Acizi nucleici

Sunt specii macromoleculare care prezinta caracteristici informationale comparativ cu toate celelalte specii moleculare mari sau mici. Acizii nucleici se intalnesc in toate celulele vii in cea mai mare cantitate acestia regasindu-se la nivelul nucleului celular si in cantitati reduse se intalnesc si la nivel citoplasmatic. In natura se mai intalnesc acizi nucleici si in virusuri care nu poseda celula, care sunt complexe macromoleculare nucleoproteice si care poseda o singura macromolecula de acizi nucleici, comparativ cu toate celulele vii care contin un nr foarte mare si variabil de macromolecule de acizi nucleici.

Structura care sta la baza acizilor nucleici este nucleotidul care este compus din 3 elemente fundamentale reunite prin intermediul unor legaturi covalente:

-o baza azotata

-o pentoza

-acidul fosforic.

Daca bazele azotat prezinta structuri aromatice ciclice, planare, si pentozele poseda struturi planare si acestea in constituirea nucleotidelor se aranjeaza perpendicular unele fata de celelalte.

Tipul acizilor nucleici este dat de natura pentozelor care poate fi riboza sau 2-deoxiriboza. In acest mod sunt definiti acizii ribonucleici si respectiv deoxiribonucleici( RNA si DNA). Bazele azotate prezente in structurile acizilor nucleici pot fi pirimidinice sau purinice. Indiferent de natura acizilor nucleici ambele baze purinice adenina si guanina se intalnesc in lanturile polinucleotidice. Bazele azotate pirimidinice sunt in numar de 3 Uracil, Tinina si Citozina in lanturile polinucleotidice.

In RNA se intalnesc Uracil si Citozina in timp ce in lanturile polinucleotidice DNA Tinina si Citozina.

Bazele azotate: - pirimidinice in conditii fiziologice se intalnesc in forma lactanica insa pot exista in echilibre alaturi de formele lactinice datorita dezvoltarii efectelor electromere la nivelul moleculelor lor.

Echilibre termodinamice: in conditii fiziologice sunt deplasate mult catre formele lactanice si din aceasta cauza structurile lactinice nu se mai iau in calcul.

La nivelul nucleotidelor intre baze azotate si monozaharid se realizeaza o legatura de tip beta-n-glicozidica indiferent de natura bazei azotate.

Acidul fosforic se poate lega chimic la nivelul monozaharidelor fie in pozitiile 2,3 sau 5 sub forma de esteri iar la nivelul deoxiribozei in pozitiile 3 sau 5.

1

Deoarece ambele structuri: baze azotate si respecti monozaharid sunt numerotate dupa principii bine determinate, pentru a nu se suprapune numerotarea prin conventie se numeroteaza cu 1,2,3..... bazele azotate si cu 1prim, 2prim...... pozitiile din monozaharide.

Bazele azotate pirimidinice sunt legate n-beta-glicozidic prin intermediul N din pozitia 1 iar bazele azotate purinice se leaga n-beta-glicozidic prin intermediul pozitiei 9.

Prezenta in toate nucleotidele a cel putin unui rest de acid fosforic imprima nucleotidelor caracter acid, caracter care se transfera si structurilor macromoleculare polinucleotidice. Intr-un nucleotid pot exista in pozitii diferite resturi fosfat sau acestea se pot acumula ca bi sau tri- fosfati la nivelul unui singur atom de carbon. In acest mod se constituie nucleozid monofosfatii, bifosfati resp trifosfati. Atunci cand resturile fosfat sunt aranjate adiacent unele fata de altele datorita incarcarii electrice cu sarcina negativa a acestora apar la nivelul moleculelor repulsii intra moleculare care induc starea de rezonanta de opozitie.

Aceste molecule care contin 2 sau 3 resturi de acid fosforic legate unele de altele intr-un nucleotid sunt bogate energetic si sunt capabile sa cedeze energia de legatura mediului in vederea stabilizarii. Eliminarea unui rest fosfat sau unui nr de 2 resturi de fosfat se poate realiza printr-un proces hidrolitic cand se obtine fie acidul fosforic fie se obtine acidul tio-fosforic si se elibereaza energia inmagazinata in molecula tensionata initial. Aceste specii moleculare care sunt tensionate si instabile se numesc molecule macroergice si prezinta rol fundamental in stocarea si transferul de energie in toate sistemele vii.

