Acizii Nucleici

Importanţa biomedicală a acizilor nucleici: baza chimică a eredităţii

• Un călugăr din secolul XIX pe nume Gregor Mendel a introdus pentru prima oară noţiunea de genă: unitate de bază responsabilă pentru deţinerea şi transmiterea a unei caracteristici unice.

• Iniţial s-a crezut că proteinele cară informaţia genetică, pînă la mijlocul secolului XX, cînd s-a descoperit că ADN-ul este baza eredităţii, datorită faptului că este capabil de auto-replicare.

Acizii nucleici suntADN-ul şi ARN-ul

ADN• Sediul principal al

localizării ADN-ului este nucleul celulelor.

• Sedii secundare sunt: mitocondriile şi cloroplastele (în celula vegetală).

ARN• Diferitele tipuri de

ARN sunt localizate în nucleu, citoplasmă, mitocondrii, ribozomi.

Ce sunt acizii nucleici (ADN and ARN)?

• Acizii nucleici sunt polinucleotide (produşi de policondensarea aunor unităţi denumite nucleotide).

• Nucleotidele reprezintă unitatea monomerică a acizilor nucleici şi sunt compuse din:

- o bază azotată heterociclică: - purine: adenină (A) şi guanină (G)- pirimidine: citozină (C) şi timină (T) pentru

ADN citozină (C) şi uracil (U) pentru ARN

- o pentoză: - dezoxiriboza (este prezentă în ADN)- riboza (este prezentă în ARN)

- fosfat

Pirimidinele

• Atomii heterociclului pirimidinic sunt numerotaţi de la 1 la 6 (astfel încat atomii de N din ciclu să primească indicele minim).

N

NH

NH2

ONH

NH

O

O

CH3

NH

NH

O

O1

2

3

4

5

6

Citozina Timina Uracil

Bazele azotate prezintă fenomenul de tautomerie

N

NH

NH2

O

NC

NH2NH

CNH

forma lactam forma lactim

forma amino forma imino

CN OH

CHN O

Citozina

Bazele azotate prezintă fenonemul de tautomerie

• Formele mai stabile:– Forma lactam este mai stabilă decît forma

lactim– Forma amino este mai stabilă decît forma

imino

• În acizii nucleici există formele lactam şi amino

Purine

N

N

NH

N

NH2

N

NH

NH

N

NH2

O

1

2

3

4

5

67

8

9

Adenina Guanina

• Atomii heterociclului purinic sunt numerotaţi de la 1 la 9 (astfel încat atomii de N din ciclu să primească indicele minim).

Pentoze

• Atomii de carbon ai pentozelor sunt numerotaţi de la 1’ la 5’.

• Pentoza din ADN este dezoxiriboza, căruia îi lipseşte gruparea hidroxil 2’-OH.

• Pentoza din ARN este riboza.

OHO

CH2OH

OHOH

OHO

CH2OH

OH

Riboza Dezoxiriboza

1’2’3’

4’

5’

lipseşte2’-OH

Structura nucleozidelor: bază + pentoză

• Nucleozidele sunt derivaţi ai bazelor azotate care au o pentoză legată de un atom de azot din heterociclu:N9 pentru purineN1 for pirimidine

printr-o legătură β-N-glicozidică.

Legătură β-N-glicozidică

Structura nucleotidelor• Nucleotidele sunt compose din nucleozide (basă + pentoză) şi 1, 2, sau 3

grupări fosfat (se formează o legătură esterică între fosfat şi 5’-OH). • Mononucleotide (nucleozid-monofosfat)= nucleozid + 1 fosfat• Nucleozid-difosfat = nucleozid + 2 fosfat

• Nucleozid-trifosfat = nucleozid + 3 fosfat

Terminologie Ribonucleozide/Ribonucleotide(cînd pentoza = riboză)

Baza Nucleozidul Nucleotidul

Adenina (A)

Adenozina (A) Adenozin monofosfat (AMP) sau adenilat

Adenozin difosfat

(ADP)

Adenozin trifosfat

(ATP)

Terminologie Ribonucleozide/Ribonucleotide(cînd pentoza = riboză)

Baza Nucleozidul Nucleotidul

Adenina (A) Adenozina (A) Adenozin monofosfat (AMP)

Adenozin difosfat (ADP)

Adenozin trifosfat (ATP)

Guanina (G) Guanozina (G) Guanozin monofosfat (GMP)

Guanozin difosfat (GDP)

Guanozin trifosfat (GTP)

