ACIZI NUCLEICI

5. Acizi nucleici

5.1. Caracteristici generale

Acizii nucleici sunt biomolecule de importanţă biologică fundamentală, care deţin un loc aparte în organizarea şi funcţionarea materiei vii. Alături de proteine, acizii nucleici constituie cei mai importanţi biopolimeri care intră în alcătuirea celulei vii.

Rolul biologic al acizilor nucleici constă în faptul că în ei este codificată informaţia genetică şi datorită lor, această informaţie se transmite. Prin participarea nemijlocită a acizilor nucleici se realizează sinteza tuturor proteinelor, în consecinţă şi a enzimelor existente în celula vie. Totodată, multe nucleotide – elemente structurale ale acizilor nucleici – au un rol important în metabolismul substanţelor şi energetic, îndeplinind funcţii coenzimatice.

Acizii nucleici sunt compuşi macromoleculari care posedă o masă moleculară gigantică (milioane de unităţi); se dizolvă în soluţii alcaline şi sunt precipitaţi prin acidularea acestora; posedă proprietăţi acide puternice şi la pH fiziologic poartă o înaltă sarcină negativă; conţin aproximativ 15% azot şi 10% fosfor.Acizii nucleici se pot împărţi în două clase: ribonucleici (ARN) care conţin riboză şi dezoxiribonucleici (ADN), în compoziţia cărora intră dezoxiriboza. Ambele tipuri reprezintă polimeri liniari ai nucleotidelor care se formează cu ajutorul legăturilor esterfosforice între 5’–fosfatul unui nucleotid şi grupa 3’-hidroxilică a pentozei nucleotidului vecin.

5.2. Componenţii acizilor nucleici

Molecula unui acid nucleic reprezintă un polinucleotid alcătuit dintr-un număr mare de mononucleotide. Mononucleotidele, la rândul lor, sunt constituite din trei componente:

Biochimia produselor alimentare

o bază azotată (purinică sau pirimidinincă) legată de un glucid (riboză sau dezoxiriboză) şi fosfat care esterifică glucidul la atomii C-2’, C-3’ sau C-5’. Esterificarea la C-5’ este cea mai răspândită.

5.2.1. Baze azotate

Bazele azotate care intră în constituţia acizilor nucleici sunt de natură purinică şi pirimidinică. Cele mai importante baze purinice sunt adenina (A) şi guanina (G) – derivaţi ai heterociclului purina.

Purina

12 3 4

56

789

H

N

N

N

N

NH2

Adenina (A)(6-aminopurina)

H

N

N

N

N

H

O

H2N

N

N

N

NH

Guanina (G)(2-amino-6-oxipurina)

În procesele metabolice care au loc în organismele animale şi vegetale, bazele azotate purinice formează o serie de produşi, printre care deosebit de important este acidul uric; la om, acesta este produsul final al metabolismului purinic. În unele plante se acumulează în cantităţi mari derivaţi metilaţi de natură purinică: cofeina din cafea şi ceai, teobromina – compusul activ al boabelor de cacao. Boabele de cafea conţin până la 1,5% cafeină, iar în ceai, conţinutul ei este mult mai mare (până la 5%). Nivelul teobrominei în boabele de cacao ajunge până la 1,8%.

O

N

N

N

NO

H3C

CH3

CH3

Cofeina

O

CH3

CH3H

O

N

N

N

N

Teobromina

În organismul animal apar ca produşi intermediari de metabolism şi alte baze azotate purinice care nu participă la structura acizilor nucleici:

H

H

O

N

N

N

N

Hipoxantina

H HO

H

O

N

N

N

N

Xantina

O

H

O

N

N

N

N OHH

H

Acidul uric

Bazele azotate pirimidinice conţinute în acizi nucleici sunt citozină (C), uracil (U) şi timină (T) – care reprezintă derivaţi de la heterociclul pirimidină:

131

Acizi nucleici

Uracilul (U)(2,6-dioxipirimidina)

N

NO

O

H

H

Uneori se întâlnesc 5-metilcitozina şi 5-oximetilcitozina sau alţi derivaţi ai pirimidinei:

CH3

5-metilcitozina

N

N

NH2

OH

N

N

NH2

OH

5-oximetilcitozina

CH2OH

5.2.2. Nucleozide

Combinarea unei baze azotate purinice sau pirimidinice cu o pentoză conduce la un nucleozid (prin analogie cu glicozidele). Adenina legată cu riboza se numeşte adenozină, guaninribonucleozidul – guanozină şi respectiv ribonucleozidele pirimidinice, citidină şi uridină.

