ฐานไนโตรเจน: การจำแนกประเภทและหน้าที่ - ชีววิทยา - 2026

ฐานไนโตรเจนเป็นสารประกอบอินทรีย์ heterocyclically อุดมไปด้วยไนโตรเจน พวกมันเป็นส่วนหนึ่งของส่วนประกอบสำคัญของกรดนิวคลีอิกและโมเลกุลอื่น ๆ ที่น่าสนใจทางชีววิทยาเช่นนิวคลีโอไซด์ไดนิวคลีโอไทด์และสารสื่อสารภายในเซลล์ กล่าวอีกนัยหนึ่งฐานไนโตรเจนเป็นส่วนหนึ่งของหน่วยที่ประกอบขึ้นเป็นกรดนิวคลีอิก (RNA และ DNA) และโมเลกุลอื่น ๆ ที่กล่าวถึง

ฐานไนโตรเจนมีสองกลุ่มหลัก: ฐานพิวรีนหรือพิวรีนและฐานไพริมิดีนหรือไพริมิดีน อะดีนีนและกวานีนอยู่ในกลุ่มแรกในขณะที่ไธมีนไซโตซีนและยูราซิลเป็นฐานไพริมิดีน โดยทั่วไปฐานเหล่านี้จะแสดงด้วยอักษรตัวแรก: A, G, T, C และ U

ฐานไนโตรเจนที่แตกต่างกันใน DNA และ RNA
ที่มา: ผู้ใช้: Sponktranslation: ผู้ใช้: Jcfidy

โครงสร้างพื้นฐานของ DNA คือ A, G, T และ C ในการจัดลำดับของฐานข้อมูลทั้งหมดที่จำเป็นสำหรับการสร้างและพัฒนาสิ่งมีชีวิตจะถูกเข้ารหัส ใน RNA ส่วนประกอบจะเหมือนกันมีเพียง T เท่านั้นที่ถูกแทนที่ด้วย U

โครงสร้างและการจำแนกประเภท

ฐานไนโตรเจนเป็นโมเลกุลแบนประเภทอะโรมาติกและเฮเทอโรไซคลิกซึ่งโดยทั่วไปมาจากพิวรีนหรือไพริมิดีน

แหวน Pyrimidine

โครงสร้างทางเคมีของไพริมิดีน

วงแหวนไพริมิดีนเป็นวงแหวนอะโรมาติกเฮเทอโรไซคลิกหกเมมเบรนที่มีไนโตรเจนสองอะตอม อะตอมมีเลขตามเข็มนาฬิกา

แหวนเพียวรีน

โครงสร้างทางเคมีของพิวรีน

วงแหวนพิวรีนประกอบด้วยระบบวงแหวนสองวงวงหนึ่งมีโครงสร้างคล้ายกับวงแหวนไพริมิดีนและอีกวงหนึ่งคล้ายกับวงแหวนอิมิดาโซล อะตอมทั้งเก้านี้หลอมรวมเป็นวงแหวนเดียว

วงแหวนไพริมิดีนเป็นระบบแบนในขณะที่พิวรีนเบี่ยงเบนไปจากรูปแบบนี้บ้าง มีการรายงานรอยพับหรือริ้วรอยเล็กน้อยระหว่างแหวน imidazole และวงแหวน pyrimidine

คุณสมบัติของฐานไนโตรเจน

เป็น aromatic

ในเคมีอินทรีย์วงแหวนอะโรมาติกถูกกำหนดให้เป็นโมเลกุลที่อิเล็กตรอนจากพันธะคู่มีการไหลเวียนอิสระภายในโครงสร้างวัฏจักร การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนภายในวงแหวนทำให้เกิดความเสถียรแก่โมเลกุล - ถ้าเราเปรียบเทียบกับโมเลกุลเดียวกัน - แต่มีอิเล็กตรอนที่ยึดติดกับพันธะคู่

ลักษณะความหอมของระบบวงแหวนนี้ทำให้พวกเขาสามารถสัมผัสกับปรากฏการณ์ที่เรียกว่า keto-enol tautomerism

นั่นคือพิวรีนและไพริมิดีนมีอยู่ในคู่ tautomeric Keto tautomers มีความโดดเด่นที่ pH เป็นกลางสำหรับเบสอูราซิลไทมีนและกัวนีน ในทางตรงกันข้ามรูปแบบของอีนอลนั้นโดดเด่นสำหรับไซโตซีนที่ pH เป็นกลาง ลักษณะนี้จำเป็นสำหรับการสร้างพันธะไฮโดรเจนระหว่างฐาน

