ADN: ISTORIC, FUNCȚII, STRUCTURĂ, COMPONENTE - BIOLOGIE - 2025

ADN (acid dezoxiribonucleic) este biomolecule conține toate informațiile necesare pentru a genera un corp și să mențină funcționarea. Este alcătuit din unități numite nucleotide, la rândul lor alcătuite dintr-o grupare fosfați, o moleculă de zahăr cu cinci carbon și o bază azotată.

Există patru baze azotate: adenină (A), citozină (C), guanină (G) și timină (T). Adenina se împerechează întotdeauna cu timina și guanina cu citosina. Mesajul conținut în catena ADN este transformat într-un ARN mesager și acesta participă la sinteza proteinelor.

ADN-ul este o moleculă extrem de stabilă, încărcată negativ la pH fiziologic, care se asociază cu proteine ​​pozitive (histone) pentru a se compacta eficient în nucleul celulelor eucariote. Un lanț lung de ADN, împreună cu diverse proteine ​​asociate, formează un cromozom.

Istorie

În 1953, americanul James Watson și britanicul Francis Crick au reușit să elucideze structura tridimensională a ADN-ului, datorită lucrărilor în cristalografie realizate de Rosalind Franklin și Maurice Wilkins. De asemenea, și-au bazat concluziile pe activitatea altor autori.

Când ADN-ul este expus la razele X, se formează un model de difracție care poate fi utilizat pentru a deduce structura moleculei: o helixă a două lanțuri antiparalele care se rotesc spre dreapta, unde ambele lanțuri sunt unite prin legături de hidrogen între baze. . Modelul obținut a fost următorul:

Structura poate fi asumată în urma legilor difracției ale lui Bragg: când un obiect este interpus în mijlocul unui fascicul de raze X, acesta este reflectat, deoarece electronii obiectului interacționează cu fasciculul.

Pe 25 aprilie 1953, rezultatele lui Watson și Crick au fost publicate în prestigioasa revistă Nature, într-un articol de doar două pagini intitulat „Structura moleculară a acizilor nucleici”, care ar revoluționa complet domeniul biologiei.

Datorită acestei descoperiri, cercetătorii au primit Premiul Nobel pentru medicină în 1962, cu excepția lui Franklin care a murit înainte de naștere. În prezent această descoperire este unul dintre marii exponenți ai succesului metodei științifice de a dobândi noi cunoștințe.

Componente

Molecula de ADN este formată din nucleotide, unități formate dintr-un zahăr de cinci carbon atasat la o grupare fosfat și o bază azotată. Tipul de zahăr găsit în ADN este tipul dezoxiribozei și de aici numele acestuia, acidul dezoxiribonucleic.

Pentru a forma lanțul, nucleotidele sunt legate covalent printr-o legătură de tip fosfodiester printr-o grupare 3'-hidroxil (-OH) dintr-un zahăr și 5'-fosfatul următoarei nucleotide.

Nucleotidele nu trebuie confundate cu nucleozidele. Acesta din urmă se referă la partea nucleotidului format doar din pentoză (zahăr) și baza azotată.

ADN-ul este format din patru tipuri de baze azotate: adenină (A), citozină (C), guanină (G) și timină (T).

Bazele azotate sunt clasificate în două categorii: purine și pirimidine. Primul grup constă dintr-un inel de cinci atomi atașat la un alt inel de șase, în timp ce pirimidinele sunt compuse dintr-un singur inel.

Dintre bazele menționate, adenina și guanina sunt derivate ale purinelor. În schimb, timina, citozina și uracilul (prezente în molecula ARN) aparțin grupului de pirimidine.

Structura

O moleculă de ADN este formată din două lanțuri de nucleotide. Acest „lanț” este cunoscut sub numele de catenă ADN.

Cele două fire sunt legate prin legături de hidrogen între bazele complementare. Bazele azotate sunt legate covalent la o coloană vertebrală a zaharurilor și a fosfaților.

Fiecare nucleotid localizat pe o catena poate fi cuplat cu o altă nucleotidă specifică pe cealaltă catena, pentru a forma dubla helix cunoscută. Pentru a forma o structură eficientă, A se cuplează întotdeauna cu T cu două legături de hidrogen, iar G cu C prin trei legături.

