АЗОТНИ ОСНОВИ: КЛАСИФИКАЦИЯ И ФУНКЦИИ - БИОЛОГИЯ - 2025

На азотни основи са органични съединения, хетероциклено богати на азот. Те са част от градивните елементи на нуклеиновите киселини и други молекули от биологичен интерес, като нуклеозиди, динуклеотиди и вътреклетъчни пратеници. С други думи, азотните основи са част от единиците, които изграждат нуклеинови киселини (РНК и ДНК) и другите споменати молекули.

Има две основни групи азотни основи: пуринови или пуринови бази и пиримидинови или пиримидинови бази. Аденинът и гуанинът принадлежат към първата група, докато тиминът, цитозинът и урацилът са основи на пиримидин. Тези бази обикновено се означават с първата им буква: A, G, T, C и U.

Различни азотни основи в ДНК и РНК.

Източник: Потребител: Спонтанен превод: Потребител: Jcfidy

Строителните елементи на ДНК са A, G, T и C. В това подреждане на бази се кодира цялата информация, необходима за изграждането и развитието на жив организъм. В РНК компонентите са еднакви, само Т е заменен с U.

Структура и класификация

Азотните основи са плоски молекули от ароматен и хетероцикличен тип, които обикновено се получават от пурини или пиримидини.

Пиримидинов пръстен

Химична структура на пиримидин.

Пиримидиновият пръстен е шестчленни хетероциклични ароматни пръстени с два азотни атома. Атомите са номерирани по посока на часовниковата стрелка.

Пуринов пръстен

Химична структура на пурина.

Пуриновият пръстен се състои от система с два пръстена: единият е структурно подобен на пиримидиновия пръстен, а другият е подобен на имидазоловия пръстен. Тези девет атома са слети в един пръстен.

Пиримидиновият пръстен е плоска система, докато пурините се отклоняват донякъде от този модел. Съобщава се за малка гънка или бръчка между имидазоловия пръстен и пиримидиновия пръстен.

Свойства на азотни основи

Ароматни

В органичната химия ароматен пръстен се определя като молекула, чиито електрони от двойните връзки имат свободна циркулация в цикличната структура. Подвижността на електроните в пръстена дава стабилност на молекулата - ако я сравним със същата молекула-, но с електроните, фиксирани в двойните връзки.

Ароматната природа на тази пръстенова система им дава способността да изпитат феномен, наречен кето-енолов тавтомеризъм.

Тоест пурините и пиримидините съществуват в тавтомерни двойки. Кето тавтомерите преобладават при неутрално рН за основите урацил, тимин и гуанин. За разлика от тях, енолната форма е преобладаваща за цитозин, при неутрално рН. Този аспект е от съществено значение за образуването на водородни връзки между базите.

Поглъщане на UV светлина

Друго свойство на пурините и пиримидините е способността им силно да абсорбират ултравиолетова светлина (UV светлина). Този модел на абсорбция е пряко следствие от ароматността на неговите хетероциклични пръстени.

Абсорбционният спектър има максимум близо 260 nm. Изследователите използват този стандарт, за да определят количеството на ДНК в пробите си.

Разтворимост във вода

Благодарение на силния ароматен характер на азотните основи, тези молекули са практически неразтворими във вода.

Азотни основи от биологичен интерес

Въпреки че има голям брой азотни основи, ние откриваме само няколко естествено в клетъчната среда на живите организми.

Най-често срещаните пиримидини са цитозин, урацил и тимин (5-метилурацил). Цитозин и тимин са пиримидините, които обикновено се намират в ДНК двойната спирала, докато цитозинът и урацилът са често срещани в РНК. Обърнете внимание, че единствената разлика между урацил и тимин е метилова група при въглерод 5.

По подобен начин най-често срещаните пурини са аденин (6-амино пурин) и гуанин (2-амино-6-окси пурин). Тези съединения са в изобилие както в молекулите на ДНК, така и на РНК.

Има и други производни на пурини, които откриваме естествено в клетката, сред тях са ксантин, хипоксантин и пикочна киселина. Първите две могат да бъдат намерени в нуклеиновите киселини, но по много рядък и специфичен начин. За разлика от тях, пикочната киселина никога не се намира като структурен компонент на тези биомолекули.

