Βάσεις αζώτου

Γενικότητα

Οι βάσεις αζώτου είναι αρωματικές ετεροκυκλικές οργανικές ενώσεις, που περιέχουν άτομα αζώτου, τα οποία συμμετέχουν στη σύσταση των νουκλεοτιδίων.
Καρπός της ένωσης αζωτούχου βάσης, πεντόζης (δηλαδή ζάχαρη με 5 άτομα άνθρακα) και φωσφορικής ομάδας, τα νουκλεοτίδια είναι οι μοριακές μονάδες που αποτελούν τα νουκλεϊκά οξέα DNA και RNA.
Στο DNA, οι αζωτούχες βάσεις είναι: αδενίνη, γουανίνη, κυτοσίνη και θυμίνη. στο "RNA, είναι τα ίδια, εκτός από τη θυμίνη, στη θέση της οποίας το c" είναι μια αζωτούχος βάση που ονομάζεται ουρακίλη.
Σε αντίθεση με εκείνες του RNA, οι αζωτούχες βάσεις του DNA σχηματίζουν ζεύγη ή ζεύγη βάσεων Η παρουσία ενός τέτοιου ζευγαρώματος είναι δυνατή επειδή το DNA έχει δίκλωνη δομή νουκλεοτιδίων.
Η γονιδιακή έκφραση εξαρτάται από την αλληλουχία των αζωτούχων βάσεων που συνδέονται με τα νουκλεοτίδια του DNA.

Τι είναι οι αζωτούχες βάσεις;

Οι βάσεις αζώτου είναι τα οργανικά μόρια, που περιέχουν άζωτο, τα οποία συμμετέχουν στη σύσταση των νουκλεοτιδίων.
Τα νουκλεοτίδια που σχηματίζονται καθένα από μια αζωτούχο βάση, ένα σάκχαρο 5 άνθρακα (πεντόζη) και μια φωσφορική ομάδα, είναι οι μοριακές μονάδες που αποτελούν τα νουκλεϊκά οξέα DNA και RNA.
Τα νουκλεϊκά οξέα DNA και RNA είναι τα βιολογικά μακρομόρια, από τα οποία εξαρτάται η ανάπτυξη και η σωστή λειτουργία των κυττάρων ενός ζωντανού όντος.

ΟΙ ΝΙΤΡΟΓΟΝΕΣ ΒΑΣΕΙΣ ΤΩΝ ΠΥΡΗΝΙΚΩΝ ΟΞΕΩΝ

Οι αζωτούχες βάσεις που αποτελούν τα νουκλεϊκά οξέα DNA και RNA είναι: αδενίνη, γουανίνη, κυτοσίνη, θυμίνη και ουρακίλη.
Η αδενίνη, η γουανίνη και η κυτοσίνη είναι κοινά και στα δύο νουκλεϊκά οξέα, δηλαδή αποτελούν μέρος τόσο των νουκλεοτιδίων DNA όσο και των νουκλεοτιδίων RNA. Η θυμίνη είναι αποκλειστική για το DNA, ενώ η ουρακίλη είναι αποκλειστική για το RNA.
Κάνοντας μια σύντομη περίληψη, λοιπόν, οι αζωτούχες βάσεις που σχηματίζουν ένα νουκλεϊκό οξύ (είτε πρόκειται για DNA είτε για RNA) ανήκουν σε 4 διαφορετικούς τύπους.

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΙΚΕΣ ΒΑΣΕΙΣ ΑΖΩΤΟΥ

Χημικοί και βιολόγοι θεώρησαν σκόπιμο να συντομεύσουν τα ονόματα των αζωτούχων βάσεων με ένα μόνο γράμμα του αλφαβήτου. Με αυτόν τον τρόπο, διευκόλυναν και γρηγορότερα την αναπαράσταση και περιγραφή των νουκλεϊκών οξέων σε κείμενα.
Η «αδενίνη συμπίπτει με το κεφαλαίο γράμμα Α · η γουανίνη με το κεφαλαίο γράμμα G · η κυτοσίνη με το κεφαλαίο γράμμα Γ · η θυμίνη με το κεφαλαίο γράμμα Τ · τέλος, η λ» ουρακίλη με το κεφαλαίο γράμμα U.