Adenozin difosfatii sau trifosfatii se formeaza in procese consumatoare de energie(endergonice) si se stabilizeaza in procese hidrolitice prin procese exelgonice.

In afara aranjarii adiacente a restului de fosfat, acesta se poate lega la nivelul aceluiasi rest monozaharidic din molecula unui nucleotid prin intermediul a 2 grupari functionale OH si constituirea unui ester difosfat intern. Cel mai cunoscut ester fosfat intern este adenozin-monofosfat-ciclic in care gruparea fosfat se leaga la nivelul pozitiilor 5’ si 3’. Acesti fosfati ciclici prezinta caracteristicile unor mesageri secunzi care de regula se biosintetizeaza la nivelul membranelor celulare ca urmare a actiunii unor hormoni cu caracteristici hidrofile la nivelul receptorilor celulari. Acesti mesageri secunzi sunt implicati in numeroase procese biochimice celulare.

Mesager secund:- vezi ppt

Nucleotidele indiferent de natura lor chimica nu absorb in vizibil, absorb in schimb in domeniul ultraviolet la lungimi de unda in apropierea valorii de 260nm care este lungime de unda specifica atat nucleotidelor cat si polinucleotidelor (acizilor nucleici). Fenomenul de absortie in domeniul Uv este asemanator cu absortia peptidelor si polipeptidelor datorata resturilor de aminoacizi cu caracteristici aromatice in jurul valorii de 280nm. Lungime de unda care este caracteristica de asemenea tuturor acestor specii

2

Acizii nucleici se constituie ca structuri macromoleculare prin negarea succesiva a nucleotidelor prin intermediul legaturilor fosfodiester existente in nucleotide adiacente corespunzatoare pozitiilor 3’ si 5’. Prin aceasta succesiune se constituie lanturi macromoleculare care intotdeauna prezinta un capat 3’ hidroxilat si respectiv celalalt capat 5’ fosfat. Aceste structuri macromoleculare prezinta liniaritate prezinta caracter acid si polaritate. Caracterul acid se datoreaza resturilor de acid fosforic legate de 3’ 5’. Polaritatea se datoreaza tot resturilor de acid fosforic. De asemenea lanturile polinucleotidice prezinta flexibilitate la nivelul structurii primare datorita existentei resturilor de acid fosforic de la nivelele 3’ si 5’ succesive.

Prin conventie orice lant polinucleotidic se citeste dinspre capatul 5’ inspre capatul 3’. Ca orice sistem macromolecular polinucleotidele poseda structura primara, structura secundara si respectiv structura tertiara.

Daca structura primara indica secventa de nucleotide in lantul polinucleotidic, structura secundara indica capacitatea satisfacerii legaturilor de H intra si intermoleculare, iar structura tertiara indica capacitatea lantului macromolecular de a constitui gheme statistice stabilizate prin intermediul interactiilor de natura slab preponderent.

Datorita nr mare de nucleotide care se pot succede ca sa constituie structura primara exista un nr foarte mare de macromolecule dinstincte care se pot constitui pe baza celor 2 nucleotide purinice si 2 nucleotide pirimidinice specifice fiecarui tip de acid nucleic.

S-a calculat in acest mod ca pot rezulta 4 la puterea n variante un n=nr resturilor de nucleotide din macromolecula, practic un nr deosebit de mare care poate codifica si constitui informatia genetica. Din aceasta cauza in natura indiferent de specia vie existenta pe planeta informatia genetica este pastrata si transmisa prin intermediul acestor specii macromoleculare.

Lanturile macromoleculare polinucleotidice pot fi degradate hidrolitic in prezenta unor nucleaze care pot fi ribonucleaze(RNA) si respectiv deoxiribonucleaze(DNA). Alaturi de aceste nucleaze care au rolul de a scinda fie la marginea lantului polinucleotidic (exonucleate) sau in interiorul lantului polinucleotidic (endonucleaze) o singura legatura fosfodiester exista in sistemele vii si endonucleaze de restrictie care se gasesc numai in celulele bacteriene si care au rolul de a elimina dintr-un lant polinucleotidic o secventa relativ mica de 4-6 nucleotide in conditii de specificitate maxima, fiind cunoscute endonucleazele de restrictie si respectiv oligonucleotidele care sunt eliberate. Aceste oligonucleotide sunt utilizate in ingineria genetica in procese de clonare dar si in procesele de evidentiere analitica.