การดูดซับแสง UV

คุณสมบัติอีกประการหนึ่งของพิวรีนและไพริมิดีนคือความสามารถในการดูดซับแสงอัลตราไวโอเลต (แสง UV) อย่างรุนแรง รูปแบบการดูดซึมนี้เป็นผลโดยตรงจากความหอมของวงแหวนเฮเทอโรไซคลิก

สเปกตรัมการดูดกลืนมีค่าสูงสุดใกล้ 260 นาโนเมตร นักวิจัยใช้มาตรฐานนี้ในการหาปริมาณดีเอ็นเอในตัวอย่าง

ความสามารถในการละลายน้ำ

เนื่องจากลักษณะทางอะโรมาติกที่แข็งแกร่งของฐานไนโตรเจนทำให้โมเลกุลเหล่านี้แทบไม่ละลายในน้ำ

ฐานไนโตรเจนที่น่าสนใจทางชีวภาพ

แม้ว่าจะมีฐานไนโตรเจนจำนวนมาก แต่เราพบเพียงไม่กี่แห่งตามธรรมชาติในสภาพแวดล้อมเซลล์ของสิ่งมีชีวิต

ไพริมิดีนที่พบมากที่สุด ได้แก่ ไซโตซีนยูราซิลและไทมีน (5-methyluracil) Cytosine และ thymine เป็น pyrimidines ที่มักพบใน DNA double helix ในขณะที่ cytosine และ uracil พบได้ทั่วไปใน RNA โปรดสังเกตว่าความแตกต่างเพียงอย่างเดียวระหว่าง uracil และ thymine คือกลุ่มเมธิลที่คาร์บอน 5

ในทำนองเดียวกันพิวรีนที่พบมากที่สุดคืออะดีนีน (6-amino purine) และ guanine (2-amino-6-oxy purine) สารประกอบเหล่านี้มีอยู่มากมายในโมเลกุลของ DNA และ RNA

มีอนุพันธ์ของพิวรีนอื่น ๆ ที่เราพบได้ตามธรรมชาติในเซลล์ ได้แก่ แซนไทน์ไฮโปแซนไทน์และกรดยูริก สองชนิดแรกสามารถพบได้ในกรดนิวคลีอิก แต่หายากและเฉพาะเจาะจง ในทางตรงกันข้ามไม่เคยพบกรดยูริกเป็นส่วนประกอบโครงสร้างของสารชีวโมเลกุลเหล่านี้

พวกเขาผสมพันธุ์กันอย่างไร?

โครงสร้างของดีเอ็นเอถูกอธิบายโดยนักวิจัยวัตสันและคริก จากการศึกษาของพวกเขาทำให้สามารถสรุปได้ว่า DNA เป็นเกลียวคู่ ประกอบด้วยสายโซ่ยาวของนิวคลีโอไทด์ที่เชื่อมโยงกันด้วยพันธะฟอสโฟดิสเตอร์ซึ่งกลุ่มฟอสเฟตเป็นสะพานเชื่อมระหว่างหมู่ไฮดรอกซิล (-OH) ของน้ำตาลที่ตกค้าง

โครงสร้างที่เราเพิ่งอธิบายไปนั้นคล้ายกับบันไดพร้อมกับราวจับตามลำดับ ฐานไนโตรเจนเป็นสิ่งที่คล้ายคลึงกับบันไดซึ่งถูกจัดกลุ่มในเกลียวคู่โดยใช้พันธะไฮโดรเจน

ในสะพานไฮโดรเจนอะตอมของอิเล็กโทรเนกาติวิตีสองอะตอมจะแบ่งโปรตอนระหว่างฐาน สำหรับการสร้างพันธะไฮโดรเจนจำเป็นต้องมีส่วนร่วมของอะตอมไฮโดรเจนที่มีประจุบวกเล็กน้อยและตัวรับที่มีประจุลบเล็กน้อย

สะพานถูกสร้างขึ้นระหว่าง H และ O พันธะเหล่านี้อ่อนแอและต้องเป็นเพราะ DNA ต้องเปิดออกได้ง่ายเพื่อทำซ้ำ