Nucleozide analoge se formează şi cu dezoxiriboza: adenindezoxiribonucleozid (sau dezoxiadenozină), dezoxicitidină etc.. Trebuie subliniat că dezoxiribonucleozidul timinei, care se găseşte cu precădere în ADN se numeşte timidină şi nu dezoxitimidină. Timina se mai întâlneşte în unul din tipurile de ARN şi anume ARN de transport. În acest caz se foloseşte denumirea de timinribonucleozid sau riboziltimină.

Nucleozidele purinice obţinute din ARN au o legătură β-glicozidică între C-1 ’ al ribozei şi azotul din poziţia 9 purinică. Nucleozidele pirimidinice sunt N-3-glicozide:

132

H

OHO H2C

HHH

HO OH

NH2

N

N

N

N

1'4'

3' 2'

5'

9 87

6543

21

Adenozina(9--D-ribofuranoziladenina)

H

OHO H2C

HHH

HO OH

N

N

NH2

O

12 3 4

56

2'3'

4'

5'

1'

Citidina(3--D-ribofuranozilcitozina)

N

N

12 3 4

56

Pirimidina

N

N

NH2

OH

Citozina (C)(2-oxi-6-aminopirimidina)

Timina (T)(2,6-dioxi-5-metilpirimidina)

CH3N

N

H

H

O

O


Nucleozidele purinice se hidrolizează uşor sub acţiunea acizilor, în timp ce nucleozidele pirimidinice se hidrolizează numai după o prelucrare destul de prelungită cu acid concentrat.

Nucleozidele care conţin dezoxiriboză posedă acelaşi tip de legături glicozidice şi reprezintă 9-β-D-2’-dezoxiribofuranozide ale guaninei şi adeninei şi 3-β-D-2’-dezoxiribofuranozide ale citozinei şi timinei.

5.2.3. Nucleotide

Prin esterificarea nucleozidelor cu o moleculă de acid fosforic se obţin substanţe mai complexe care poartă denumirea de nucleotide şi care joacă un rol extrem de important în metabolismul celular. Importanţa deosebită a nucleotidelor constă nu numai în faptul că din ele sunt construite moleculele gigant ale acizilor nucleici, ci şi aceea că ele intră în structura unor enzime, iar unele din ele sunt compuşi în care se acumulează energie necesară pentru desfăşurarea proceselor vitale.

Ca esteri fosforici ai nucleozidelor, nucleotidele reprezintă nişte acizi puternici. Ei se numesc, corespunzător, acizi adenilic, guanilic, timidilic, citidilic şi uridilic.

În ARN ,numai poziţiile 1’ şi 4’ nu sunt disponibile pentru esterificare şi prin urmare vor exista nucleotide cu acidul fosforic în poziţiile 2’, 3’ şi 5’.

In schimb,fosforilarea restului de glucid al dezoxiribonucleozidului este posibilă numai în poziţia C-3’ şi C-5’ deoarece atomii C-1’ şi C-4’ sunt incluşi în ciclul furanozic, iar atomul C-2’ nu are grupă hidroxil. Ambele tipuri de fosfaţi au fost identificate în dezoxiribonucleotide izolate după hidroliza ADN. Structurile acizilor adenilic şi dezoxiadenilic se prezintă astfel:

H

OH2C

HHH

HO OH

NH2

N

N

N

N

Acid 5'-adenilic(Adenozin-5'-monofosfat) 5' AMP

OPO

HO

HO

H

OH2C

HHH

HO H

NH2

N

N

N

N

Acid 5'-dezoxiadenilic(Dezoxiadenozin-5'-monofosfat) 5'd AMP

OPO

HO

HO

Analog acidului adenilic sunt constituite şi celelalte nucleotide ce intră în constituţia acizilor nucleici:

133

Acizi nucleici

Nucleotidele predominante în celulă sub formă liberă sunt cele care au restul de acid fosforic în poziţia 5’, adică nucleozid-5’-fosfaţii; aceste nucleotide îndeplinesc roluri importante în metabolismul celular. Structura şi nomenclatura celorlalte ribonucleotide (ribonucleozide-5’-monofosfat) şi dezoxiribonucleotide (dezoxiribonucleozide-5’-monofosfat) sunt următoarele:

Ribonucleotide:

