسفات است که همزمان به کربن‌های شماره 3 و 5 قند ریبوز، متصل شده و ساختاری حلقوی به خود گرفته است. این مولکول پیام‌رسان، در بسیاری از فرآیندها از جمله تنظیم متابولیسم و ​​انتقال سیگنال‌های شیمیایی به سلول‌ها، نقش‌های کلیدی بر عهده دارد.

pppGpp

این مولکول تک نوکلئوتیدی، از مشتقات گوانین به شمار می‌رود و در آن، کربن‌های شماره ۴ و ۵ قند ریبوز، به ترتیب، حامل ۲ و ۳ گروه فسفات هستند.

نوکلئوتیدهای آدنین‌دار، علاوه بر انتقال پیام، در کوآنزیم‌هایی مانند «نیکوتین آمید آدنین دی نوکلئوتید» (NAD) و فرم فسفاته آن NADP نیز یافت می‌شوند. این کوآنزیم‌ها از ADP مشتق می‌شوند و همراه با فرم‌های احیا شده خود، یعنی NADH و NADPH در بسیاری از واکنش‌های شیمیایی دخیل در متابولیسم، نقش دارند. یکی از این نقش‌ها، حمل الکترون در زنجیره‌های انتقال الکترون میتوکندری است. فلاوین آدنین د‌ی نوکلئوتید (FAD) کوفاکتور دونوکلئوتیدی دیگری است که در آن، یکی از قندهای ریبوز، به صورت خطی درآمده است.

نوکلئوتیدها نه تنها خود، عناصر سازنده حیات را تشکیل می‌دهند، بلکه انواع گوناگونی از مولکول‌های مختلف را نیز تشکیل می‌دهند که عملکرد صحیح همه آن‌ها، ادامه حیات را امکان‌پذیر می‌کند.