กฎ Chargaff

คู่เบสจะสร้างพันธะไฮโดรเจนโดยทำตามรูปแบบการจับคู่พิวรีน - ไพริมิดีนต่อไปนี้ที่เรียกว่ากฎของชาร์กัฟฟ์: คู่กัวนีนที่มีไซโตซีนและอะดีนีนคู่กับไทมีน

คู่ GC สร้างถังไฮโดรเจนสามถังซึ่งกันและกันในขณะที่คู่ AT เชื่อมโยงกันด้วยสะพานสองแห่งเท่านั้น ดังนั้นเราจึงสามารถคาดเดาได้ว่า DNA ที่มีเนื้อหา GC สูงจะมีเสถียรภาพมากขึ้น

โซ่แต่ละเส้น (หรือราวจับในการเปรียบเทียบของเรา) วิ่งไปในทิศทางตรงกันข้าม: อันหนึ่ง 5 ′→ 3′ และอีก 3 ′→ 5′

คุณสมบัติ

การสร้างกรดนิวคลีอิก

สิ่งมีชีวิตอินทรีย์มีสารชีวโมเลกุลชนิดหนึ่งเรียกว่ากรดนิวคลีอิก โพลีเมอร์ขนาดใหญ่เหล่านี้ประกอบด้วยโมโนเมอร์ที่ทำซ้ำ - นิวคลีโอไทด์ซึ่งเชื่อมต่อด้วยพันธะชนิดพิเศษที่เรียกว่าพันธะฟอสโฟดิสเตอร์ พวกมันแบ่งออกเป็นสองประเภทพื้นฐาน DNA และ RNA

นิวคลีโอไทด์แต่ละตัวประกอบด้วยหมู่ฟอสเฟตน้ำตาล (ชนิดดีออกซีไรโบสใน DNA และไรโบสใน RNA) และหนึ่งในห้าฐานไนโตรเจน: A, T, G, C และ U เมื่อไม่มีหมู่ฟอสเฟต โมเลกุลเรียกว่านิวคลีโอไซด์

ในดีเอ็นเอ

DNA เป็นสารพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิต (ยกเว้นไวรัสบางชนิดที่ใช้ RNA เป็นหลัก) การใช้รหัส 4 ฐาน DNA มีลำดับสำหรับโปรตีนทั้งหมดที่มีอยู่ในสิ่งมีชีวิตรวมทั้งองค์ประกอบที่ควบคุมการแสดงออก

โครงสร้างของ DNA ต้องมีความเสถียรเนื่องจากสิ่งมีชีวิตใช้เพื่อเข้ารหัสข้อมูล อย่างไรก็ตามมันเป็นโมเลกุลที่มีแนวโน้มที่จะเปลี่ยนแปลงเรียกว่าการกลายพันธุ์ การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ในสารพันธุกรรมเป็นวัสดุพื้นฐานสำหรับการเปลี่ยนแปลงวิวัฒนาการ

ใน RNA

เช่นเดียวกับ DNA RNA เป็นโพลีเมอร์นิวคลีโอไทด์ยกเว้นเบส T จะถูกแทนที่ด้วย U โมเลกุลนี้อยู่ในรูปแบบของวงดนตรีเดียวและตอบสนองการทำงานทางชีววิทยาที่หลากหลาย

ในเซลล์มีอาร์เอ็นเอหลักสามตัว Messenger RNA เป็นตัวกลางระหว่าง DNA และการสร้างโปรตีน มีหน้าที่คัดลอกข้อมูลใน DNA และนำไปที่เครื่องจักรแปลโปรตีน ไรโบโซมอาร์เอ็นเอชนิดที่สองเป็นส่วนโครงสร้างของเครื่องจักรที่ซับซ้อนนี้

ประเภทที่สามหรือการถ่ายโอน RNA มีหน้าที่ในการนำพากรดอะมิโนตกค้างที่เหมาะสมสำหรับการสังเคราะห์โปรตีน

นอกเหนือจาก RNA“ ดั้งเดิม” ทั้งสามแล้วยังมี RNA ขนาดเล็กอีกจำนวนหนึ่งที่มีส่วนร่วมในการควบคุมการแสดงออกของยีนเนื่องจากยีนทั้งหมดที่เข้ารหัสใน DNA ไม่สามารถแสดงออกได้อย่างต่อเนื่องและมีขนาดเท่ากันในเซลล์