Τάξεις και δομή

Υπάρχουν δύο κατηγορίες αζωτούχων βάσεων: η κατηγορία των αζωτούχων βάσεων που προέρχονται από την πυριμιδίνη και η κατηγορία των αζωτούχων βάσεων που προέρχονται από την πουρίνη.

Εικόνα: γενική χημική δομή πυριμιδίνης και πουρίνης.

Οι αζωτούχες βάσεις που προέρχονται από την πυριμιδίνη είναι επίσης γνωστές με τις εναλλακτικές ονομασίες: αζωτούχων βάσεων πυριμιδίνης ή πυριμιδίνης. ενώ οι αζωτούχες βάσεις που προέρχονται από πουρίνη είναι επίσης γνωστές με τους εναλλακτικούς όρους των: αμινογόνων βάσεων πουρίνης ή πουρίνης.
Η κυτοσίνη, η θυμίνη και η ουρακίλη ανήκουν στην κατηγορία των αζωτούχων βάσεων πυριμιδίνης. η αδενίνη και η γουανίνη, από την άλλη πλευρά, αποτελούν την κατηγορία των αζωτούχων βάσεων πουρίνης.

Παραδείγματα παραγώγων πουρίνης, εκτός των αζωτούχων βάσεων του DNA και του RNA
Μεταξύ των παραγώγων πουρίνης, υπάρχουν επίσης οργανικές ενώσεις που δεν είναι αζωτούχες βάσεις DNA και RNA. Για παράδειγμα, ενώσεις όπως η καφεΐνη, η ξανθίνη, η υποξανθίνη, η θεοβρωμίνη και το ουρικό οξύ ανήκουν στην παραπάνω κατηγορία.

ΤΙ ΕΙΝΑΙ ΝΙΤΡΟΓΟΝΕΣ ΒΑΣΕΙΣ ΑΠΟ ΤΟ ΧΗΜΙΚΟ ΣΗΜΕΙΟ ΘΕΩΡΗΣΗΣ;

Οι οργανικοί χημικοί ορίζουν τις αζωτούχες βάσεις και όλα τα παράγωγα πουρίνης και πυριμιδίνης ως αρωματικές ετεροκυκλικές ενώσεις.

• Μια ετεροκυκλική ένωση είναι μια ένωση οργανικού δακτυλίου (ή κυκλικού) η οποία, στον προαναφερθέντα δακτύλιο, έχει ένα ή περισσότερα άτομα άλλα από τον άνθρακα. Στην περίπτωση των πουρινών και των πυριμιδινών, τα άλλα άτομα εκτός του άνθρακα είναι τα άτομα αζώτου.
• Μια αρωματική ένωση είναι μια οργανική ένωση δακτυλίου που έχει δομικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά παρόμοια με αυτά του βενζολίου.

ΔΟΜΗ

Εικόνα: χημική δομή του βενζολίου.

Η χημική δομή των αζωτούχων βάσεων που προέρχονται από πυριμιδίνη αποτελείται κυρίως από έναν μονό δακτύλιο με 6 άτομα, εκ των οποίων 4 είναι άνθρακας και 2 εκ των οποίων άζωτο.

Στην πραγματικότητα, μια βάση αζώτου πυριμιδίνης είναι μια πυριμιδίνη με έναν ή περισσότερους υποκαταστάτες (δηλαδή ένα μόνο άτομο ή ομάδα ατόμων) συνδεδεμένους με ένα από τα άτομα άνθρακα του δακτυλίου.
Από την άλλη πλευρά, η χημική δομή των αζωτούχων βάσεων που προέρχονται από πουρίνη αποτελείται κυρίως από ένα διπλό δακτύλιο με 9 συνολικά άτομα, 5 από τα οποία είναι άνθρακας και 4 από τα οποία είναι άζωτο. Ο προαναφερθείς διπλός δακτύλιος με 9 συνολικά άτομα προέρχεται από τη σύντηξη ενός πυριδιμινικού δακτυλίου (δηλαδή του δακτυλίου πυριμιδίνης) με έναν δακτύλιο ιμιδαζόλης (δηλαδή τον δακτύλιο ιμιδαζόλης, μια άλλη ετεροκυκλική οργανική ένωση).

Εικόνα: δομή της ιμιδαζόλης.