H2N

H

N

N

N

N

Acid guanilic(Guanozinmonofosfat) GMP

H

O

OH2C

HHH

HO OH

OPO

HO

HO

O

H

H

Acid uridilic (Uridinmonofosfat) UMP

N

NO

OH2C

HHH

HO OH

OPO

HO

HO

NH2

H

Acid citidilic (Citdinmonofosfat) CMP

N

NO

OH2C

HHH

HO OH

OPO

HO

HO

Dezoxiribonucleotide:

Baze azotate Nucleozide NucleotidePuriniceAdenina Adenozina Acidul adenilic (AMP)Guanina Guanozina Acidul guanilic (GMP)

PirimidiniceCitozina Citidina Acidul citidilic (CMP)Uracilul Uridina Acidul uridilic (UMP)Timina Timidina Acidul timidilic (TMP)5-metilcitozina 5-metilcitidina Acidul 5-metilcitidilic

134

H2N

H

N

N

N

N

Acid dezoxiguanilic(dezoxiguanozinmonofosfat) d GMP

H

O

OH2C

HHH

HO H

OPO

HO

HO

CH3

O

H

H

Acid timidilic (Timidinmonofosfat) TMP

N

NO

OH2C

HHH

HO H

OPO

HO

HO

NH2

H

Acid dezoxicitidilic(Dezoxicitidinmonofosfat) d CMP

N

NO

OH2C

HHH

HO H

OPO

HO

HO


În ţesuturi şi în unii acizi nucleici există un produs de dezaminare a acidului adenilic numit acid inozinic:

Nucleozid-5’-fosfaţii (sau 5’-nucleotidele) sunt substanţe care au proprietatea de a intensifica răspunsul organelor senzoriale la stimulii gustativi ai unui aliment, adică sunt potenţiatori de aromă. Ele acţionează sinergic cu glutamatul şi sunt utilizate pentru aromatizarea supelor pulbere, a sosurilor, a semiconservelor de carne etc..

Nucleotidul 3’,5’-AMP-ciclic (cAMP) este un nucleotid la care acidul fosforic esterifică grupele –OH din poziţiile 3’ şi 5’ ale aceleiaşi molecule de riboză, formându-se o legătură di-ester internă (3’→5’).

c-AMP este dotat cu proprietăţi regulatoare funcţionând în diverse procese biochimice ca un regulator al activităţilor metabolice şi fiziologice. La mamifere, acţiunea c-AMP este corelată cu activitatea unor hormoni care activează enzima adenilatciclaza, responsabilă pentru formarea sa în celulă din ATP. La rândul sau, c-AMP controlează activitatea unor enzime şi are un rol important în sinteza proteinelor. c-AMP se găseşte şi în ţesuturile vegetalelor însă funcţia sa, în acest caz, nu este clarificată.

Nucleotide difosfat şi trifosfat. Acidul adenilic poate lega la restul său de fosfat încă una sau două resturi de

acid fosforic cu formarea adenozindifosfatului (ADP) sau adenozintrifosfatului (ATP). În molecula de adenozintrifosfat, trei resturi de acid fosforic se leagă succesiv una de alta, în următoarea structură:

135

H

N

N

N

N

Acid inozinic(inozinmonofosfat) IMP

H

O

OH2C

HHH

HO OH

OPO

HO

HO

H

N

N

N

N

c-AMP

OCH2

HHH

O OH

NH2

O

PO

HO

N

N

NH2

N

N

OCH2

OH OH

H HH H

OPO

O

OH

~P

OH

O

O~P

OH

O

HO

legături macroergice

legătură esterică normală

Adenina

Riboza

Adenozina

Adenozinmonofosfat (AMP)

Adenozindifosfat (ADP)

Adenozintrifosfat (ATP)

Acizi nucleici

Se observă că ADP şi ATP sunt compuşi ce conţin legături macroergice, adică posedă o cantitate mare de energie pe care o eliberează la descompunerea lor hidrolitică. Prin hidroliza unei legături esterice obişnuite se formează aproape 2-3 kcal, iar prin hidroliza unei legături macroergice din ATP - aproximativ 7 kcal. Această eliberare de energie are loc prin defosforilarea ATP-ului cu formare de ADP sau AMP, iar energia produsă este utilizată în celule pentru diferite procese de sinteză sau alte scopuri. La rândul său, ADP se fosforilează în ATP pe seama energiei care se eliberează prin oxidarea compuşilor organici. În celulele organismelor are loc permanent procesul de defosforilare a ATP şi de fosforilare a ADP sau AMP. Reacţia:

ATP ↔ ADP + Pi

reprezintă baza bioenergeticii şi reflectă dinamica fluxului de energie în cadrul celulei; prin această reacţie se asigură transferul energiei chimice utilizată în metabolismul celular al tuturor organismelor.