สิ่งมีชีวิตต้องมีวิถีในการควบคุมยีนของมันนั่นคือการตัดสินใจว่าจะแสดงออกหรือไม่ ในทำนองเดียวกันสารพันธุกรรมประกอบด้วยพจนานุกรมคำภาษาสเปนเท่านั้นและกลไกการกำกับดูแลช่วยให้สามารถสร้างงานวรรณกรรมได้

การสร้างกลุ่มของไตรฟอสเฟตของนิวคลีโอไซด์

ฐานไนโตรเจนเป็นส่วนหนึ่งของนิวคลีโอไซด์ไตรฟอสเฟตซึ่งเป็นโมเลกุลที่มีความสนใจทางชีววิทยาเช่น DNA และ RNA นอกจากฐานแล้วยังประกอบด้วยเพนโทสและหมู่ฟอสเฟตสามกลุ่มที่เชื่อมโยงกันด้วยพันธะพลังงานสูง

ด้วยพันธะเหล่านี้นิวคลีโอไซด์ไตรฟอสเฟตเป็นโมเลกุลที่อุดมด้วยพลังงานและเป็นผลผลิตหลักของเส้นทางการเผาผลาญที่แสวงหาการปลดปล่อยพลังงาน ATP ที่ใช้มากที่สุด

ATP หรืออะดีโนซีนไตรฟอสเฟตประกอบด้วยอะดีนีนที่เป็นไนโตรเจนซึ่งเชื่อมโยงกับคาร์บอนที่อยู่ในตำแหน่งที่ 1 ของน้ำตาลเพนโทส: ไรโบส ในตำแหน่งที่ห้าของคาร์โบไฮเดรตนี้กลุ่มฟอสเฟตทั้งสามจะเชื่อมโยงกัน

โดยทั่วไปแล้ว ATP เป็นสกุลเงินพลังงานของเซลล์เนื่องจากสามารถใช้และสร้างใหม่ได้อย่างรวดเร็ว วิถีการเผาผลาญทั่วไปหลายอย่างในการใช้สารอินทรีย์และผลิต ATP

"กำลัง" ของมันขึ้นอยู่กับพันธะพลังงานสูงซึ่งเกิดจากหมู่ฟอสเฟต ประจุลบของกลุ่มเหล่านี้อยู่ในแรงขับไล่อย่างต่อเนื่อง มีสาเหตุอื่น ๆ ที่จูงใจให้เกิดการไฮโดรไลซิสใน ATP ได้แก่ การทำให้เสถียรของเสียงสะท้อนและการละลาย

Autacoid

แม้ว่านิวคลีโอไซด์ส่วนใหญ่จะไม่มีฤทธิ์ทางชีวภาพที่สำคัญ แต่อะดีโนซีนเป็นข้อยกเว้นที่ชัดเจนในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม สิ่งนี้ทำงานเป็น autacoid ซึ่งคล้ายกับ "ฮอร์โมนในท้องถิ่น" และเป็น neuromodulator

นิวคลีโอไซด์นี้ไหลเวียนได้อย่างอิสระในกระแสเลือดและออกฤทธิ์เฉพาะที่โดยมีผลต่อการขยายตัวของหลอดเลือดการหดตัวของกล้ามเนื้อเรียบการคลายตัวของเซลล์ประสาทการปลดปล่อยสารสื่อประสาทและการเผาผลาญไขมัน นอกจากนี้ยังเกี่ยวข้องกับการควบคุมอัตราการเต้นของหัวใจ

โมเลกุลนี้ยังเกี่ยวข้องกับการควบคุมรูปแบบการนอนหลับ ความเข้มข้นของอะดีโนซีนจะเพิ่มขึ้นและส่งเสริมความเหนื่อยล้า นี่คือเหตุผลที่คาเฟอีนช่วยให้เราตื่นตัว: มันปิดกั้นปฏิสัมพันธ์ของเซลล์ประสาทกับอะดีโนซีนนอกเซลล์

บล็อกโครงสร้างขององค์ประกอบการกำกับดูแล

เส้นทางการเผาผลาญทั่วไปจำนวนมากในเซลล์มีกลไกการกำกับดูแลตามระดับของ ATP, ADP และ AMP โมเลกุลสองตัวสุดท้ายนี้มีโครงสร้างเหมือนกับ ATP แต่สูญเสียหมู่ฟอสเฟตไปหนึ่งและสองกลุ่มตามลำดับ