Legea lui Chargaff

Dacă studiem proporțiile bazelor azotate din ADN, vom constata că cantitatea de A este identică cu cantitatea de T și aceeași cu G și C. Acest model este cunoscut sub numele de legea lui Chargaff.

Această împerechere este favorabilă din punct de vedere energetic, deoarece permite păstrarea unei lățimi similare de-a lungul structurii, menținând o distanță similară de-a lungul moleculei coloanei vertebrale zahăr-fosfat. Rețineți că o bază a unui inel se împerechează cu una a unui inel.

Model dublu helix

Se sugerează că helica dublă este compusă din 10,4 nucleotide pe rotație, separate de o distanță de la centru la 3,4 nanometri. Procesul de laminare dă naștere la formarea de caneluri în structură, putând observa o canelură mai mare și mai mică.

Șanțurile apar deoarece legăturile glicozidice din perechile de bază nu sunt opuse una față de cealaltă, în raport cu diametrul lor. Pirimidina O-2 și purina N-3 se găsesc în canelura minoră, în timp ce canelura principală este situată în regiunea opusă.

Dacă folosim analogia unei scări, treptele sunt formate din perechi de baze complementare între ele, în timp ce scheletul corespunde celor două șine de apucare.

Capetele moleculei de ADN nu sunt aceleași, motiv pentru care vorbim de o „polaritate”. Unul dintre capetele sale, 3 ', are o grupare -OH, în timp ce capătul 5' are gruparea fosfat liberă.

Cele două fire sunt localizate într-un mod antiparalel, ceea ce înseamnă că sunt situate în sens opus în ceea ce privește polaritățile lor, după cum urmează:

În plus, secvența unuia dintre șuvițe trebuie să fie complementară partenerului său, dacă este o poziție în care există A, în catena antiparalelă trebuie să existe un T.

Organizare

În fiecare celulă umană există aproximativ doi metri de ADN care trebuie să fie ambalate eficient.

Șuvița trebuie compactată astfel încât să poată fi conținută într-un nucleu microscopic cu diametrul de 6 μm care ocupă doar 10% din volumul celulei. Acest lucru este posibil datorită următoarelor niveluri de compactare:

histone

În eucariote există proteine ​​numite histone, care au capacitatea de a se lega de molecula de ADN, fiind primul nivel de compactare a catenei. Histonele au sarcini pozitive pentru a putea interacționa cu sarcinile negative ale ADN-ului, furnizate de fosfați.

Histonele sunt proteine ​​atât de importante pentru organismele eucariote, încât ele au fost practic neschimbate în cursul evoluției - amintind că o rată scăzută de mutații indică faptul că presiunile selective pe molecula respectivă sunt puternice. Un defect al histonelor poate duce la o compactare defectuoasă în ADN.

Histonele pot fi modificate biochimic și acest proces modifică nivelul de compactare a materialului genetic.

Când histonele sunt „hipoacetilate”, cromatina este mai condensată, deoarece formele acetilate neutralizează sarcinile pozitive ale lizinelor (aminoacizi încărcați pozitiv) în proteină.

Nucleozomi și fibra de 30 nm

Șuvița ADN se răsucește în histone și formează structuri care seamănă cu mărgelele de pe un colier de perle, numite nucleozomi. În centrul acestei structuri se află două copii ale fiecărui tip de histonă: H2A, H2B, H3 și H4. Unirea diferitelor histone se numește „histon octamer”.

Octamerul este înconjurat de aproximativ 146 de perechi de baze, care se înconjoară de mai puțin de două ori. O celulă umană diploidă conține aproximativ 6,4 x 10 ⁹ nucleotide care sunt organizate în 30 de milioane de nucleozomi.

Organizarea în nucleozomi permite compactarea ADN-ului la mai mult de o treime din lungimea sa inițială.

Într-un proces de extracție a materialului genetic în condiții fiziologice, se observă că nucleozomii sunt aranjați într-o fibră de 30 nanometri.

cromozomi

Cromozomii sunt unitatea funcțională a eredității, a cărei funcție este de a transporta genele unui individ. O genă este un segment de ADN care conține informațiile pentru a sintetiza o proteină (sau o serie de proteine). Cu toate acestea, există și gene care codifică elementele de reglementare, cum ar fi ARN.

