ნუკლეინის მჟავები

ნუკლეინის მჟავები, განსაკუთრებით კი დნმ, სიცოცხლის უწყვეტობისთვის უმთავრესი მაკრომოლეკულებია. დნმ-ში ინახება მემკვიდრეობითი ინფორმაცია, რომელიც მშობლიდან შვილს გადაეცემა და წარმოადგენს ინსტრუქციას, თუ როგორ (და როდის) უნდა შეიქმნას ცილები, რომლებიც უჯრედების, ქსოვილებისა და ორგანიზმების ასაშენებლად და შესანარჩუნებლადაა საჭირო.

ძალიან რთული და საინტერესოა ის, თუ როგორ ინახავს დნმ ინფორმაციას, როგორ გამოიყენება იგი უჯრედებისა და ორგანიზმების მიერ. ამ ყველაფერს უფრო დეტალურად ვნახავთ მოლეკულური ბიოლოგიის სექციაში. აქ უბრალოდ მოკლედ განვიხილავთ ნუკლეინის მჟავებს მაკრომოლეკულური პერსპექტივიდან.

ნუკლეინის მჟავები მაკრომოლეკულებია, რომლებიც ნუკლეოტიდებისგან შედგება. ორი სახის ნუკლეინის მჟავა არსებობს: დეზოქსირიბონუკლეინის მჟავა (დნმ) და რიბონუკლეინის მჟავა (რნმ). დნმ გენეტიკური მასალაა, რომელიც ცოცხალ ორგანიზმებში გვხვდება — ერთუჯრედიან ბაქტერიებშიც და ისეთ მრავალუჯრედიან ძუძუმწოვრებშიც, როგორებიც მე და თქვენ ვართ. ზოგიერთი ვირუსი თავის გენეტიკურ მასალად იყენებს რნმ-ს და არა დნმ-ს, თუმცა ისინი, წესით, ცოცხლებად არც ითვლებიან (რადგან მასპინძლის დახმარების გარეშე გამრავლება არ შეუძლიათ).

ეუკარიოტებში, მაგალითად, მცენარეებსა და ცხოველებში, დნმ ბირთვში მდებარეობს, სპეციალურ, მემბრანით შემოსაზღვრულ საცავში და ასევე რამდენიმე სხვა ტიპის ორგანელაში (მიტოქონდრიები და მცენარეების ქლოროპლასტები). პროკარიოტებში, მაგალითად, ბაქტერიებში, დნმ მემბრანული გარსით არ არის შემოსაზღვრული, თუმცა ის უჯრედის სპეციალურ რეგიონში — ნუკლეოიდშია მოთავსებული.

ეუკარიოტებში, დნმ ძირითადად რამდენიმე ძალიან გრძელი, სწორხაზოვანი სტრუქტურითაა წარმოდგენილი, რომელთაც ქრომოსომები ჰქვიათ. პროკარიოტებში კი, მაგალითად, ბაქტერიებში, ქრომოსომები უფრო პატარაა და ხშირად წრიული (რგოლის ფორმის). ქრომოსომა რამდენიმე ათეულ ათას გენს შეიძლება შეიცავდეს, რომელთაგან თითოეული უჯრედისთვის საჭირო პროდუქტის წარმოქმნის ინსტრუქციაა.

ბევრი გენი აკოდირებს ცილას, ანუ, განსაზღვრავს ამინომჟავების თანმიმდევრობას, რომლის მიხედვითაც შემდეგ ცილა აიწყობა. თუმცა სანამ ეს ინფორმაცია ცილის შესაქმნელად გამოიყენება, გენის რნმ-ს ასლი (ტრანსკრიპტი) უნდა გაკეთდეს. ასეთი ტიპის რნმ-ს ინფორმაციული რნმ (ი-რნმ) ჰქვია, რადგან ის დნმ-სა და რიბოსომას შორის ინფორმაციის გაცვლაზეა პასუხისმგებელი. მოლეკულური კომპლექსები კი, რომლებიც ი-რნმ-ს თანმიმდევრობას კითხულობენ, მას ცილების შესაქმნელად იყენებენ. დნმ-ს რნმ-დ, შემდეგ კი რნმ-ს ცილად გარდაქმნის თანმიმდევრულ პროცესს მოლეკულური ბიოლოგიის „ცენტრალური დოგმა” ჰქვია.