ดังที่เราได้กล่าวไปแล้วในหัวข้อก่อนหน้านี้ ATP เป็นโมเลกุลที่ไม่เสถียร เซลล์ควรผลิต ATP เมื่อต้องการเท่านั้นเนื่องจากต้องใช้อย่างรวดเร็ว ATP เองก็เป็นองค์ประกอบที่ควบคุมเส้นทางการเผาผลาญเนื่องจากการมีอยู่ของมันบ่งบอกกับเซลล์ว่าไม่ควรสร้าง ATP มากขึ้น

ในทางตรงกันข้ามอนุพันธ์ไฮโดรไลซ์ (AMP) เตือนเซลล์ว่า ATP กำลังจะหมดและต้องผลิตมากขึ้น ดังนั้น AMP จึงเปิดใช้งานเส้นทางการเผาผลาญสำหรับการผลิตพลังงานเช่นไกลโคไลซิส

ในทำนองเดียวกันสัญญาณฮอร์โมนจำนวนมาก (เช่นสัญญาณที่เกี่ยวข้องกับการเผาผลาญไกลโคเจน) จะถูกสื่อกลางภายในเซลล์โดยโมเลกุลของแคมป์ (c สำหรับวัฏจักร) หรือตัวแปรที่คล้ายคลึงกัน แต่มี guanine อยู่ในโครงสร้าง: cGMP

การสร้างโคเอนไซม์

ในกระบวนการเผาผลาญหลายขั้นตอนเอนไซม์ไม่สามารถทำหน้าที่เพียงอย่างเดียว พวกเขาต้องการโมเลกุลเพิ่มเติมเพื่อให้สามารถทำหน้าที่ได้ องค์ประกอบเหล่านี้เรียกว่าโคเอนไซม์หรือโคซูสเตรตในระยะหลังมีความเหมาะสมมากกว่าเนื่องจากโคเอนไซม์ไม่ได้ออกฤทธิ์เร่งปฏิกิริยา

ในปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาเหล่านี้จำเป็นต้องถ่ายโอนอิเล็กตรอนหรือกลุ่มอะตอมไปยังสารตั้งต้นอื่น โมเลกุลเสริมที่เข้าร่วมในปรากฏการณ์นี้คือโคเอนไซม์

ฐานไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบโครงสร้างของปัจจัยร่วมเหล่านี้ สิ่งที่ได้รับการยอมรับมากที่สุด ได้แก่ pyrimidine nucleotides (NAD ⁺ , NADP ⁺ ), FMN, FAD และ coenzyme A. สิ่งเหล่านี้มีส่วนร่วมในเส้นทางการเผาผลาญที่สำคัญมากเช่นไกลโคไลซิสวงจร Krebs การสังเคราะห์ด้วยแสงและอื่น ๆ

ตัวอย่างเช่นไพริมิดีนนิวคลีโอไทด์เป็นโคเอนไซม์ที่สำคัญมากของเอนไซม์ที่มีฤทธิ์ดีไฮโดรจีเนสและมีหน้าที่ในการขนส่งไอออนของไฮไดรด์

อ้างอิง

1. Alberts, B. , Bray, D. , Hopkin, K. , Johnson, AD, Lewis, J. , Raff, M. , … & Walter, P. (2013) ชีววิทยาของเซลล์ที่จำเป็น การ์แลนด์วิทยาศาสตร์.
2. Cooper, GM และ Hausman, RE (2007) เซลล์: วิธีการทางโมเลกุล วอชิงตันดีซีซันเดอร์แลนด์แมสซาชูเซตส์
3. Griffiths, AJ (2002). การวิเคราะห์ทางพันธุกรรมสมัยใหม่: การรวมยีนและจีโนม Macmillan
4. Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT, & Miller, JH (2005) ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับการวิเคราะห์ทางพันธุกรรม Macmillan
5. Koolman, J. , & Röhm, KH (2005). ชีวเคมี: ข้อความและแผนที่ Panamerican Medical Ed.
6. Passarge, E. (2009). ข้อความพันธุศาสตร์และแผนที่ Panamerican Medical Ed.