Acizii nucleici ADN și ARN sunt macromolecule esențiale pentru continuitatea vieții. Ei conțin planul genetic al unei celule și instrucțiunile de funcționare a acesteia. ADN-ul este materialul genetic transmis de la părinte la copil pentru toate viețuitoarele de pe Pământ. Cu excepția gemenilor identici, ADN-ul fiecărei persoane este unic și este posibil să se detecteze diferențele dintre ființe umane pe baza secvenței lor ADN unice. În plus, macromolecula de ADN are o structură specifică fiecărei specii, specificitate datorată ordonării aperiodice a bazelor azotate din structura sa. Moleculele de ADN nu părăsesc niciodată nucleul. Ele comunică cu restul celulei folosind un intermediar, care este un acid nucleic de tip ARN. Există mai multe tipuri de ARN, care în principal sunt implicate în mecanismul de sinteză a proteinelor.
Structura acizilor nucleici ADN și ARN
Acizii nucleici sunt substanțe chimice macromoleculare care reprezintă cei mai lungi polimeri din lumea vie.
Structura ADN-ului
Modelul macromoleculei de acid dezoxiribonucleic (ADN) a fost propus de Watson și Crick. Blocurile de bază ale ADN-ului sunt nucleotidele iar molecula de ADN este un polimer de nucleotide. Fiecare nucleotidă este alcătuită din trei grupări: o bază azotată, o pentoză (un monozaharid cu 5 atomi de carbon) și un radical fosfat. Pentoza din ADN este dezoxiriboza iar radicalul fosfat este un rest de acid fosforic (anorganic).
ADN-ul conține patru tipuri de baze azotate: două purine cu dublu inel – adenina (A) și guanina (G) – și două pirimidine cu un inel – citozina (C) și timina (T) (Figura 5.1). Nucleotidele sunt numite după baza azotată pe care o conțin. Radicalul fosfat al unei nucleotide se leagă covalent cu molecula de zahăr a nucleotidei următoare, șamd, formând astfel o catenă de ADN, adică un lung polimer de monomeri nucleotidici. Fiecare catenă de ADN are grupările zahăr – radical fosfat aliniate într-o „coloană vertebrală” din care „ies”, ca niște protuberanțe, bazele azotate. Atomii de carbon ai dezoxiribozei sunt numerotați de la 1′ la 5′ în sens orar pornind de la atomul de oxigen. Uneori ne vom referi la acești atomi de carbon cu apelativele primer, dimer, trimer, șamd. Radicalul fosfat al unei nucleotide este legat de carbonul 5′ al acesteia și de carbonul 3′ al nucleotidei următoare.
Figura 5.1: Purinele au o structură inelară dublă formată dintr-un inel din șase atomi de carbon fuzionat cu un inel din cinci atomi de carbon. Pirimidinele sunt de dimensiuni mai mici; având o singură structură inelară cu șase atomi de carbon.
Watson și Crick au venit cu ideea că ADN-ul este format din două catene (numite uneori șuvițe sau panglici) înfășurate una în jurul celeilalte, în spirală, astfel încât se formează o elice dublă. Împerecherea bazelor azotate are loc totdeauna între o purină și pirimidină și anume: A formează o pereche cu T și G formează o pereche cu C. Prin urmare, adenina și timina, respectiv citozina și guanina, sunt perechi de baze complementare. Aceasta este justificarea regulii lui Chargaff, care spune că, datorită complementarității, într-o moleculă de ADN există la fel de multă adenină câtă timină, respectiv la fel de multă guanină câtă citozină.
Adenina și timina sunt conectate prin două legături de hidrogen iar citozina și guanina sunt conectate prin trei legături de hidrogen. Cele două catene ale ADN-ului sunt orientate antiparalel, adică dacă o catenă are carbonul 3′ al pentozei în poziția ascendentă, atunci poziția ascendentă a celelaltei catene corespunde carbonului 5′. Diametrul elicei duble este uniform de-a lungul moleculei de ADN deoarece o purină se împerechează întotdeauna cu o pirimidină iar lungimile lor combinate sunt întotdeauna egale (Figura 5.2).