მნიშვნელოვანია ვიცოდეთ, რომ ყველა გენი ცილას არ აკოდირებს. ზოგიერთ გენში წერია ინფორმაცია რიბოსომების სტრუქტურული კომპონენტის - რიბოსომულ რნმ-ს (რ-რნმ) შესახებ, ან კოდირებულია ინფორმაცია სატრანსპორტო რნმ-ზე (ტ-რნმ) — სამყურას ფორმის რნმ-ს მოლეკულებზე, რომლებსაც ამინომჟავები რიბოსომასთან მიაქვთ ცილების სინთეზისთვის. სხვა რნმ მოლეკულები, როგორიცაა პატარა მიკრო-რნმ (მ-რნმ), გენების რეგულაციაში მონაწილეობს და არამაკოდირებელი რნმ-ს ახალ სახეებსაც მუდმივად პოულობენ მეცნიერები.

დნმ-ი და რნმ პოლიმერებია (დნმ-ს შემთხვევაში ძალიან გრძელი პოლიმერები), რომლებიც შედგებიან მონომერებისგან ანუ ნუკლეოტიდებისგან. ამ მონომერების გაერთიანებით მიღებულ ჯაჭვს პოლინუკლეოტიდური ჯაჭვი ჰქვია (პოლი- = „ბევრი").

თითოეული ნუკლეოტიდი სამი ნაწილისგან შედგება: აზოტის შემცველი რგოლოვანი სტრუქტურა — აზოტოვანი ფუძე, ხუთნახშირბადიანი შაქარი და სულ მცირე ერთი ფოსფატის ჯგუფი. შაქრის მოლეკულა ნუკლეოტიდის ცენტრში მდებარეობს და მას ერთ-ერთ ნახშირბადზე ფუძე უკავშირდება, მეორეზე კი ფოსფატის ჯგუფი (ან ჯგუფები). მოდით, რიგრიგობით განვიხილოთ ნუკლეოტიდის თითოეული ნაწილი.

ნუკლეოტიდების აზოტოვანი ფუძეები ორგანული (ნახშირბადზე დაფუძნებული) მოლეკულებია, რომლებიც აზოტის შემცველი რგოლოვანი სტრუქტურებისგან შედგება.

დნმ-ში ყველა ნუკლეოტიდი ოთხი შესაძლო ფუძიდან ერთ-ერთს შეიცავს: ადენინი (A), გუანინი (G), ციტოზინი (C) და თიმინი (T). ადენინი და გუანინი პურინებია, რაც ნიშნავს, რომ ისინი ორ, ერთმანეთთან შეზრდილ ნახშირბად-აზოტის რგოლს შეიცავს. ციტოზინი და თიმინი კი პირიმიდინებია და ერთი ნახშირბად-აზოტის რგოლი აქვთ. რნმ-ს ნუკლეოტიდებიც შეიძლება შედგებოდნენ ადენინის, გუანინის ან ციტოზინის ფუძეებისგან, მაგრამ თიმინის ნაცვლად მათ სხვა პირიმიდინი — ურაცილი (U) — აქვთ. როგორც ზედა სურათზეა ნაჩვენები, თითოეულ ფუძეს უნიკალური სტრუქტურა და რგოლთან დაკავშირებული ფუნქციური ჯგუფები აქვს.

მოლეკულური ბიოლოგიის აბრევიატურებში, აზოტოვან ფუძეებს ხშირად ერთასოიანი სიმბოლოებით აღნიშნავენ, A, T, G, C და U. დნმ-ი შეიცავს A-ს, T-ს, G-სა და C-ს, რნმ კი A-ს, U-ს, G-სა და C-ს (T-ს ნაცვლად U).