Όπως είναι γνωστό, ο δακτύλιος πυριμιδίνης περιέχει 6 άτομα. ενώ ο δακτύλιος ιμιδαζόλης περιέχει 5. Με τη σύντηξη, οι δύο δακτύλιοι τοποθετούν κοινά δύο άτομα άνθρακα το καθένα και αυτό εξηγεί γιατί η τελική δομή περιέχει, συγκεκριμένα, 9 άτομα.

ΘΕΣΗ ΑΤΟΜΩΝ ΑΣΤΡΟΦΟΥ ΣΕ ΠΟΥΡΙΝΕΣ ΚΑΙ ΠΥΡΙΜΙΔΙΝΕΣ

Για να απλοποιήσουν τη μελέτη και την περιγραφή των οργανικών μορίων, οι οργανικοί χημικοί σκέφτηκαν να εκχωρήσουν έναν αριθμό αναγνώρισης στους άνθρακες και σε όλα τα άλλα άτομα των υποστηρικτικών δομών. Η αρίθμηση ξεκινά πάντα από το 1, βασίζεται σε πολύ συγκεκριμένα κριτήρια εκχώρησης (τα οποία, εδώ, είναι καλύτερα να παραλείψουμε) και χρησιμεύει για τον καθορισμό της θέσης κάθε ατόμου μέσα στο μόριο.
Για τις πυριμιδίνες, τα αριθμητικά κριτήρια εκχώρησης καθορίζουν ότι τα 2 άτομα αζώτου καταλαμβάνουν τη θέση 1 και τη θέση 3, ενώ τα 4 άτομα άνθρακα βρίσκονται στη θέση 2, 4, 5 και 6.
Για τις πουρίνες, από την άλλη πλευρά, τα αριθμητικά κριτήρια εκχώρησης καθορίζουν ότι τα 4 άτομα αζώτου καταλαμβάνουν τη θέση 1, 3, 7 και 9, ενώ τα 5 άτομα άνθρακα βρίσκονται στη θέση 2, 4, 5, 6 και 8.

Θέση στα νουκλεοτίδια

Η αζωτούχος βάση ενός νουκλεοτιδίου ενώνει πάντα τον άνθρακα στη θέση 1 της αντίστοιχης πεντόζης, μέσω ενός ομοιοπολικού Ν-γλυκοσιδικού δεσμού.
Συγκεκριμένα,

• ο αζωτούχες βάσεις που προέρχονται από πυριμιδίνη σχηματίζουν τον Ν-γλυκοσιδικό δεσμό, μέσω του αζώτου τους στη θέση 1.
• Ενώ το αζωτούχες βάσεις που προέρχονται από πουρίνη σχηματίζουν τον Ν-γλυκοσιδικό δεσμό, μέσω του αζώτου τους στη θέση 9.

Στη χημική δομή των νουκλεοτιδίων, η πεντόζη αντιπροσωπεύει το κεντρικό στοιχείο, στο οποίο δεσμεύεται η αζωτούχος βάση και η φωσφορική ομάδα.
Ο χημικός δεσμός που ενώνει τη φωσφορική ομάδα με την πεντόζη είναι τύπου φωσφοδιεστέρα και περιλαμβάνει οξυγόνο της φωσφορικής ομάδας και τον άνθρακα στη θέση 5 της πεντόζης.

ΠΟΤΕ ΤΟ ΝΙΤΡΟΓΕΝΟ ΒΑΖΕΙ ΜΟΡΦΗ ΝΟΥΚΛΕΟΣΙΔΙΟΥ;

Ο συνδυασμός αζωτούχου βάσης και πεντόζης σχηματίζει ένα οργανικό μόριο που παίρνει το όνομα νουκλεοζίτη.
Ως εκ τούτου, είναι η προσθήκη της φωσφορικής ομάδας που μετατρέπει τα νουκλεοζίδια σε νουκλεοτίδια.
Επιπλέον, σύμφωνα με έναν συγκεκριμένο ορισμό των νουκλεοτιδίων, αυτές οι οργανικές ενώσεις θα ήταν "νουκλεοσίδες που έχουν μία ή περισσότερες φωσφορικές ομάδες συνδεδεμένες με τον άνθρακα 5 της συστατικής πεντόζης".