Energetica sistemuluiATP ↔ ADP + Pi

implică două aspecte fundamentale şi anume:- conservarea energiei chimice rezultată din metabolizarea alimentelor:

ADP + Pi →ATP

- eliberarea şi utilizarea energiei stocate:

ATP → ADP + Pi

Sub acţiunea unei enzime specifice – adenilatciclaza, adenozintrifosfatul formează c-AMP după următoarea reacţie:

ATP → c AMP + PP

Analog cu ADP şi ATP, sunt alcătuite uridindifosfatul (UDP) şi uridintrifosfatul (UTP) care sunt necesari pentru activitatea unor enzime ce catalizează transformarea şi sinteza multor zaharuri (glucoză, fructoză, galactoză, zaharoză, amidon, celuloză).

Compuşii macroergici ai acidului citidilic sunt citidindifosfatul (CDP) şi citidintrifosfatul (CTP). Ultimul intră în constituţia enzimelor ce iau parte la sinteza fosfatidelor. Ca rezultat al legării unui rest de acid fosforic la acidul guanilic, se formează guanozindifosfat (GDP), iar dacă la acesta se mai leagă încă un rest de ortofosfat se obţine guanozintrifosfat (GTP).

Se prezintă mai jos denumirea completă şi prescurtată a celor mai importante nucleotide şi derivaţilor lor fosforilaţi:

Nucleotidul Denumirea

136


prescurtatăAdenozinmonofosfat (acid adenilic) AMPAdenozindifosfat ADPAdenozintrifosfat ATPGuanozinmonofosfat (acid guanilic) GMPGuanozindifosfat GDPGuanozintrifosfat GTPCitidinmonofosfat (acid citidilic) CMPCitidindifosfat CDPCitidintrifosfat CTPUridinmonofosfat (acid uridilic) UMPUridindifosfat UDPUridintrifosfat UTPTimidinmonofosfat (acid timidilic) TMP

Toţi aceşti compuşi, joacă în organism un rol deosebit de important în metabolismul substanţelor şi în special, în biosinteza lipidelor şi glucidelor.

Un rol esenţial în procesele metabolice îl au, de asemenea, şi alte nucleotide şi derivaţii lor.

Nicotinamidadenindinucleotidul (NAD+) şi nicotinamidadenindinucleotid fosfatul (NADP+), flavinmononucleotidul (FMN) şi flavinadenindinucleotidul (FAD) sunt transportori de hidrogen în reacţiile de oxidoreducere

. Coenzima A (CoA), alcătuită după principiul nucleotidelor, joacă un rol important în procesele de activare a transferului şi metabolismului acizilor graşi.

5.3. Structura acizilor nucleici

5.3.1. Structura primară

Acizii nucleici sunt polimeri ai nucleotidelor. Indiferent de tipul de care aparţin (ARN sau ADN), molecula lor este constituită din lungi lanţuri polinucleotidice, în care resturile de acid fosforic formează legături diesterice cu câte două molecule de pentoză la atomul C-3’ din una şi C-5’ din cealaltă. Astfel iau naştere catene lungi în care resturile de acid fosforic alternează cu resturi pentozice la care, la atomii C-1’ sunt legate baze azotate.

Acest schelet este comun tuturor acizilor nucleici, cu deosebire că în ADN pentoza este dezoxiriboza, iar în ARN - riboza şi a faptului că ADN conţine adenină, guanină, citozină şi timină, iar în ARN sunt prezente adenina, guanina, citozina şi uracilul.

137

Acizi nucleici

Într-un polinucleotid liniar există legături glicozidice care leagă bazele azotate de pentoză, legături esterice între pentoză şi acidul fosforic şi legături diesterice între nucleotide.

Toate aceste legături simple, covalente, alcătuiesc structura primară a acizilor nucleici, adică compoziţia şi secvenţa resturilor de nucleotide în lanţul polinucleotidic al acizilor nucleici.

Cu alte cuvinte, nivelul primar de organizare structurală a ADN şi ARN indică natura, proporţia şi secvenţa bazelor azotate ale nucleotidelor care constituie macromolecula lor.

