ACIZII NUCLEICI: CARACTERISTICI, FUNCȚII, STRUCTURĂ - BIOLOGIE - 2025

De Acizii nucleici sunt biomolecule mari formate prin unități sau monomeri numite nucleotide. Ei sunt responsabili de stocarea și transmiterea informațiilor genetice. De asemenea, participă la fiecare dintre etapele sintezei proteinelor.

Din punct de vedere structural, fiecare nucleotid este format dintr-o grupare fosfat, un zahăr cu cinci atomi de carbon și o bază de azot heterociclică (A, T, C, G și U). La pH fiziologic, acizii nucleici sunt încărcați negativ, solubili în apă, formează soluții vâscoase și sunt destul de stabili.

Sursa: pixabay.com

Există două tipuri principale de acizi nucleici: ADN și ARN. Compoziția ambilor acizi nucleici este similară: în ambele găsim o serie de nucleotide legate prin legături de fosfodiester. Cu toate acestea, în ADN găsim timină (T) și în ARN uracil (U).

ADN-ul este mai lung și este într-o dubla conformare cu helix și ARN-ul este format dintr-o singură catenă. Aceste molecule sunt prezente în toate organismele vii, de la virusuri la mamifere mari.

Perspectiva istorica

Descoperirea acizilor nucleici

Descoperirea acizilor nucleici datează din 1869 când Friedrich Miescher a identificat cromatina. În experimentele sale, Miescher a extras din miez un material gelatinos și a descoperit că această substanță este bogată în fosfor.

Inițial, materialul de natură misterioasă a fost desemnat „nucleină”. Experimentele ulterioare asupra nucleinei au ajuns la concluzia că nu este bogată numai în fosfor, ci și în carbohidrați și baze organice.

Phoebus Levene a descoperit că nucleina era un polimer liniar. Deși proprietățile chimice de bază ale acizilor nucleici erau cunoscute, nu s-a considerat că există o relație între acest polimer și materialul ereditar al viețuitoarelor.

Descoperirea funcției ADN-ului

La mijlocul anilor 1940, la biologi nu a fost convingător în momentul în care molecula responsabilă cu transmiterea și stocarea informațiilor unui organism locuia într-o moleculă cu o conformație la fel de simplă ca ADN - compusă din patru monomeri (nucleotide) foarte similare fiecare.

Proteinele, polimeri alcătuiți din 20 de tipuri de aminoacizi, păreau atunci cei mai plauzibili candidați pentru a fi molecula eredității.

Această viziune s-a schimbat în 1928, când cercetătorul Fred Griffith bănuia că nucleina a fost implicată în ereditate. În cele din urmă, în 1944, Oswald Avery a reușit să concluzioneze cu dovezi solide că ADN-ul conținea informații genetice.

Astfel, ADN-ul a plecat de la o moleculă plictisitoare și monotonă, formată din doar patru blocuri de construcție, la o moleculă care permite stocarea unui număr imens de informații și care o poate păstra și transmite într-un mod precis, exact și eficient.

Descoperirea structurii ADN-ului

Anul 1953 a fost revoluționar pentru științele biologice, cercetătorii James Watson și Francis Crick au elucidat structura corectă a ADN-ului.

Pe baza analizelor modelelor de reflexie ale razelor X, rezultatele lui Watson și Crick au sugerat că molecula este o dublă helix, unde grupurile fosfat formează o coloană vertebrală exterioară și bazele se proiectează în interior.

Se folosește în general analogia unei scări, unde balustradele corespund grupărilor de fosfați și treptele la baze.

Descoperirea secvențierii ADN-ului

În ultimele două decenii, au avut loc progrese extraordinare în biologie, conduse de secvențierea ADN-ului. Datorită progreselor tehnologice, astăzi avem tehnologia necesară pentru a cunoaște secvența ADN-ului cu o precizie destul de mare - prin „secvență” ne referim la ordinea bazelor.

Inițial, elucidarea secvenței a fost un eveniment scump și a durat mult timp pentru a fi finalizat. În prezent nu este o problemă să cunoaștem secvența genomilor întregi.

caracteristici

Încărcare și solubilitate

După cum îi spune și numele, natura acizilor nucleici este acidă și sunt molecule cu solubilitate ridicată în apă; adică sunt hidrofile. La pH fiziologic, molecula este încărcată negativ, din cauza prezenței grupărilor fosfat.