DNA – sunt polinucleotide in care etse prezenta o catena macromoleculara polinucleotidica si n raport cu aceasta se infasoara sub forma unui dublu helix o alta catena polinucleotidica complementara. S-a demonstrat ca pentru constituire dublului helix DNA interactioneaza complementar resturile de A cu resturile de T si respectiv G cu resturile de C. Acest lucru a fost demonstrat nu numai matematic dar si experimental deoarece la degradarea totala a unui DNA s-a obtinut un nr egal de nucleotide de tip adenina si timina respectiv guanina si citozina.

3

De-a lungul dublului helix intre restul de adenina si cel de tinina se constituie cate 2 leg de H complementare iar intre restul de citozina si respectiv de guanina se constituie 3 leg de H, aceste legaturi de H au rolul de a stabiliza structura DNA in raport cu mediul si astfel se poate considera ca cu cat exista mai multe interactii de complementaritate dintre resturile de citozin si guanina in raport cu resturile de adenina si guanina, cu atat stabilitatea structurii DNA formate este mai pronuntata.

In constituirea dublului helix cele 2 lanturi polinucleotidice se aranjeaza antiparalel si sub aceasta forma interactioneaza prin intermediul leg de H intermoleculare. In constituirea dublului Helix resturile bazelor azotate care sunt planare si cu caracteristici hidrofobe sunt orientate inspre interiorul dublului helix iar resturile monozaharidice si de fosfat sunt aranjate inspre exteriorul dublului helix in contact direct cu apa. In acest mod dublul helix constituit prezinta stabilitate maxima in raport cu mediul apos in care exista.

Parametri helix-ului:

-p=34 anstromi

-n=10 perechi de baze azotate/ tura

-3,4 Anstromi/baza

-diametru helix = 20anstromi

Posedand legaturi de natura slaba, de natura medie si puternica dublul helix DNA prezinta stabilitate termodinamica in mediile apoase, stabilitate care poate fi insa distrusa partial sau total dependent de parametri din mediu, astfel ca si in cazul lanturilor polipeptidice si in cazul lanturilor polinucleotidice pot fi definiti agenti denaturanti:

-temperatura

-forta ionica

-pH

-compusii organici

Temperatura este un factor denaturant si se manifesta prin cresterea sau scaderea agitatiei termice care poate influenta in special legaturile de natura slaba existente la nivelul zonelor cu caracteristici hidrofobe. Cresterea temperaturii poate conduce la distrugerea tuturor legaturilor de H de tip complementar intermoleculare si astfel cele 2 macromolecule componente ale DNA pot fi separate complet intre 80 si 100 grade celsius. Macromoleculele individuale rezultate in conditii de temperatura ridicata pot reconstitui dublul helix (renaturare) daca racirea mediului este realizata lent in alte conditii nu se realizeaza renaturarea si astfel nu se mai poate reconstitui structura DNA initiala.

4

Forta ionica – a mediului in care se gaseste DNA poate influenta intercatiile de natura slaba prin distrugerea fie a legaturilor de H fie pot influenta interactiile de natura tare acelea care sunt angrenate in dezvoltarea interactiilor de natura ionica.

Prin intermediul fortelor ionice structura DNA poate fi distorsionata iar la revenirea acesteia se poate produce renaturarea DNA.

pH-ul , valoarea pH-ului (caracterul acido-bazic al mediului) poate influenta gradul relativ de incarcare electrica a gruparilor functionale, si respectiv a heteroatomilor din macromoleculele DNA.

In acest mod pot fi distruse partial sau total interactiile de complementaritate prin intermediul........ si in acest mod lanturile polinucleotidice pot fi despartite si pot parasi dublul helix. In conditii de variatie puternica a valorii pH-ului catre valori extreme ale acestuia macromoleculele pot suferi degradarii reversibile.

HiSTONE< REPLICAREA, TRANSCRIEREA GENETICA, RECOMBINAREA, CLONAREA, MUTATIA, RNA, CODON, ANTICODON, ROBOZOMI< VIRUSURI

5