Pentru reprezentarea schematică a structurii primare se procedează astfel: orizontal se redau lanţurile atomilor de carbon ai glucidelor cu bazele azotate legate în C-1’, iar în diagonală – legăturile fosfat diesterice dintre atomul C-3’ (în apropierea mijlocului liniei orizontale) şi atomul C-5’ (la capătul următoarei orizontale).(Fig. 5.1. )

Pentru polinucleotidele lungi se utilizează şi o schemă cu litere. Cu literele A, G, C, U şi T se reprezintă nucleozidele, iar grupa fosfat se reprezintă cu litera p. Când aceasta se găseşte la dreapta, esterifică la C-3’, când se găseşte la stânga, la C-5’. Astfel, în ApUp – grupa fosfat esterifică în C-3’ adenozina şi în C-5’ uridina. Totodată, uridina este fosforilată şi în C -3’.

Toate mononucleotidele sunt dispuse în molecula acidului nucleic într-o ordine strict determinată, specifică polinucleotidului respectiv. Nu există nici o ramificare a lanţului.

Fragmente ale lanţurilor de ADN şi ARN au un aspect caracteristic :

138

P

P

P

5'-P

3' 1'

5' 3' 1'

5'1'

T

C

G

3'-OH

T

C

G

5'-P

3'-OH

pTpCpG

Fig. 5.1. Reprezentarea schematică a structurii primare a unui fragment de ADN


ADNO

H

H

N

NO

OH2C

HHH

O OH

O

H

OH2C

HHH

O OH

NH2

N

N

N

N

OPO

HO O

H

H

N

NO

OH2C

HHH

O OH

OPO

HO

H2N

H

N

N

N

N

H

O

OH2C

HHH

O OH

OPO

HONH2

H

N

NO

OH2C

HHH

O OH

OPO

HO

în lant

în lant

în lant

CH3

O

H

H

N

NO

OH2C

HHH

O H

O

H

OH2C

HHH

O H

NH2

N

N

N

N

OPO

HO

CH3

O

H

H

N

NO

OH2C

HHH

O H

OPO

HO

H2N

H

N

N

N

N

H

O

OH2C

HHH

O H

OPO

HO NH2

H

N

NO

OH2C

HHH

O H

OPO

HO

în lant

ARN

5.3.2. Structura secundară

Alături de legăturile simple, covalente, în moleculele acizilor nucleici există legături de hidrogen care joacă un rol important în conformaţia lor spaţială. Structura secundară a fost propusă iniţial pentru ADN de către Watson şi Crick în 1953, iar mai târziu (1963) şi pentru ARN.

La baza organizării acestei structuri secundare stau următoarele reguli stabilite pe baza datelor experimentale privind compoziţia chimică a ADN:

1) Conţinutul molar de purine este egal cu conţinutul molar de pirimidine, conţinutul de adenină este egal cu conţinutul de timină (A/T = 1), conţinutul de guanină este egal cu cel de citozină (G/C = 1), iar suma cantităţii de adenină şi guanină este egală cu suma cantităţii de citozină şi timină: (A + G) = (C + T), sau (A + G) / (C + T) = 1;

139

Acizi nucleici

2) Cantitatea de grupe 6-aminice care intră în compoziţia bazelor azotate ale ADN (adenină şi citozină) este egală cu cantitatea de grupe 6-cetonice ce există în aceste baze (guanină şi timină), prin urmare (G + T) = (A + C), sau (G + T) / (A + C) = 1.

Aceste date, asociate cu studiile efectuate prin analize, au permis elaborarea unui model spaţial al structurii secundare a ADN. În conformitate cu modelul elaborat, macromolecula de ADN este alcătuită din două lanţuri polinucleotidice antiparalele sub formă de spiră, răsucite unul cu altul. Fiecare lanţ reprezintă în sine un polinucleotid în care o legătură diesterică leagă mononucleotidele una cu alta. În lungul axei fiecărui lanţ, la fiecare 0,34 nm se găseşte un mononucleotid. Unghiul dintre nucleotidele alăturate în fiecare lanţ este 36o.

În lanţ, mononucleotidele sunt astfel dispuse încât bazele azotate se găsesc în interior, iar pentoza şi acidul fosforic în afară. Cele două lanţuri paralele sunt înfăşurate în jurul unei axe comune şi sunt legate unul de altul prin bazele lor azotate de-a lungul întregii molecule de ADN, cu ajutorul legăturilor de hidrogen care menţin şi stabilizează o arhitectură spaţială. Legăturile de hidrogen sunt îndreptate de la grupa 6-NH2 a adeninei către grupa 6=O a timinei, de la grupa 2 -NH2 a guaninei la grupa 2 =O a citozinei şi de la grupa 6-NH2 a citozinei la grupa 6 =O a guaninei. (Figura 5.2.)