Toate celulele umane (cu excepția gameților și a celulelor sanguine) au două copii ale fiecărui cromozom, una moștenită de la tată și cealaltă de la mamă.

Cromozomii sunt structuri formate dintr-o lungă bucată de ADN asociată complexelor proteice menționate mai sus. În mod normal, în eucariote, întregul material genetic inclus în nucleu este împărțit într-o serie de cromozomi.

Organizare în procariote

Procariote sunt organisme care nu au un nucleu. La aceste specii, materialul genetic este puternic înfășurat împreună cu proteinele alcaline cu greutate moleculară mică. În acest fel, ADN-ul este compactat și localizat într-o regiune centrală a bacteriilor.

Unii autori numesc adesea această structură un „cromozom bacterian”, deși nu are aceleași caracteristici ca un cromozom eucariotic.

Cantitatea de ADN

Nu toate speciile de organisme conțin aceeași cantitate de ADN. De fapt, această valoare este foarte variabilă între specii și nu există nicio relație între cantitatea de ADN și complexitatea organismului. Această contradicție este cunoscută sub numele de "paradoxul valorii C".

Raționamentul logic ar fi să intuim că cu cât este mai complex organismul, cu atât ADN-ul are mai mult. Totuși, acest lucru nu este adevărat în natură.

De exemplu, genomul peștelui pulmonar Protopterus aethiopicus are dimensiunea de 132 pg (ADN-ul poate fi cuantificat în picograme = pg), în timp ce genomul uman cântărește doar 3,5 pg.

Trebuie amintit că nu toate ADN-ul unui organism codifică proteinele, o mare parte din acestea sunt legate de elemente de reglementare și de diferitele tipuri de ARN.

Forme structurale ale ADN-ului

Modelul Watson și Crick, dedus din tiparele de difracție de raze X, este cunoscut sub numele de helix B-ADN și este „modelul” tradițional și cel mai cunoscut. Cu toate acestea, există alte două forme diferite, numite A-ADN și Z-ADN.

ADN - A

Varianta "A" se rotește spre dreapta, la fel ca ADN-ul B, dar este mai scurtă și mai largă. Această formă apare atunci când umiditatea relativă scade.

ADN-ul A se rotește la fiecare 11 perechi de baze, șanțul major fiind mai îngust și mai profund decât ADN-ul B. În ceea ce privește canelura minoră, aceasta este mai superficială și mai largă.

ADN - Z

A treia variantă este ADN-ul Z. Este forma cea mai îngustă, formată dintr-un grup de hexanucleotide organizate într-un duplex de lanțuri antiparalele. Una dintre cele mai remarcabile caracteristici ale acestei forme este că se întoarce la stânga, în timp ce celelalte două moduri o fac la dreapta.

ADN-ul Z apare atunci când există secvențe scurte de pirimidine și purine alternând între ele. Sulfatul major este plat, iar minorul este îngust și mai profund, în comparație cu ADN-ul B.

Deși în condiții fiziologice, molecula ADN este în cea mai mare parte în forma sa B, existența celor două variante descrise expune flexibilitatea și dinamismul materialului genetic.

Caracteristici

Molecula de ADN conține toate informațiile și instrucțiunile necesare pentru construcția unui organism. Setul complet de informații genetice din organisme se numește genom.

Mesajul este codat de „alfabetul biologic”: cele patru baze menționate anterior, A, T, G și C.

Mesajul poate duce la formarea diferitelor tipuri de proteine ​​sau cod pentru un anumit element de reglementare. Procesul prin care aceste baze de date pot transmite un mesaj este explicat mai jos:

Replicare, transcriere și traducere

Mesajul criptat în cele patru litere A, T, G și C are ca rezultat un fenotip (nu toate codurile de secvențe ADN pentru proteine). Pentru a realiza acest lucru, ADN-ul trebuie să se reproducă în fiecare proces de diviziune celulară.

Replicarea ADN-ului este semi-conservatoare: o șuviță servește ca șablon pentru formarea noii molecule fiice. Replicarea catalizată de o serie de enzime, incluzând primază ADN, helicaz ADN, ligază ADN și topoizomerază.