În consecință, proteinele cu care este asociat ADN-ul sunt bogate în resturi de aminoacizi cu sarcini pozitive. Asocierea corectă a ADN-ului este crucială pentru ambalarea sa în celule.

Viscozitate

Vâscozitatea acidului nucleic depinde dacă este dublu sau o singură bandă. ADN-ul cu bandă dublă formează soluții de vâscozitate ridicată, deoarece structura sa este rigidă, rezistând la deformare. Mai mult, sunt molecule extrem de lungi în raport cu diametrul lor.

În schimb, există și soluții de acid nucleic cu o singură bandă, care sunt caracterizate prin vâscozitate scăzută.

Stabilitate

O altă caracteristică a acizilor nucleici este stabilitatea lor. În mod firesc, o moleculă cu o sarcină atât de indispensabilă ca depozitarea moștenirii trebuie să fie foarte stabilă.

Comparativ, ADN-ul este mai stabil decât ARN-ul, deoarece îi lipsește o grupare hidroxil.

Este posibil ca această caracteristică chimică să fi jucat un rol important în evoluția acizilor nucleici și în alegerea ADN-ului ca material ereditar.

Conform tranzițiilor ipotetice propuse de unii autori, ARN a fost înlocuit de ADN în procesul evolutiv. Cu toate acestea, astăzi există unele virusuri care utilizează ARN ca material genetic.

Absorbția luminii ultraviolete

Absorbția acizilor nucleici depinde, de asemenea, dacă este vorba de o bandă dublă sau de o singură bandă. Vârful de absorbție al inelelor din structura lor este de 260 nanometri (nm).

Pe măsură ce catena ADN cu bandă dublă începe să se separe, absorbția la lungimea de undă menționată crește, deoarece inelele care alcătuiesc nucleotidele sunt expuse.

Acest parametru este important pentru biologii moleculari din laborator, deoarece prin măsurarea absorbției pot estima cantitatea de ADN care există în probele lor. În general, cunoașterea proprietăților ADN-ului contribuie la purificarea și tratarea acestuia în laboratoare.

Clasificare (tipuri)

Cei doi acizi nucleici principali sunt ADN și ARN. Ambele sunt componente ale tuturor lucrurilor vii. ADN-ul reprezintă acidul dezoxiribonucleic și ARN pentru acidul ribonucleic. Ambele molecule joacă un rol fundamental în ereditatea și sinteza proteinelor.

ADN-ul este molecula care stochează toate informațiile necesare dezvoltării unui organism și este grupată în unități funcționale numite gene. ARN este responsabil pentru preluarea acestor informații și, împreună cu complexele proteice, traduce informațiile de la un lanț de nucleotide la un lanț de aminoacizi.

Catenele ARN pot avea o lungime de câteva sute sau câteva mii de nucleotide, în timp ce catenele ADN depășesc milioane de nucleotide și pot fi vizualizate sub lumina unui microscop optic dacă sunt colorate cu coloranți.

Diferențele structurale de bază între ambele molecule vor fi detaliate în secțiunea următoare.

ARN

În celule, există diferite tipuri de ARN care lucrează împreună pentru a orchestra sinteza proteinelor. Cele trei tipuri principale de ARN sunt mesager, ribozomal și transfer.

ARN de mesagerie

ARN-ul de mesagerie este responsabil de copierea mesajului care există în ADN și de transportarea acestuia la sinteza proteinelor care are loc în structuri numite ribozomi.

ARN ribozomal sau ribozomal

ARN-ul ribozomal se găsește ca parte a acestui utilaj esențial: ribozomul. Din ribozom, 60% este format din ARN ribozom, iar restul este ocupat de aproape 80 de proteine ​​diferite.

Transfer ARN

ARN de transfer este un fel de adaptor molecular care transportă aminoacizii (blocurile de proteine) la ribozom, care trebuie încorporat.