Citozina (C) Citidina (C) Citidin monofosfat (CMP)

Citidin difosfat (CDP)

Citidin trifosfat (CTP)

Uracil (U) Uridina (U) Uridin monofosfat (UMP)

Uridin difosfat (UDP)

Uridin trifosfat (UTP)

Timina (T) Timidina (T) Timidin monofosfat (TMP)

Timidin difosfat (TDP)

Timidin trifosfat (TTP)

Terminologie comparativă

• Ribonucleotide Dezoxiribonucleotide

Adenozin monofosfat

(AMP) sau adenilat

Dezoxiadenozin monofosfat

(dAMP) sau dezoxiadenilat

Adenozin difosfat

(ADP)

Dezoxiadenozin difosfat

(dADP)

Adenozin trifosfat Dezoxiadenozin trifosfat

(dATP)

Terminologie Dezoxiribo-nucleozide/nucleotide(cînd pentoza = dezoxiriboză)

Baza Nucleozidul Nucleotidul

Adenina (A) Dezoxiadenozina (A) Dezoxiadenozin monofosfat (dAMP)

Dezoxiadenozin difosfat (dADP)

Dezoxiadenozin trifosfat (dATP)

Guanina (G) Dezoxiguanozina (G) Dezoxiguanozin monofosfat (dGMP)

Dezoxiguanozin difosfat (dGDP)

Dezoxiguanozin trifosfat (dGTP)

Citozina (C) Dezoxicitidina (C) Dezoxicitidin monofosfat (dCMP)

Dezoxicitidin difosfat (dCDP)

Dezoxicitidin trifosfat (dCTP)

Uracil (U) Dezoxiuridina (U) Dezoxiuridin monofosfat (dUMP)

Dezoxiuridin difosfat (dUDP)

Dezoxiuridin trifosfat (dUTP)

Timina (T) Dezoxitimidina (T) Dezoxitimidin monofosfat (dTMP)

Dezoxitimidin difosfat (dTDP)

Dezoxitimidin trifosfat (dTTP)

Funcţiile fiziologice ale nucleotidelor

• “Cărămizi” pentru sinteza acizilor nucleici • Compuşi macroergici care furnizează energia

necesară diferitelor procese biologice (ex. ATP, GTP)

• Reglatori alosterici ai diferitelor enzime (ex.ADP e activator alosteric al ICDH din ciclul Krebs)

• Donori de grupe metil (ex.S-adenozilmetionina)• Mesageri intracelulari ai hormonilor hidrofili

(ex. AMPc, GMCc)

Nucleotide naturale libere: AMPc

OCH2

OP

O

O

A den ine

N

N

N

N

NH2

O

OH

R ibose

AMPc

• 3’,5’adenozin monofosfatul ciclic (AMPc) este mesager secund imlicat în transmiterea mesajului hormonal din mediul extracelular în interiorul celulei.

Lanţul polinucleotidic al ADN(structura primară/covalentă)

N

NH

N

N

NH2

O G uan ine

OCH2OH

O

OCH2

O

PO

O

O

PO O

O

N

N

NH2

O

C ytos ine

OCH2

OH

PO

O

O

NH

NH

O

O

CH3

Thym ine

3' end

5' end

• ADN este un polidezoxiribonucleotid în care gruparea 3’OH a unui dezoxiriobonucleotid este legată la gruparea 5’OH a dezoxiriobonu-cleotidului vecin printr-o legătură fosfat diesterică.

• Lanţul polinucleotidic este polar:prezintă două capete distincte.

• Capătul 3’este cel cu gruparea 3’-OH liberă.

• Capătul 5’este cel cu gruparea 5’-OH liberă sau fosforilată.

• Lanţul polinucleotidic al ADN este încărcat negativ la pH-ul fiziologic.

3’linkage

5’linkage

1’

N

NH

N

N

NH2

O G uan ine

OCH2OH

O

OCH2

O

PO

O

O

PO O

O

N

N

NH2

O

C ytos ine

OCH2

OH

PO

O

O

NH

NH

O

O

CH3

Thym ine

3' end

5' end

P

P

P

G

C

T

OH

OH

Reprezentare simplificată a lanţului ADN

3’

3’

3’

5’

5’

5’