Ulterior, mesajul - scris într-un limbaj de secvență de bază - trebuie transmis unei molecule intermediare: ARN (acid ribonucleic). Acest proces se numește transcriere.

Pentru ca transcrierea să apară, trebuie să participe diferite enzime, inclusiv ARN polimeraza.

Această enzimă este responsabilă de copierea mesajului ADN-ului și transformarea acestuia într-o moleculă de ARN mesager. Cu alte cuvinte, scopul transcrierii este obținerea mesagerului.

În cele din urmă, traducerea mesajului în molecule de ARN mesager are loc, datorită ribozomilor.

Aceste structuri iau ARN mesager și împreună cu mașinile de traducere formează proteina specificată.

Codul genetic

Mesajul este citit în „triplete” sau grupuri de trei litere care specifică pentru un aminoacid - blocurile de construcție ale proteinelor. Este posibil să descifrezi mesajul tripletelor, deoarece codul genetic a fost deja dezvăluit complet.

Traducerea începe întotdeauna cu aminoacidul metionină, care este codat de tripleta de început: AUG. „U” reprezintă uracilul de bază și este caracteristic ARN și înlocuiește timina.

De exemplu, dacă ARN-ul mesager are următoarea secvență: AUG CCU CUU UUU UUA, acesta este tradus în următorii aminoacizi: metionină, prolină, leucină, fenilalanină și fenilalanină. Rețineți că două triplete - în acest caz UUU și UUA - pot codifica același aminoacid: fenilalanina.

Datorită acestei proprietăți, se spune că codul genetic este degenerat, deoarece un aminoacid este codificat de mai multe secvențe de triplete, cu excepția aminoacidului metionină, care dictează începerea traducerii.

Procesul este oprit cu triplete de oprire sau de oprire specifice: UAA, UAG și UGA. Sunt cunoscuți sub numele de ocru, chihlimbar și respectiv opal. Când ribozomul îi detectează, nu mai pot adăuga aminoacizi în lanț.

Proprietăți chimice și fizice

Acizii nucleici sunt de natură acidă și sunt solubili în apă (hidrofili). Poate să apară formarea legăturilor de hidrogen între grupările fosfat și grupările hidroxil ale pilozelor cu apa. Este încărcat negativ la pH fiziologic.

Soluțiile ADN sunt foarte vâscoase, datorită capacității de rezistență la deformare a dublei elici, care este foarte rigidă. Vâscozitatea scade dacă acidul nucleic este monocatenar.

Sunt molecule extrem de stabile. Logic, această caracteristică trebuie să fie indispensabilă în structurile care poartă informații genetice. Comparativ cu ARN, ADN-ul este mult mai stabil, deoarece îi lipsește o grupare hidroxil.

ADN-ul poate fi denaturat de căldură, adică șuvițele se separă atunci când molecula este expusă la temperaturi ridicate.

Cantitatea de căldură care trebuie aplicată depinde de procentul G - C al moleculei, deoarece aceste baze sunt legate prin trei legături de hidrogen, crescând rezistența la separare.

În ceea ce privește absorbția luminii, acestea au un vârf la 260 nanometri, ceea ce crește dacă acidul nucleic este monocatenar, deoarece inelele nucleotidelor sunt expuse și acestea sunt responsabile de absorbție.

Evoluţie

Potrivit lui Lazcano și colab. 1988 ADN-ul apare în stadii de tranziție de ARN, fiind unul dintre cele mai importante evenimente din istoria vieții.

Autorii propun trei etape: o primă perioadă în care au existat molecule similare cu acizii nucleici, mai târziu genomii au fost alcătuiți din ARN și ca ultima etapă a apărut genomul ADN cu bandă dublă.

Unele dovezi susțin teoria unei lumi primare bazată pe ARN. În primul rând, sinteza proteinelor poate să apară în absența ADN-ului, dar nu atunci când lipsește ARN-ul. Mai mult, au fost descoperite molecule de ARN cu proprietăți catalitice.

În ceea ce privește sinteza dezoxiribonucleotidelor (prezente în ADN), acestea provin întotdeauna din reducerea ribonucleotidelor (prezente în ARN).