Figura 5.2: ADN-ul are (a) o structură de elice dublă și (b) legături fosfodiesterice; liniile punctate dintre Timină și Adenină respectiv Guanină și Citozină reprezintă legături de hidrogen. (c) Scobiturile majore și minore sunt locurile de contact pentru proteine, care leagă specific secvențele de ADN în timpul proceselor de transcriere și replicare.
În celula eucariotă există două tipuri de ADN: nuclear și mitocondrial.
- ADN-ul nuclear este materialul genetic conținut în nucleul celulei.
În nucleul celulelor somatice diploide (ce conțin perechi de cromozomi omologi), indiferent de țesut, conținutul în ADN este aproximativ egal. În nucleul celulelor gametice haploide (cu cromozomi nepereche), cantitatea de ADN este redusă la jumătate. Cantitatea de ADN este direct proporțională cu numărul cromozomilor, diploid sau haploid, și este dependentă de fazele ciclului celular. - ADN-ul mitocondrial este materialul genetic al mitocondriilor, organite celulare cu funcție oxido-reducătoare implicate în respirația celulară. Acest tip de ADN este responsabil de sinteza enzimelor respiratorii.
Structura ARN-ului
La fel ca ADN-ul, acidul ribonucleic (ARN) este un polimer de nucleotide. Fiecare dintre nucleotidele ARN-ului este alcătuită dintr-o bază azotată, o pentoză (un monozaharid cu 5 atomi de carbon) și un radical fosfat. Pentoza din ARN este riboza iar radicalul fosfat este, la fel ca in cazul ADN-ului, un rest de acid fosforic. Spre deosebire de dezoxiriboză, care are un atom de hidrogen legat de carbonul 2′, riboza are o grupare hidroxil în aceeași poziție (Figura 5.3).
Figura 5.3: Diferența dintre riboza din ARN și dezoxiriboza din ADN apare la carbonul 2′, acolo unde riboza are o grupare hidroxil iar dezoxiriboza are un atom de hidrogen.
Nucleotidele ARN conțin bazele azotate adenină, citozină și guanină. Ele nu conțin însă timină, care este înlocuită cu uracil, simbolizat prin litera „U”. Macromolecula de ARN este monocatenară, spre deosebire de macromolecula de ADN, care este o spirală dublu catenară.
Într-o celulă se găsesc mai multe tipuri majore de ARN, pe care biologii moleculari le-au clasificat după funcția îndeplinită în următoarele categorii:
- ARN mesager (ARNm) – servește ca tipar sau rețetă pentru sinteza proteinelor;
- ARN de transport sau transfer (ARNt) – transportă aminoacizii la locul sintezei proteice;
- ARN ribozomal (ARNr) – este un constituent principal al ribozomilor, care sunt structurile celulare la nivelul cărora se realizează sinteza proteinelor.
Distribuția acizilor nucleici în celulă
ARN-ul constituie aproximativ 5-10% din masa celulei iar ADN-ul doar circa 1%.
Cele două tipuri de ADN dintr-o celulă au proporții diferite: o mare cantitate este reprezentată de ADN-ul nuclear (97-99%) și doar o cantitate mică de ADN-ul mitocondrial (1-3%).
Cele trei tipuri majore de ARN dintr-o celulă au proporții diferite: o mare cantitate este reprezentată de ARN-ul ribozomal (80-90% din ARN-ul celular), ARN-ul de transport în proporție de 10-15% și doar o cantitate mică de ARN mesager (mai puțin de 5%).
Figura 5.4: ARN versus ADN.
Cum este aranjat ADN-ul în celulă
ADN-ul este o moleculă care muncește; ea trebuie replicată atunci când o celulă este gata de divizare și trebuie decodificată sau citită pentru a produce proteine atunci când își îndeplinește funcțiile la nivelul celulei. Din acest motiv, ADN-ul este protejat și „ambalat” într-un mod foarte specific. În plus, moleculele de ADN pot fi foarte lungi. Întinse una lânga alta, moleculele de ADN dintr-o singură celulă umană pot ajunge la o lungime de aproximativ 2 metri. Prin urmare, pentru a încăpea și funcționa corect într-o structură precum celula, care nu este vizibilă cu ochiul liber, ADN-ul unei celule trebuie ambalat într-un mod foarte ordonat.