ARN mic

În plus față de aceste trei tipuri de bază, există o serie de ARN-uri suplimentare care au fost descoperite recent, care joacă un rol esențial în sinteza proteinelor și expresia genelor.

ARN-urile nucleare mici, prescurtate ca snRNA, participă ca entități catalitice la splicing (procesul de îndepărtare a intronilor) ARN-ului mesager.

ARN nucleare mici sau snoRNA sunt implicate în procesarea transcrierilor ARN pre-ribozomale care vor face parte din subunitatea ribozomului. Acest lucru apare în nucleol.

ARN-urile cu interferențe scurte și microARN sunt secvențe mici de ARN al căror rol principal este modularea expresiei genice. MicroRNA-urile sunt codate din ADN, dar traducerea lor în proteine ​​nu continuă. Sunt monocatenare și pot completa un mesaj ARN, inhibând traducerea acestuia în proteine.

Structura și compoziția chimică

Acizii nucleici sunt catene lungi de polimeri formate din unități monomerice numite nucleotide. Fiecare este format din:

Un grup de fosfați

Există patru tipuri de nucleotide și au o structură comună: o grupare fosfat legată de o pentoză printr-o legătură fosfodiester. Prezența fosfaților conferă moleculei un caracter acid. Grupa fosfat este disociată la pH-ul celulei, deci este încărcată negativ.

Această sarcină negativă permite asocierea acizilor nucleici cu molecule a căror încărcare este pozitivă.

Cantități mici de nucleozide pot fi găsite în interiorul celulelor și, de asemenea, în fluidele extracelulare. Acestea sunt molecule alcătuite din toate componentele unui nucleotid, dar care nu au grupuri fosfat.

Conform acestei nomenclaturi, un nucleotid este un nucleozid care are una, două sau trei grupări fosfat esterificate la hidroxilul situat la carbonul 5 '. Nucleozidele cu trei fosfați sunt implicați în sinteza acizilor nucleici, deși îndeplinesc și alte funcții în celulă.

O pentoză

O pentoză este un carbohidrat monomeric format din cinci atomi de carbon. În ADN, pentoza este o dezoxiriboză, care se caracterizează prin pierderea unei grupe hidroxil la carbon 2 '. În ARN, pentoza este o riboză.

O bază azotată

La rândul său, pentoza este legată de o bază organică. Identitatea nucleotidei este asigurată de identitatea bazei. Există cinci tipuri, prescurtate de inițialele lor: adenină (A), guanină (G), citozină (C), timină (T) și uracil (U).

Este comun în literatura de specialitate să constatăm că aceste cinci litere sunt folosite pentru a face referire la întregul nucleotid. Cu toate acestea, strict vorbind, acestea sunt doar o parte a nucleotidei.

Primele trei, A, G și C, sunt comune atât ADN-ului, cât și ARN-ului. Întrucât T este unică ADN-ului și uracilul este limitat la molecula ARN.

Din punct de vedere structural, bazele sunt compuși chimici heterociclici, ale căror inele sunt formate din molecule de carbon și azot. A și G sunt formate dintr-o pereche de inele topite și aparțin grupului de purine. Bazele rămase aparțin pirimidinelor și structura lor este formată dintr-un singur inel.

Este comun ca în ambele tipuri de acizi nucleici să găsim o serie de baze modificate, cum ar fi o grupare metil suplimentară.

Când are loc acest eveniment, spunem că baza este metilată. În procariote, adenine metilate sunt de obicei găsite, și atât în ​​procariote, cât și în eucariote, citozinele pot avea o grupare metil suplimentară.

Cum se produce polimerizarea?

După cum am menționat, acizii nucleici sunt lanțuri lungi formate din monomeri - nucleotide. Pentru a forma lanțurile, acestea sunt legate într-un mod special.

Când nucleotidele polimerizează, grupa hidroxil (-OH) găsită pe carbonul 3 'al zahărului uneia dintre nucleotide formează o legătură esteră cu gruparea fosfatului dintr-o altă moleculă de nucleotide. În timpul formării acestei legături are loc îndepărtarea unei molecule de apă.