Inovația evolutivă a unei molecule de ADN trebuie să fi necesitat prezența enzimelor care sintetizează precursorii ADN și participă la transcrierea inversă a ARN.

Studiind enzimele actuale, se poate concluziona că aceste proteine ​​au evoluat de mai multe ori și că trecerea de la ARN la ADN este mai complexă decât se credea anterior, incluzând procese de transfer și pierdere a genelor și înlocuirile neortologe.

Secvențiere ADN

Secvențializarea ADN constă în elucidarea secvenței catenei ADN în termenii celor patru baze care o compun.

Cunoașterea acestei secvențe este de cea mai mare importanță în științele biologice. Poate fi utilizat pentru a discrimina între două specii morfologic foarte similare, pentru a detecta boli, patologii sau paraziți și chiar are o aplicabilitate medico-legală.

Secvențializarea Sangerului a fost dezvoltată în anii 1900 și este tehnica tradițională pentru clarificarea unei secvențe. În ciuda vârstei sale, este o metodă valabilă și folosită pe scară largă de cercetători.

Metoda Sanger

Metoda folosește ADN polimeraza, o enzimă extrem de fiabilă care reproduce ADN-ul în celule, sintetizând o nouă catenă de ADN folosind una preexistentă ca ghid. Enzima necesită un primer pentru a iniția sinteza. Grundul este o moleculă mică de ADN complementară moleculei care trebuie secvențiată.

În reacție, se adaugă nucleotide care vor fi încorporate în noua catena ADN de către enzimă.

În plus față de nucleotidele „tradiționale”, metoda include o serie de dideoxinucleotide pentru fiecare dintre baze. Ele diferă de nucleotidele standard în două caracteristici: structural, nu permit ADN-polimerazei să adauge mai multe nucleotide pe catenele fiice și au un marker fluorescent diferit pentru fiecare bază.

Rezultatul este o varietate de molecule de ADN de lungimi diferite, deoarece dideoxinucleotidele au fost încorporate la întâmplare și au oprit procesul de replicare în diferite etape.

Această varietate de molecule poate fi separată în funcție de lungimea lor și identitatea nucleotidelor este citită cu ajutorul emisiilor de lumină de pe eticheta fluorescentă.

Secvențiere de generație următoare

Tehnicile de secvențiere dezvoltate în ultimii ani permit analiza masivă a milioane de probe simultan.

Printre cele mai deosebite metode se numără pirosecvenția, secvențierea prin sinteză, secvențierea prin ligare și secvențierea de generație următoare de către Ion Torrent.

Referințe

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., și colab. (2002). Biologia moleculară a celulei. Ediția a 4-a. New York: Știința Garlandului. Structura și funcția ADN-ului. Disponibil la adresa: ncbi.nlm.nih.gov/
2. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., și colab. (2002). Biologia moleculară a celulei. Ediția a 4-a. New York: Știința Garlandului. ADN-ul cromozomial și ambalarea acestuia în fibra de cromatină. Disponibil la adresa: ncbi.nlm.nih.gov
3. Berg, JM, Tymoczko, JL, Stryer, L. (2002). Biochimie. Ediția a 5-a. New York: WH Freeman. Secțiunea 27.1, ADN-ul poate presupune o varietate de forme structurale. Disponibil la adresa: ncbi.nlm.nih.gov
4. Fierro, A. (2001). Scurt istoric al descoperirii structurii ADN-ului. Rev Médic Clínica Las Condes, 20, 71-75.
5. Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) Originea și evoluția ADN-ului și a replicării ADN-ului. În: Baza de date Madame Curie Bioscience. Austin (TX): Landes Bioscience. Disponibil la adresa: ncbi.nlm.nih.gov
6. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). Tranziția evolutivă de la ARN la ADN în celulele timpurii. Jurnalul evoluției moleculare, 27 (4), 283-290.
7. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, SL, și colab. (2000). Biologie moleculară celulară. Ediția a 4-a. New York: WH Freeman. Secțiunea 9.5, Organizarea ADN-ului celular în cromozomi. Disponibil la adresa: ncbi.nlm.nih.gov/books
8. Voet, D., Voet, JG, & Pratt, CW (1999). Fundamentele biochimiei. New York: John Willey și Sons.