Οργάνωση στο DNA

Το DNA, ή δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ, είναι ένα μεγάλο βιολογικό μόριο που αποτελείται από δύο πολύ μακριές αλυσίδες νουκλεοτιδίων (ή αλυσίδες πολυνουκλεοτιδίων).
Αυτά τα νήματα πολυνουκλεοτιδίων έχουν ορισμένα χαρακτηριστικά, τα οποία αξίζουν ιδιαίτερης αναφοράς επειδή επηρεάζουν επίσης στενά τις αζωτούχες βάσεις:

• Είναι ενωμένοι μεταξύ τους.
• Προσανατολίζονται σε αντίθετες κατευθύνσεις ("αντιπαράλληλα νήματα").
• Τυλίγονται μεταξύ τους, σαν να ήταν δύο σπείρες.
• Τα νουκλεοτίδια που τα αποτελούν έχουν τέτοια διάταξη, έτσι ώστε οι αζωτούχες βάσεις να προσανατολίζονται προς τον κεντρικό άξονα κάθε σπείρας, ενώ οι πεντόζες και οι φωσφορικές ομάδες σχηματίζουν την εξωτερική σκαλωσιά της τελευταίας.
  Η μοναδική διάταξη των νουκλεοτιδίων προκαλεί τη σύνδεση κάθε αζωτούχου βάσης ενός από τα δύο πολυνουκλεοτιδικά νήματα, μέσω δεσμών υδρογόνου, σε μια αζωτούχο βάση που υπάρχει στο άλλο νήμα. Αυτή η ένωση, επομένως, δημιουργεί ένα ζεύγος βάσεων, ζευγαρώνοντας τους βιολόγους και τους γενετιστές ονομάστε το ζεύγος ή ζεύγος βάσης.
  Poc "πράγματι έχει επιβεβαιωθεί ότι τα δύο νήματα ενώνονται μεταξύ τους: για να προσδιοριστεί η ένωση είναι οι δεσμοί που υπάρχουν μεταξύ των διαφόρων αζωτούχων βάσεων των δύο πολυνουκλεοτιδικών νημάτων.

ΕΝΝΟΙΑ ΤΗΣ ΣΥΜΠΛΗΡΩΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΜΕΤΑΞΥ ΝΙΤΡΟΓΟΝΙΚΩΝ ΒΑΣΩΝ

Μελετώντας τη δομή του DNA, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η αντιστοίχιση μεταξύ αζωτούχων βάσεων είναι εξαιρετικά συγκεκριμένη. Στην πραγματικότητα, παρατήρησαν ότι η αδενίνη συνδέεται μόνο με τη θυμίνη, ενώ η κυτοσίνη δεσμεύεται μόνο με τη γουανίνη.
Υπό το φως αυτής της ανακάλυψης, επινόησαν τον όρο «συμπληρωματικότητα μεταξύ αζωτούχων βάσεων», για να υποδείξουν τον μονοφωνικό δεσμό μεταξύ αδενίνης με θυμίνης και κυτοσίνης με γουανίνη.
Ο προσδιορισμός συμπληρωματικού ζευγαρώματος μεταξύ αζωτούχων βάσεων αντιπροσώπευσε τον ακρογωνιαίο λίθο, για να εξηγήσει τις φυσικές διαστάσεις του DNA και τη συγκεκριμένη σταθερότητα που απολαμβάνουν οι δύο πολυνουκλεοτιδικές αλυσίδες.

Ο Αμερικανός βιολόγος James Watson και ο Άγγλος βιολόγος Francis Crick, το 1953, συνέβαλαν καθοριστικά στην ανακάλυψη της δομής του DNA (από την «σπειροειδή περιέλιξη των δύο πολυνουκλεοτιδικών κλώνων» μέχρι τη σύζευξη μεταξύ συμπληρωματικών αζωτούχων βάσεων).
Με τη διατύπωση του λεγόμενου «μοντέλου διπλής έλικας», ο Watson και ο Crick είχαν μια «απίστευτη διαίσθηση, η οποία αντιπροσώπευε μια επωφελή καμπή στον τομέα της μοριακής βιολογίας και της γενετικής.
Στην πραγματικότητα, η ανακάλυψη της ακριβούς δομής του DNA κατέστησε δυνατή τη μελέτη και την κατανόηση των βιολογικών διεργασιών που περιλαμβάνουν δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ: από τον τρόπο αναπαραγωγής ή σχηματισμού του RNA έως τον τρόπο με τον οποίο παράγει πρωτεΐνες.