ცოტათი განსხვავებული ფუძეების გარდა, დნმ-სა და რნმ-ს ნუკლეოტიდები განსხვავებულ შაქრებშაც შეიცავენ. დნმ-ს ხუთნახშირბადიან შაქარს დეზოქსირიბოზა ჰქვია, რნმ-სას კი - რიბოზა. ეს ორი შაქარი სტრუქტურულად ძალიან მსგავსია. განსხვავებაა მხოლოდ ერთია: რიბოზას მეორე ნახშირბადთან ჰიდროქსილის ჯგუფია დაკავშირებული, დეზოქსირიბოზაში კი ამავე ნახშირბადს წყალბადი უკავშირდება. ნუკლეოტიდის შაქრის მოლეკულაში ნახშირბადის ატომები დანომრილია: 1', 2', 3', 4' და 5' (1' იკითხება, როგორც „ერთი პრიმ") ისე, როგორც ზედა სურათზეა ნაჩვენები. ნუკლეოტიდში შაქარი ცენტრშია, მისი ფუძე უკავშირდება 1' ნახშირბადს, ფოსფატის ჯგუფი (ან ჯგუფები) კი - 5' ნახშირბადს.

ნუკლეოტიდები შეიძლება შეიცავდეს ერთ ან რამდენიმე ფოსფატის ჯგუფს, რომელიც შაქრის 5' ნახშირბადთანაა დაკავშირებული. ზოგიერთი ლიტერატურული წყარო ქიმიაში ტერმინ „ნუკლეოტიდს" მხოლოდ ერთი ფოსფატის შემთხვევაში იყენებს, თუმცა მოლეკულურ ბიოლოგიაში ეს ტერმინი ორივე შემთხვევაში მისაღებია$^1$start superscript, 1, end superscript

უჯრედში ნუკლეოტიდს, რომელიც უნდა დაემატოს პოლინუკლეოტიდური ჯაჭვის ბოლოს, სამი ფოსფატური ჯგუფი აქვს. მზარდი დნმ-ის ან რნმ-ის ჯაჭვთან დაკავშირებისას ორი ფოსფატური ჯგუფი იკარგება. შესაბამისად, დნმ-ში ან რნმ-ში ჩართულ თითოეულ ნუკლეოტიდს მხოლოდ ერთი ფოსფატური ჯგუფი რჩება.

ნუკლეოტიდების აგებულების გამო პოლინუკლეოტიდურ ჯაჭვს აქვს მიმართულება, ანუ მას ერთმანეთისგან განსხვავებული ორი ბოლო გააჩნია. 5' ბოლო ჯაჭვის დასაწყისია და მისგან პირველი ნუკლეოტიდის 5' ფოსფატური ჯგუფია „გამოჩრილი". მეორე ბოლოს 3' ბოლო ეწოდება და მის კიდეში ბოლო ნუკლეოტიდის 3' ჰიდროქსილის ჯგუფი მდებარეობს. დნმ-ის თანმიმდევრობა, როგორც წესი, 5'-დან 3'-სკენ იწერება, ანუ 5' ბოლოზე მდებარე ნუკლეოტიდი პირველია, 3'-ზე მდებარე კი — ბოლო.

დნმ-სა და რნმ-ს ჯაჭვებს ახალი ნუკლეოტიდი 3' ბოლოზე ემატება დაგრძელებისას. ახალი ნუკლეოტიდის 5' ფოსფატი ჯაჭვის 3' ბოლოზე მდებარე ჰიდროქსილის ჯგუფს უკავშირდება. ასე იქმნება ჯაჭვი, რომელშიც თითოეული შაქარი მეზობელთან ფოსფოდიესტერული ბმითაა დაკავშირებული.