140

Fig. 5.2. Legăturile de hidrogen dintre bazele azotate complementare din ADN


În acelaşi timp se formează legături de hidrogen şi cu participarea grupelor –NH existente în 9 la guanină şi 3 la timină.

Ca urmare, adenina unui lanţ polinucleotidic se va uni întotdeauna prin două legături de hidrogen cu timina celuilalt lanţ (AT) iar guanina va forma întotdeauna trei legături de hidrogen cu citozina (GC).

Aceasta însemnă că succesiunea distribuţiei (secvenţa) bazelor azotate în unul din cele două lanţuri poate fi oricare, dar succesiunea distribuţiei bazelor azotate în celălalt lanţ trebuie să se găsească în strânsă legătură cu succesiunea lor în primul lanţ. Perechile adenină- timină şi guanină-citozină sunt complementare una faţă de cealaltă.

Ca urmare, macromolecula de ADN este constituită din două lanţuri complementare între ele, adică este vorba de o deplină reflectare a secvenţei nucleotidelor unui lanţ în secvenţa celuilalt.

5’P 3’OH Schematic, un fragment al celor două lanţuri ale ADN se poate reda astfel:

Sensul lanţurilor în raport cu legăturile dintre nucleotide este diferit, adică lanţurile sunt antiparalele.

Dacă, de exemplu, în lanţul de deasupra, legăturile fosfodiesterice între A şi G, G şi T, T şi C ş.a.m.d. sunt de tipul 5’→3’, în lanţul inferior legăturile fosfodiesterice între T şi C, C şi A, A şi G ş.a.m.d., sunt de tipul 3’→5’. Ambele lanţuri sunt spirale de dreapta, înfăşurate în jurul aceleiasi axe (Figura 5.3.) Diametrul helixului este de 2,0 nm, iar fiecare spiră a

3’OH 5’P acestuia conţine 10 perechi de baze azotate.

Orientarea antiparalelă a celor două catene reflectă o polaritate opusă datorită neidentităţii grupelor terminale de la fiecare capăt al dublului helix. Deoarece direcţionarea unei catene este în sensul 3’→5’ şi a celeilalte în sensul 5’→3’, grupele terminale ale celor două catene vor fi 5’(P) şi 3’(OH) spre un capăt al lor şi

respectiv 3’(OH) şi 5’(P) spre celălalt capăt.

Stabilitatea structurii spaţiale a ADN este asigurată, pe lângă legăturile de hidrogen intercatenare, şi prin caracterul polianionic al macromoleculei, caracter datorat disocierii grupelor –OH ale radicalului acidului fosforic din fiecare mononucleotid.

141

5'(P)AGTCAAGTGGCC

3' (OH)

3'(OH)TCAGTTCACCGG

5' (P)

Fig. 5.3. Modelul structurii spaţiale dublu-elicoidale a moleculei de ADN

Acizi nucleici

Ca polianion, ADN poate stabili interacţiuni electrostatice cu proteine bazice (histone) care conţin aminoacizi încărcaţi electropozitiv (în nucleoproteide).

Spre deosebire de ADN, majoritatea tipurilor de ARN au o structură monocatenară (fac excepţie ARN al unor microorganisme şi virusuri), însă împerecherea bazelor azotate poate avea loc şi în acest caz. Firul de ARN se înfăşoară singur, formând legături de hidrogen între adenină - uracil şi guanină - citozină. Molecula de ARN este capabilă să-şi modifice reversibil forma, dimensiunea, numărul legăturilor de hidrogen în funcţie de puterea ionică, pH-ul, temperatura soluţiei etc..

Denaturarea ADN. În anumite condiţii de temperatură, pH etc., se produce o distrugere a structurii secundare, adică a structurii dublu elicoidale a ADN. Acest fenomen poartă denumirea de denaturare. Este caracteristic pentru acizii nucleici ca şi pentru proteine şi este însoţit de modificarea proprietăţilor lor. Denaturarea polinucleotidelor poate fi un proces reversibil. Experimentele au demonstrat că prin denaturarea diferitelor ADN din bacterii urmată de renaturarea lor, pot să ia naştere molecule „hibride” de ADN, alcătuite din fragmente ale moleculelor iniţiale de ADN. Acest fenomen poartă denumirea de hibridare moleculară şi stă la baza ingineriei genetice, domeniu care are drept scop construirea în afara organismului a unor molecule recombinate de ADN cu anumite însuşiri biologice (ADN – recombinat).

5.4. Proprietăţile, localizarea şi funcţiile acizilor nucleici

Structura acizilor nucleici determină proprietăţile lor fizico-chimice şi funcţionale.