ΤΑ ΟΜΟΛΟΓΙΑ ΠΟΥ ΔΕΝΤΡΕΟΥΝ ΜΑΖΙ ΤΑ ΖΕΥΓΑΡΙΑ ΑΖΩΤΟΓΟΝΩΝ

Για την ένωση δύο αζωτούχων βάσεων σε ένα μόριο DNA, σχηματίζοντας συμπληρωματικά ζεύγη, είναι μια σειρά χημικών δεσμών, γνωστών ως δεσμών υδρογόνου.
Η αδενίνη και η θυμίνη αλληλεπιδρούν μεταξύ τους μέσω δύο δεσμών υδρογόνου, ενώ η γουανίνη και η κυτοσίνη μέσω τριών δεσμών υδρογόνου.
ΠΟΣΑ ΖΕΥΓΑ ΝΙΤΡΟΓΟΝΙΚΗΣ ΒΑΣΗΣ ΠΕΡΙΕΧΕΙ ΜΙΑ ΜΟΡΙΑ ΤΟΥ ΑΝΘΡΩΠΙΚΟΥ DNA;
Ένα γενικό μόριο ανθρώπινου DNA περιέχει περίπου 3,3 δισεκατομμύρια ζεύγη αζωτούχων βάσεων, που είναι περίπου 3,3 δισεκατομμύρια νουκλεοτίδια ανά κλώνο.

Εικόνα: χημική αλληλεπίδραση μεταξύ αδενίνης και θυμίνης και μεταξύ γουανίνης και κυτοσίνης. Ο αναγνώστης μπορεί να σημειώσει τη θέση και τον αριθμό των δεσμών υδρογόνου που συγκρατούν τις αζωτούχες βάσεις δύο κλώνων πολυνουκλεοτιδίων.

Οργάνωση στο RNA

Σε αντίθεση με το DNA, το RNA ή το ριβονουκλεϊκό οξύ, είναι ένα νουκλεϊκό οξύ που συνήθως αποτελείται από ένα μονό κλώνο νουκλεοτιδίων.
Επομένως, οι αζωτούχες βάσεις που το αποτελούν είναι «μη ζευγαρωμένες».
Ωστόσο, πρέπει να επισημανθεί ότι η έλλειψη ενός συμπληρωματικού κλώνου αζωτούχου βάσης δεν αποκλείει το ενδεχόμενο οι αζωτούχες βάσεις του RNA να συζευχθούν όπως αυτές του DNA.
Με άλλα λόγια, οι αζωτούχες βάσεις ενός κλώνου RNA μπορούν να ζευγαρωθούν, σύμφωνα με τους νόμους της συμπληρωματικότητας μεταξύ αζωτούχων βάσεων, όπως και οι αζωτούχες βάσεις του DNA.
Ο συμπληρωματικός συνδυασμός μεταξύ αζωτούχων βάσεων δύο διακριτών μορίων RNA είναι η βάση της σημαντικής διαδικασίας σύνθεσης πρωτεϊνών (ή πρωτεϊνοσύνθεσης).

ΤΟ ΟΥΡΑΚΙΛΙ ΑΝΤΑΛΛΑΖΕΙ ΤΙΜΙΝΑ

Στο "RNA", η ουρακίλη αντικαθιστά τη θυμίνη του DNA όχι μόνο στη δομή, αλλά και στη συμπληρωματική σύζευξη: στην πραγματικότητα, είναι η αζωτούχος βάση που συνδέεται ειδικά με την αδενίνη, όταν εμφανίζονται δύο ξεχωριστά μόρια του RNA για λειτουργικότητα αιτιολογικό.

Βιολογικός ρόλος

Η έκφραση των γονιδίων εξαρτάται από την αλληλουχία των αζωτούχων βάσεων που συνδέονται με τα νουκλεοτίδια του DNA. Τα γονίδια είναι λίγο πολύ μακρά τμήματα του DNA (επομένως τμήματα των νουκλεοτιδίων), τα οποία περιέχουν τις απαραίτητες πληροφορίες για τη σύνθεση των πρωτεϊνών. Αποτελούνται από αμινοξέα, πρωτεΐνες είναι βιολογικά μακρομόρια, τα οποία παίζουν θεμελιώδη ρόλο στη ρύθμιση των κυτταρικών μηχανισμών ενός οργανισμού.
Η ακολουθία αζωτούχων βάσεων ενός δεδομένου γονιδίου καθορίζει την αλληλουχία αμινοξέων της σχετικής πρωτεΐνης.