Figura 5.5: Eucariotele au un nucleu bine-definit care găzduiește mai mulți cromozomi, în timp ce procariotele au un singur cromozom care se întinde într-o zonă a citoplasmei numită nucleoid.
Prin caracteristicile lor, cromozomii procariotelor sunt mult mai simpli decât cei ai eucariotelor. Majoritatea procariotelor conțin un singur cromozom circular, care se găsește într-o zonă din citoplasmă numită nucleoid (Figura 5.5). Mărimea genomului bacteriei Escherichia coli, una din cele mai bine studiate procariote, este de 4,6 milioane de perechi de baze, ceea ce înseamnă că genomul ei desfășurat s-ar întinde pe o distanță de aproximativ 1,6 mm. Deci, cum încape acest genom în interiorul unei celule mici de bacterie? ADN-ul procariot este răsucit dincolo de elicea dublă, fenomen cunoscut sub numele de supraînfășurare. Sunt cunoscute proteinele implicate direct în supraînfășurare, precum și enzimele și proteinele (altele) care întrețin structura supraînfășurată.
Fiecare cromozom eucariot constă dintr-o macromoleculă de ADN liniar. Din cauza faptului că ADN-ul trebuie să încapă în nucleu, cromozomii eucariotelor au o strategie de ambalare diferită de cea a procariotelor (Figura 5.6). ADN-ul eucariot este înfășurat strâns în jurul nucleelor unor proteine numite histone, formând astfel niște structuri numite nucleozomi. Nucleozomii consecutivi sunt legați prin șuvițe scurte de ADN care nu conțin histone. Această structură este cunoscută sub numele de „șirag de mărgele”, unde „mărgelele” sunt nucleozomii, iar „șiragul” este reprezentat de bucățile scurte de ADN dintre ele. În continuare, nucleozomii cu ADN-ul strâns înfășurat în jurul miezului lor se stivuiesc și formează o fibră lungă de 30 nm. Mai departe, această fibră se înfășoară într-o structură mai groasă și compactă.
În stadiul metafazic al mitozei, cromozomii se plasează în centrul celulei într-o formă compactă care acoperă o distanță de aproximativ 700 nm; ei sunt asociați cu așa-numitele proteine de schelă. În interfază, faza ciclului celular dintre mitoze, cromozomii eucariotelor se decompactează și se plasează în două regiuni distincte ale celulei care pot fi diferențiate datorită culorii lor. Există astfel o zonă mai aglomerată, care apare întunecată, și o zonă mai rarefiată, care apare deschisă la culoare. De obicei, zonele întunecate apar în regiunile centromerului și telomerilor și ele conțin gene inactive. În general, zonele deschise la culoare conțin gene active, al căror ADN este înfășurat în jurul nucleozomilor, fără fi compactat suplimentar.
Figura 5.6: Compactarea cromozomului eucariot.
Funcțiile acizilor nucleici
ADN-ul codifică biochimic informația genetică sub forma unei secvențe specifice de baze azotate, informație care se poate autoreproduce și poate fi transferată moleculelor de ARN mesager prin transcriere, pe baza principiului complementarității bazelor azotate. Mesajul genetic purtat de ARN mesager este apoi tradus la nivelul ribozomilor, care reprezintă sediul sintezei proteice.
Acizii nucleici îndeplinesc două funcții:
- Funcția autocatalitică este modul în care ADN-ul se reproduce.
- Funcția heterocatalitică este modul în care ADN-ul controlează dezvoltarea corpului, adică modul în care acesta transmite informațiile genetice către restul corpului.
Referințe:
- Fowler, Samantha, et al. Concepts of Biology. OpenStax College, Rice University, 2013. Download for free at: https://openstax.org/details/books/concepts-biology.
- https://anatomie.romedic.ro/adn.