Acizii nucleici sunt substanţe de culoare albă, cu aspect filiform, care se dizolvă greu în apă când sunt în stare liberă dar bine – atunci când sunt sub formă de săruri cu metale alcaline. De asemenea, se dizolvă în soluţii de săruri: ARN - în diluate, iar ADN - în mult mai concentrate. ARN nu este stabil în mediu alcalin. Masa moleculară a ADN variază de la 5∙105 până la 2∙107 şi mai mult, iar molecula sa este alcătuită din mii de mononucleotide. Masa moleculară a ARN este cuprinsă între 3∙104 până la 2∙106, iar mononucleotidele dintr-o moleculă sunt până la 4-6 mii.

Soluţiile acizilor nucleici posedă o mare viscozitate. Având un număr mare de sarcini negative, moleculele lor se deplasează în câmpul electric. O caracteristică a acizilor nucleici o constituie capacitatea lor de a absorbi lumina în zona radiaţiilor ultraviolete la 260 nm.

Preparatele de ADN izolate din diferite organisme se caracterizează printr-un raport cantitativ diferit între bazele azotate purinice şi pirimidinice. Compoziţia nucleotidică a ADN este caracteristică pentru un anumit organism, pentru o anumită specie biologică. Altfel vorbind, ADN are o specificitate de specie. Pe aceste proprietăţi ale acizilor nucleici au fost elaborate principiile genosistemicii organismelor vii.

142


În diferite celule şi ţesuturi ale unuia şi aceluiaşi organism, ADN are o compoziţie nucleotidică identică sau într-o mare măsură foarte apropiată care nu este influenţată nici de factorii fiziologici, nici de condiţiile de mediu. Totuşi, la unele organisme conţinutul diferitelor baze ce intră în ADN variază în condiţii largi. Indicele de variabilitate pentru o anumită specie se exprimă prin raportul:

care a primit denumirea de coeficient de specificitate al acizilor nucleici. În limitele fiecărui tip de ADN există o infinitate de posibilităţi de variaţie a gradului de predominare a uneia sau alteia din perechile de baze azotate (A + T şi G + C). Aceasta creează posibilitatea existenţei unei mari diversităţi a ADN în lumea organismelor vii.

Compoziţia nucleotidică a ARN variază cu mult mai puţin decât cea a ADN. Specificitatea de specie a ARN constă în diferita succesiune de distribuţie a nucleotidelor în moleculele sale.

ADN şi ARN sunt localizaţi în diferite organite celulare. ADN se găseşte preponderent în nucleul celular (în compoziţia cromozomilor), însă un mic procent din cantitatea totală de ADN din celulă este concentrat în mitocondrii şi cloroplastele vegetalelor. ARN se găseşte atât în nucleu cât şi în citoplasmă; deosebit de bogaţi în ARN sunt nucleolul şi fracţiunea ribozomală a microzomilor. În afară de aceasta, ARN se găseşte în cromozomi şi sub formă solubilă în lichidul citoplasmatic. În constituţia virusurilor intră ARN (virusuri vegetale) şi ADN (bacteriofagi, virusuri animale). Conţinutul de ARN în celule nu se distinge nici prin uniformitate, nici prin stabilitate. În celulele acelor organe unde are loc o intensă sinteză a proteinelor, conţinutul de ARN este de câteva ori mai mare decât cel de ADN.

Particularităţile funcţionale ale ADN şi ARN sunt strâns legate de localizarea lor. ADN reprezintă materialul de bază al genelor în care sub o formă codificată, se păstrează informaţia genetică a organismului care se traduce prin biosinteza proteinelor. Dubla elice şi complementaritatea structurii bicatenare constituie baza moleculară a fenomenului de autoduplicare sau autoreplicare a ADN în momentul diviziunii celulare şi explică faptul că ADN, prin structura sa, reprezintă unicul substrat al eredităţii. Prin mecanismul de replicare se asigură constanţa conservării şi transmiterii caracterelor ereditare, deoarece cele două molecule fiice ale ADN nou sintetizate sunt perfect identice cu molecula mamă de ADN. În felul acesta se asigură perpetuarea celulei prin procesul ADN ADN. ADN conţine o vastă cantitate de informaţii şi constituie baza moleculară a conservării şi transmiterii din generaţie în generaţie a informaţiei genetice.