დეზოქსირიბონუკლეინის მჟავას, ანუ, დნმ-ს, ჯაჭვები ძირითადად ორმაგი სპირალის სახით გვხვდება. ეს არის სტრუქტურა, რომელშიც ორი შესაბამისი (კომპლემენტარული) ჯაჭვი ერთმანეთთანაა დაკავშირებული ისე, როგორც მარცხენა დიაგრამაზეა ნაჩვენები. შაქრები და ფოსფატები სპირალის გარეთაა და დნმ-ს ხერხემალს ქმნის - მოლეკულის ამ ნაწილს ზოგჯერ შაქარ-ფოსფატის ხერხემალს უწოდებენ. აზოტოვანი ფუძეები შიგნითაა მოქცეული ისე, როგორც კიბის საფეხურები, წყვილ-წყვილად. ფუძეთა წყვილები კი ერთმანეთთან წყალბადური ბმებითაა დაკავშირებული.

სპირალის ორი ჯაჭვი საპირისპირო მხარეს მიემართება, რაც იმას ნიშნავს, რომ ერთი ჯაჭვის 5' ბოლო მეორეს 3' ბოლოსთან მდებარეობს. (ამას ანტიპარალელური ორიენტაცია ჰქვია და მნიშვნელოვანია დნმ-ს კოპირებისთვის.)

შეიძლება თუ არა, რომ ნებისმიერი ორი ფუძე ადგეს და გადაწყვიტოს, რომ ერთმანეთთან დაწყვილება სურთ ორმაგ სპირალში? პასუხია - არანაირად. ფუძეების ზომებისა და ფუნქციური ჯგუფების გამო, ისინი მკაცრად განსაზღვრული წესის მიხედვით წყვილდებიან: A-ს მხოლოდ T-სთან შეუძლია დაწყვილდეს, G-ს კი მხოლოდ C-სთან, როგორც ზემოთაა ნაჩვენები. ეს ნიშნავს, რომ დნმ-ს ორმაგი სპირალის ჯაჭვებს ძალიან „პროგნოზირებადი" ურთიერთობა აქვთ ერთმანეთთან.

მაგალითად, თუ ვიცით, რომ ერთი ჯაჭვის თანმიმდევრობაა 5’-AATTGGCC-3', მისი კომპლემენტარული თანმიმდევრობა იქნება 3’-TTAACCGG-5’. ეს თითოეულ ფუძეს საშუალებას აძლევს, რომ თავის მეწყვილეს დაუკავშირდეს:

როცა დნმ-ის ორი თანმიმდევრობა ისე შეესაბამება ერთმანეთს, რომ ისინი ანტიპარალელური განლაგებით უკავშირდება ერთმანეთს და სპირალს ქმნის, მათ კომპლემენტარული ეწოდება.

რიბონუკლეინის მჟავა (რნმ), დნმ-სგან განსხვავებით, ძირითადად ერთჯაჭვიანია. რნმ-ს ჯაჭვში ნუკლეოტიდბი შედგება რიბოზას (ხუთნახშირბადიანი შაქარი), ოთხიდან ერთ-ერთი აზოტოვანი ფუძის (A, U, G ან C) და ფოსფატის ჯგუფისგან. აქ განვიხილავთ რნმ-ს ოთხ ძირითად ტიპს: ინფორმაციულ რნმ-ს (ი-რნმ), რიბოსომულ რნმ-ს (რ-რნმ), სატრანსპორტო რნმ-ს (ტ-რნმ) და არამაკოდირებელ (მარეგულირებელ) რნმ-ს.

ინფორმაციული რნმ (ი-რნმ) არის შუამავალი ცილის მაკოდირებელ გენსა და ცილოვან პროდუქტს შორის. თუ უჯრედს კონკრეტული ცილის შექმნა სჭირდება, ამ ცილის მაკოდირებელი გენი „ჩაირთვება". ეს ნიშნავს, რომ რნმ-ის პოლიმერიზაციის ფერმენტი მივა მასთან და დაიწყებს გენიდან დნმ-თანმიმდევრობის გადაწერას რნმ-ასლის სახით (ანუ ტრანსკრიფციას). ეს ტრანსკრიპტი იმავე ინფორმაციას აკოდირებს, რომელსაც მისი შესაბამისი გენის დნმ-თანმიმდევრობა. მიუხედავად ამისა, რნმ-ის მოლეკულაში ფუძე T შეცვლილია U-თი. მაგალითად, თუ დნმ-ის მაკოდირებელი ჯაჭვის თანმიმდევრობაა ’-AATTGCGC-3’, შესაბამისი რნმ-ის თანმიმდევრობა იქნება 5’-AAUUGCGC-3’.