Acest tip de reacție se numește „reacție de condensare” și este foarte similar cu cea care apare atunci când legăturile peptidice din proteine ​​se formează între două reziduuri de aminoacizi. Legăturile dintre fiecare pereche de nucleotide sunt numite legături fosfodiester.

Ca și în polipeptide, lanțurile de acid nucleic au două orientări chimice la capetele lor: unul este capătul 5 'care conține o grupare hidroxil liberă sau o grupare fosfat pe carbonul 5' al zahărului terminal, în timp ce la capătul 3 „Găsim o grupare hidroxil liberă de carbon 3”.

Să ne imaginăm că fiecare bloc ADN este un set Lego, cu un capăt care este inserat și cu o gaură liberă unde poate avea loc inserarea unui alt bloc. Capătul de 5 'cu fosfat va fi capătul de inserat și cel de 3' este analog cu gaura liberă.

Alte nucleotide

În celulă, găsim un alt tip de nucleotide cu o structură diferită de cea menționată mai sus. Deși aceștia nu vor face parte din acizii nucleici, ei joacă roluri biologice foarte importante.

Printre cele mai relevante avem ribonvinina mononucleotidă, cunoscută sub numele de FMN, coenzima A, adenină dinucleotidă și nicotinamină, printre altele.

Structura ARN

Structura liniară a polimerului cu acid nucleic corespunde structurii primare a acestor molecule. Polinucleotidele au, de asemenea, capacitatea de a forma tablouri tridimensionale stabilizate de forțe non-covalente - similar cu plierea găsită în proteine.

Deși compoziția primară a ADN-ului și ARN-ului este destul de similară (cu excepția diferențelor menționate mai sus), machiajul structurii lor este semnificativ diferit. ARN-urile sunt întâlnite în mod obișnuit ca un singur lanț de nucleotide, deși poate adopta diferite aranjamente.

ARN-urile de transfer, de exemplu, sunt molecule mici formate din mai puțin de 100 de nucleotide. Structura sa secundară tipică are forma unui trifoi cu trei brațe. Adică, molecula ARN găsește baze complementare în interior și se poate plia pe ea însăși.

ARN-urile ribozomale sunt molecule mai mari care preiau conformații tridimensionale complexe și prezintă o structură secundară și terțiară.

Structura ADN-ului

Helic dublu

Spre deosebire de ARN liniar, aranjamentul ADN este format din două catene întrețesute. Această diferență structurală este crucială pentru îndeplinirea funcțiilor sale specifice. ARN nu este capabil să formeze acest tip de elice din cauza unui obstacol steric impus de grupul OH suplimentar pe care îl prezintă zahărul său.

Complementaritatea bazei

Există complementaritate între baze. Adică, ca urmare a mărimii, formei și compoziției lor chimice, purinele trebuie să se împerecheze cu o pirimidină prin legături de hidrogen. Din acest motiv, în ADN-ul natural descoperim că A este aproape întotdeauna asociată cu T și G cu C, formând legături de hidrogen cu partenerii lor.

Perechile de bază între G și C sunt legate prin trei legături de hidrogen, în timp ce perechile A și T sunt mai slabe și doar două legături de hidrogen le mențin între ele.

Catenele de ADN pot fi separate (aceasta are loc atât în ​​celulă, cât și în proceduri de laborator), iar căldura necesară depinde de cantitatea de GC din moleculă: cu cât este mai mare, cu atât mai multă energie va fi necesară pentru a o separa.

Orientarea catenelor

O altă caracteristică a ADN-ului este orientarea sa opusă: în timp ce o șuviță rulează pe direcția 5'-3 ', partenerul său rulează pe direcția 3'-5'.

Conformatii naturale si in laborator

Structura sau conformația pe care o găsim în mod normal în natură se numește ADN B. Aceasta se caracterizează prin a avea 10,4 nucleotide pentru fiecare viraj, separate printr-o distanță de 3,4. ADN-ul B se întoarce la dreapta.

Acest model de înfășurare are ca rezultat apariția a două brazde, una mai mare și una mai mică.

În acizii nucleici formați în laborator (sintetici) pot fi găsite și alte conformații, care apar și în condiții foarte specifice. Acestea sunt ADN-ul A și ADN-ul Z.