Как се чифтосват?

Структурата на ДНК е изяснена от изследователи Уотсън и Крик. Благодарение на тяхното изследване беше възможно да се заключи, че ДНК е двойна спирала. Той е съставен от дълга верига от нуклеотиди, свързани с фосфодиестерни връзки, в които фосфатната група образува мост между хидроксилните групи (-OH) на захарните остатъци.

Структурата, която току-що описахме, прилича на стълба заедно със съответния парапет. Азотните основи са аналозите на стълбите, които са групирани в двойната спирала с помощта на водородни връзки.

Във водороден мост два електроотрицателни атома споделят протона между базите. За образуването на водородна връзка е необходимо участието на водороден атом с лек положителен заряд и акцептор с малък отрицателен заряд.

Мостът се образува между Н и О. Тези връзки са слаби и трябва да бъдат, тъй като ДНК трябва да се отвори лесно, за да се възпроизведе.

Правило на Chargaff

Основните двойки образуват водородни връзки, следвайки следния модел на сдвояване на пурин-пиримидин, известен като правилото на Chargaff: двойки гуанин с цитозин и аденинови двойки с тимин.

GC двойката образува три водородни канистри един към друг, докато двойката AT е свързана само от два моста. По този начин можем да прогнозираме, че ДНК с по-високо съдържание на GC ще бъде по-стабилна.

Всяка от веригите (или парапетите по нашата аналогия) се движи в противоположни посоки: една 5 ′ → 3 ′, а другата 3 ′ → 5 ′.

Характеристика

Строителни блокове от нуклеинови киселини

Органичните същества представят вид биомолекули, наречени нуклеинови киселини. Това са много големи полимери, съставени от повтарящи се мономери - нуклеотиди, съединени от специален тип връзка, наречена фосфодиестерна връзка. Те са класифицирани в два основни типа - ДНК и РНК.

Всеки нуклеотид е съставен от фосфатна група, захар (тип дезоксирибоза в ДНК и рибоза в РНК) и една от петте азотни основи: A, T, G, C и U. Когато фосфатната група не присъства, молекулата се нарича нуклеозид.

В ДНК

ДНК е генетичният материал на живите същества (с изключение на някои вируси, които използват главно РНК). Използвайки 4-базисен код, ДНК има последователността за всички протеини, които съществуват в организмите, както и елементи, които регулират тяхната експресия.

Структурата на ДНК трябва да е стабилна, тъй като организмите я използват за кодиране на информация. Това обаче е молекула, предразположена към промени, наречена мутации. Тези промени в генетичния материал са основният материал за еволюционните промени.

В РНК

Подобно на ДНК, РНК е полимер на нуклеотиди, с изключение на това, че основата Т е заместена с U. Тази молекула е под формата на една лента и изпълнява широк спектър от биологични функции.

В клетката има три основни РНК. Messenger RNA е посредник между ДНК и образуването на протеини. Той е отговорен за копирането на информацията в ДНК и пренасянето му в машината за превод на протеини. Ribosomal RNA, втори тип, е структурна част от тази сложна машина.

Третият тип, или трансферната РНК, е отговорен за пренасянето на съответните аминокиселинни остатъци за синтеза на протеини.

В допълнение към трите „традиционни“ РНК, има редица малки РНК, които участват в регулацията на генната експресия, тъй като всички гени, кодирани в ДНК, не могат да бъдат експресирани постоянно и с еднакъв размер в клетка.

Организмите трябва да имат пътища за регулиране на гените си, тоест да решат дали те са експресирани или не. По същия начин генетичният материал се състои само от речник на испански думи, а регулаторният механизъм позволява формирането на литературно произведение.

Строителни блокове от нуклеозидни трифосфати

Азотните основи са част от нуклеозидни трифосфати, молекула, която, подобно на ДНК и РНК, представлява биологичен интерес. В допълнение към основата, тя се състои от пентоза и три фосфатни групи, свързани заедно с високоенергийни връзки.

Благодарение на тези връзки нуклеозид трифосфатите са богати на енергия молекули и са основният продукт на метаболитните пътища, които търсят освобождаването на енергия. Сред най-използваните е ATP.