Pentoza: linie orizontală

Baza: litera corespondentă

Leg. fosfodiesterică:

linie oblică şi P la mijloc

N

NH

N

N

NH2

O G uan ine

OCH2OH

O

OCH2

O

PO

O

O

PO O

O

N

N

NH2

O

C ytos ine

OCH2

OH

PO

O

O

NH

NH

O

O

CH3

Thym ine

3' end

5' end

Reprezentarea simplificată a catenei de ADN

Prin convenţie o catenă de ADN se scrie în direcţia 5’- 3’.

ex. GCT înseamnă 5’GCT 3’

Dublu helixul ADN

• Watson şi Crick au decoperit că structura secundară a ADN este un dublu helix –formată din două catene de ADN asociate prin împerecherea bazelor

• Inelele glucidice legate prin resturi fosfat constituie scheletul extern al dublu helixului, în timp ce bazele azotate hidrofobe sunt orientate spre interior şi perpendicular pe axa helixului.

• ADN-ul uman conţine aproximativ 3,5 x 109 “perechi de baze”.

1. Stabilitatea ADNdc este asigurată de: - interacţiunile hidrofobe dintre bazele azotate suprapuse (stivuite) de pe aceeaşi catenă - legăturile de hidrogen ce se stabilesc între bazele azotate de pe o catenă şi cele complementare de pe cealaltă catenă.

1. Cele două catene de ADN sunt antiparalele.

Dublul helix al ADN( structura secundară)

3. G-C are 3 legături de H. A-T are 2 legături de H.

4. Cele două catene sunt complementare (G is complementară C, A is complementare T).

5. Nr. A = Nr. T Nr. G = Nr. C

ADN dublu helix(structura secundara)

6. Există mai multe confomaţii ale ADN;

- Conformaţia B: descrisă de Watson şi Crick are orientare dreaptă, pasul dublu helixului este 34 Å (3,4nm), diametrul de 2nm, iar nr. perechi baze per tur este 10; cea mai răspîndită.

- Conformaţia A: dublu helix de dreapta dar mai compact, pasul elicei este de 2,8nm, nr. perechi baze per tur este 11.

- Conformaţia Z: dublu helix de stinga, pasul elicei 4,56nm şi nr. perechi baze per tur este 12.

Dublu helix ADN(structura secundară)

De la ADN la cromozomi

• In eucariote ADN-ul este stocat în nucleu. Deoarece nu este suficient sapţiu iar molecula ADN-ului este extrem de mare (lungimea ADN de la o singură celulaă umană e 2m!!!), ADN-ul trebuie compactat.

• Există cinci nivele de compactare a ADN care conduce la o scădere de 10.000 de ori lungimii ADN.

Nivelele de compactare a ADN în nucleu

-Primul nivel-

r • Dublul helix de ADN se înfăşoară în jurul unui octamer proteic format din histone- fiecare unitate de ADN spiralată de 1,75 ori în jurul unui compelx histonic se numeşte nucleozom.

• Histonele sunt proteine bazice cu masă moleculară mică (max. 20.000), bogate în aa bazici (Arg pt.H2A, H2B şi, Lys pt H3, H4).

Nivelele de compactare a ADN în nucleu

-Primul nivel-

r

• În jurul octamerului histonic

(H2A H2B H3 H4)x2 este spiralat ADN-ul nucleozomic fomat din 140 perechi de baze.

• Nucleozomii sunt legaţi între ei prin ADN intrenucleozomic sau ADN linker format din 30 perechi de baze).Histona H1 itercaţionează cu ADN linker, avînd rol în superspiralizarea nucleozomilor.

• Polinulceozomul seamănă cu nişte “mărgele pe aţă” (=fibrile de cromatină de 10nm ).

Nivelele de compactare a ADN în nucleu-al doilea nivel-

• Polinucleozomul se superspiralează pentru a forma structura de solenoid.

• Solenoidul conţine 6-7 nucleozomi per tur.Pasul e de 10nm, diametrul de 30 nm.

• Solenoidul formează fibrele de cromatină de 30 nm.

Nivelele de compactare a ADN în nucleu-nivelele 3,4 şi 5-

r- Fibrele de cromatină se compactează şi mai mult form domenii în formă de buclă.

- Aceste domenii în buclă sunt superspiralizate şi organizate în structuri distincte numite cromozomi.

- ADN -ul uman nuclear ( genomul) constă în 23 perechi de cromozomi.

Diferenţa dintre celulele diploide şi celulele haploide

• Majoritatea celulelor eucariote conţin perechi de cromozomi şi sunt astfel denumite diploide.

• Celulele care conţin cromozomi nepereche sunt denumite haploide.

Cromozomii genomului uman