Varianta A face, de asemenea, virajul la dreapta, deși este mai scurtă și ceva mai largă decât cea naturală. Molecula ia această formă atunci când umiditatea scade. Se rotește la fiecare 11 perechi de baze.

Ultima variantă este Z, caracterizată prin faptul că este îngustă și prin întoarcerea la stânga. Este format dintr-un grup de hexanucleotide care sunt grupate într-un duplex de lanțuri antiparalele.

Caracteristici

ADN: moleculă de ereditate

ADN-ul este o moleculă care poate stoca informații. Viața așa cum o cunoaștem pe planeta noastră depinde de capacitatea de a stoca și traduce astfel de informații.

Pentru celulă, ADN-ul este un fel de bibliotecă unde se găsesc toate instrucțiunile necesare pentru fabricarea, dezvoltarea și întreținerea unui organism viu.

În molecula ADN găsim o organizație de entități funcționale discrete numite gene. Unele dintre ele vor fi transportate până la proteine, în timp ce altele vor îndeplini funcții de reglementare.

Structura ADN-ului descrisă în secțiunea anterioară este esențială pentru îndeplinirea funcțiilor sale. Helixul trebuie să fie capabil să se separe și să se unească cu ușurință - o proprietate cheie pentru replicarea și transcrierea evenimentelor.

ADN-ul se găsește în procariote la un anumit situs din citoplasma lor, în timp ce în eucariote este situat în nucleu.

ARN: o moleculă multifuncțională

Rolul în sinteza proteinelor

ARN este un acid nucleic pe care îl găsim în diferite etape ale sintezei proteinelor și în reglarea expresiei genice.

Sinteza proteinei începe cu transcrierea mesajului criptat în ADN într-o moleculă de ARN mesager. În continuare, mesagerul trebuie să elimine porțiunile care nu vor fi traduse, cunoscute cu numele de introni.

Pentru traducerea mesajului ARN în reziduurile de aminoacizi, sunt necesare două componente suplimentare: ARN ribozomal care face parte din ribozomi și ARN de transfer, care va transporta aminoacizii și va fi responsabil de introducerea aminoacidului corect în lanțul peptidic. In pregatire.

Cu alte cuvinte, fiecare tip major de ARN joacă un rol critic în acest proces. Această trecere de la ADN la ARN mesager și în final la proteine ​​este ceea ce biologii numesc „dogma centrală a biologiei”.

Cu toate acestea, întrucât știința nu se poate baza pe dogme, există diferite cazuri în care această premisă nu este îndeplinită, cum ar fi retrovirusurile.

Rolul în reglementare

ARN-urile mici menționate mai sus participă indirect la sinteză, orchestrând sinteza ARN-ului mesager și participând la reglarea expresiei.

De exemplu, în celulă există diferite ARN-uri mesager care sunt reglementate de ARN-uri mici, care au o secvență complementară la aceasta. Dacă micul ARN se atașează de mesaj, acesta poate cliva mesajul, împiedicând astfel traducerea acestuia. Există mai multe procese care sunt reglementate în acest fel.

Referințe

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M., … și Walter, P. (2015). Biologia celulară esențială. Garland Science.
2. Berg, JM, Tymoczko, JL, Stryer, L. (2002). Biochimie. Ediția a 5-a. WH Freeman.
3. Cooper, GM, & Hausman, RE (2000). Celula: abord molecular. Asociații Sinauer.
4. Curtis, H., & Barnes, NS (1994). Invitație la biologie. Macmillan.
5. Fierro, A. (2001). Scurt istoric al descoperirii structurii ADN-ului. Rev Médic Clínica Las Condes, 20, 71-75.
6. 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.
7. Karp, G. (2009). Biologie celulară și moleculară: concepte și experimente. John Wiley & Sons.
8. 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.
9. Lodish, H., Berk, A., Darnell, JE, Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP, … și Matsudaira, P. (2008). Biologia celulelor moleculare. Macmillan.
10. Voet, D., & Voet, JG (2006). Biochimie. Editura Medicală Panamericană.
11. Voet, D., Voet, JG, & Pratt, CW (1999). Fundamentele biochimiei. New York: John Willey și Sons.