АТФ или аденозин трифосфатът се състои от азотиста основа аденин, свързан с въглерода, разположен в позиция 1 на пентозен тип захар: рибоза. В позиция пет на този въглехидрат и трите фосфатни групи са свързани.

По принцип ATP е енергийната валута на клетката, тъй като може да се използва и регенерира бързо. Много общи метаболитни пътища сред органичните вещества използват и произвеждат АТФ.

Неговата "мощност" се основава на високоенергийни връзки, образувани от фосфатни групи. Отрицателните заряди на тези групи са в постоянно отблъскване. Има и други причини, които предразполагат хидролиза в АТФ, включително резонансна стабилизация и солватиране.

аутакоид

Въпреки че повечето нуклеозиди нямат значителна биологична активност, аденозинът е забележимо изключение при бозайниците. Това работи като аутакоид, аналог на "местен хормон" и като невромодулатор.

Този нуклеозид циркулира свободно в кръвообращението и действа локално, с различни ефекти върху разширяването на кръвоносните съдове, контракциите на гладката мускулатура, нервните изхвърляния, освобождаването на невротрансмитери и метаболизма на мазнините. Той е свързан и с регулирането на сърдечната честота.

Тази молекула също участва в регулирането на моделите на съня. Концентрацията на аденозин се увеличава и насърчава умората. Ето защо кофеинът ни помага да останем будни: той блокира взаимодействията на невроните с извънклетъчния аденозин.

Структурни блокове от регулаторни елементи

Значителен брой общи метаболитни пътища в клетките имат регулаторни механизми, базирани на нивата на ATP, ADP и AMP. Последните две молекули имат същата структура като ATP, но са загубили съответно една и две фосфатни групи.

Както споменахме в предишния раздел, АТФ е нестабилна молекула. Клетката трябва да произвежда ATP само когато има нужда от нея, тъй като трябва да я използва бързо. Самият АТФ също е елемент, който регулира метаболитните пътища, тъй като присъствието му показва на клетката, че не трябва да произвежда повече АТФ.

За разлика от тях, неговите хидролизирани производни (AMP), предупреждават клетката, че ATP изтече и трябва да произвежда повече. По този начин AMP активира метаболитните пътища за производство на енергия, като гликолиза.

По подобен начин много хормонални сигнали (като тези, участващи в гликогеновия метаболизъм) се медиират вътреклетъчно от cAMP молекули (с е за циклични) или от подобен вариант, но с гуанин в своята структура: cGMP.

Строителни блокове от коензими

При множество стъпки в метаболитните пътища ензимите не могат да действат самостоятелно. Те се нуждаят от допълнителни молекули, за да могат да изпълняват функциите си; Тези елементи се наричат ​​коензими или косубстрати, като последният термин е по-подходящ, тъй като коензимите не са каталитично активни.

В тези каталитични реакции има нужда от прехвърляне на електрони или група от атоми в друг субстрат. Спомагателните молекули, които участват в това явление, са коензими.

Азотните основи са структурни елементи на тези кофактори. Сред най-разпознатите са пиримидиновите нуклеотиди (NAD ⁺, NADP ⁺), FMN, FAD и коензим А. Те участват в много важни метаболитни пътища, като гликолиза, цикъл на Кребс, фотосинтеза и други.

Например, пиримидиновите нуклеотиди са много важни коензими на ензимите с дехидрогеназна активност и са отговорни за транспортирането на хидридни йони.

Препратки

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2013). Съществена клетъчна биология. Garland Science.
2. Cooper, GM, & Hausman, RE (2007). Клетката: молекулен подход. Вашингтон, окръг Колумбия, Съндърланд, МА.
3. Griffiths, AJ (2002). Съвременен генетичен анализ: интегриране на гени и геноми. Macmillan.
4. Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT, & Miller, JH (2005). Въведение в генетичния анализ. Macmillan.
5. Koolman, J., & Röhm, KH (2005). Биохимия: текст и атлас. Panamerican Medical Ed.
6. Passarge, E. (2009). Генетичен текст и атлас. Panamerican Medical Ed.