ი-რნმ-ს აწყობის შემდეგ, იგი რიბოსომას უკავშირდება — მოლეკულურ დანადგარს, რომელიც ამინომჟავებისგან ცილებს ქმნის. რიბოსომა ი-რნმ-ში არსებულ ინფორმაციას იყენებს, რათა სპეციფიკური თანმიმდევრობის მქონე ცილა ააწყოს. ის ი-რნმ-დან სამ-სამი ნუკლეოტიდისგან შემდგარ ჯგუფებს (კოდონებს) ამოიკითხავს და თითოეული კოდონის შესაბამის ამინომჟავას ამატებს ცილის მოლეკულაზე.

რიბოსომული რნმ (რ-რნმ) რიბოსომების მთავარი კომპონენტია, სადაც იგი ეხმარება ი-რნმ-ს, დაუკავშირდეს სწორ უბანს, რათა მის თანმიმდევრობაში კოდირებული ინფორმაციის წაკითხვა მოხერხდეს. ზოგი რ-რნმ ფერმენტის როლსაც ასრულებს, ანუ მონაწილეობს ქიმიური რეაქციების აჩქარებაში (კატალიზაციაში) — ამ შემთხვევაში, ამინომჟავებს შორის ბმების ჩამოყალიბებაში ცილის წარმოსაქმნელად. რნმ-ის მოლეკულებს, რომელთაც ფერმენტის ფუნქციაც აქვთ, რიბოზიმები ეწოდებათ.

სატრანსპორტო რნმ (ტ-რნმ) ცილების სინთეზშიც მონაწილეობს. მას ევალება ამინომჟავების რიბოსომასთან მიტანა და იმაში დარწმუნება, რომ ჯაჭვზე დამატებული ახალი ამინომჟავა სწორედ ისაა, რომელიც ი-რნმ-ში „ეწერა". ტ-რნმ-ს მოლეკულა ერთჯაჭვიანია, თუმცა ამ ჯაჭვს კომპლემენტარული ნაწილები აქვს, რომლებიც ერთმანეთს უკავშირდება და ორჯაჭვიან რეგიონებს წარმოქმნის. ფუძეთა შეწყვილება ქმნის რთულ, სამგანზომილებიან სტრუქტურას, რომელიც მნიშვნელოვანია მოლეკულის ფუნქციონირებისთვის.

ზოგიერთი ტიპის არამაკოდირებელი რნმ (რნმ, რომელიც ცილას არ აკოდირებს) მონაწილეობას იღებს სხვა გენების ექსპრესიის კონტროლში. ასეთ რნმ-ს მარეგულირებელი რნმ შეგვიძლია ვუწოდოთ. მაგალითად, მიკრო-რნმ (მი-რნმ) და მცირე ინტერფერირებადი რნმ si-რნმ, მარეგულირებელი რნმ-ს პატარა მოლეკულებია, რომლებიც დაახლოებით 22 ნუკლეოტიდისგან შედგება. ისინი ი-რნმ-ს მოლეკულების სპეციალურ უბანს უკავშირდებიან (ნაწილობრივ ან სრულად კომპლემენტარული თანმიმდევრობით) და მათს სტაბილურობას ამცირებენ ან მათს ტრანსლაციაში ერთვებიან, რითაც უჯრედს ეხმარებიან ამ ი-რნმ-ს რაოდენობის შემცირებაში ან დარეგულირებაში.

ეს მხოლოდ რამდენიმე მაგალითია არამაკოდირებელი და მარეგულირებელი რნმ-ის მრავალი სახისა. მეცნიერები დღემდე პოულობენ არამაკოდირებელი რნმ-ის ახალ ვარიანტებს.