ARN are o altă funcţie: de a informa citoplasma asupra caracteristicilor înscrise în codul genetic. Acest lucru se manifestă, înainte de toate, în responsabilitatea ARN în sinteza proteinelor şi specificitatea moleculelor ce se sintetizează. În celulă există trei specii moleculare distincte de ARN: mesager (m-ARN) sau informaţional, ribozomal ( ARN) şi de transfer ( t-ARN).

143

Acizi nucleici

Aceste trei tipuri de ARN rezultă prin copierea integrală sau parţială a secvenţei ADN, pe baza unui mecanism molecular denumit transcripţie şi participă la procesul de biosinteză a proteinelor, având fiecare o funcţie specifică.

ARN mesager reprezintă 5-10% din ARN celular. Este prezent în nucleu (unde se sintetizează) şi în citoplasmă. Reprezintă o moleculă monocatenară şi conţine patru baze azotate: adenină, guanină, citozină şi uracil a căror secvenţă este similară cu cea a uneia din cele două catene ale ADN. Sinteza m-ARN are loc în nucleul celular şi se efectuează printr-un proces enzimatic de transcriere a secvenţei nucleotidice de pe ADN, cu deosebire că timina din ADN este înlocuită cu uracil în m-ARN. Procesul de sinteză a m-ARN poartă denumirea de transcripţie; prin acest proces, informaţia genetică codificată în secvenţa de nucleotide a ADN este transcrisă în secvenţa de nucleotide a m-ARN prin participarea enzimei ARN-polimeraza ADN-dependentă.

După terminarea transcripţiei, m-ARN trece la ribozomi unde serveşte cu matrice (tipar) pentru sinteza proteinelor; fiecare proteină sintetizată de celulă este codificată de un m-ARN specific care transmite la nivelul ribozomilor „mesajul” preluat de la ADN. Acest mesaj se traduce în secvenţa aminoacizilor din structura proteinelor sintetizate.

Transmiterea informaţiei genetice se reprezintă prescurtat sub forma următoare, numită „dogma centrală a biologiei moleculare”:

autoreplicare ADN ARN proteinetranscriptie translatie

ARN de transfer reprezintă 10 – 15% din ARN total al celulei, intră în constituţia citoplasmei unde se găseşte în stare solubilă şi neasociat cu proteinele. t-ARN conţine 75-90 mononucleotide şi prezintă o structură monocatenară de tip ordonat cu conformaţie pliată. Unele porţiuni ale t-ARN, în care diversele zone ale monocatenei se apropie mai mult între ele şi iau naştere legături de hidrogen între

secvenţele de baze azotate complementare (A-U, G-C) ajunse într-o juxtapunere spaţială corespunzătoare, au o structură dublu spiralată, dar intracatenară. În fiecare moleculă de t-ARN se găsesc şi zone ce nu conţin legături de hidrogen responsabile de legarea cu aminoacizii în timpul transferului acestora pe ribozomi.

Alături de bazele azotate principale, t-ARN conţine şi o cantitate de aşa-numite baze azotate minore (atipice): dihidrouracil, tiouracil, metilguanină, timină, care au rolul de a conferi stabilitate conformaţiei sale, favorizând interacţiunile între acele segmente ale catenei poliribonucleotidice care sunt complementare şi care apar ca regiuni spiralate.

144

Fig. 5.4. Structura secundară a t-ARN


Funcţia t-ARN constă în transportul din citoplasmă în ribozomi a aminoacizilor ce intră în constituţia unei anumite proteine: prin aceasta t-ARN îndeplineşte rol de „adaptor” molecular, care ordonează fiecare aminoacid într-o secvenţă precisă în lanţul polipeptidic, pe baza recunoaşterii mesajului genetic conţinut în m-ARN ataşat la ribozomi şi provenit de la ADN. Pentru fiecare aminoacid există un t-ARN specific.

ARN ribozomal se găseşte în constituţia ribozomilor (până la 65% din masa lor) – organite unde are loc sinteza proteinelor. Acest tip de ARN reprezintă 75 – 80% din totalul ARN celular. În general, r-ARN reprezintă molecule monocatenare liniare, dar se pot prezenta şi într-o formă elicoidală care rezultă dintr-o retrospiralare a aceleiaşi catene polinucleotidice. Această spiralare apare numai în regiuni limitate şi anume acolo unde este posibilă stabilirea de legături de hidrogen între bazele azotate ale aceleiaşi catene. r-ARN îndeplineşte un rol structural: în combinaţie cu proteinele corespunzătoare formează structura ribozomilor.

145

ACIZI NUCLEICI

Documents

Transcript of ACIZI NUCLEICI