Structura Acizilor Nucleici

*

Importana biomedical a acizilor nucleici: baza chimic a ereditiiUn clugr din secolul XIX pe nume Gregor Mendel a introdus pentru prima oar noiunea de gen: unitate de baz responsabil pentru deinerea i transmiterea a unei caracteristici unice.

Iniial s-a crezut c proteinele car informaia genetic, pn la mijlocul secolului XX, cnd s-a descoperit c ADN-ul este baza ereditii, datorit faptului c este capabil de auto-replicare.

*

Acizii nucleici suntADN-ul i ARN-ulADNSediul principal al localizrii ADN-ului este nucleul celulelor.Sedii secundare sunt: mitocondriile i cloroplastele (n celula vegetal).

ARNDiferitele tipuri de ARN sunt localizate n nucleu, citoplasm, mitocondrii, ribozomi.

Dogma Central a geneticii moleculare

Propus de ctre Francis Crick n 1958 pentru a descrie fluxul informaiei genetice n celul.

Informaia depozitat n ADN este transferat ARN-ului, care mai departe o transfer proteinelor.

Dogma Central propus de Crick a suferit numeroase revizii n ultimii 47 de ani.

Acid dezoxiribonucleicAcid ribonucleic

Dogma Central a GeneticiiADN ARN proteine

Transcriere Traducere transcrierea = transferul informaiei genetice de la ADN la ARN (sintez de ARN pe matri de ADN) traducerea = transferul informaiei genetice de la ARN la proteinele functionale, a cror secven de aminoacizi este codificat n structura ADN-ului.replicarea = transferul informaiei genetice de la celula mam la celulele-fiice prin copierea ADN-ului parental cu formarea a dou molecule de ADN cu structur identic ADN-ului parental

*

Dogma Central RevizuitRecombinarea= reaaranjarea materialului genetic

Mutaii/Reparare = lezarea ADN cu alterarea informaiei genetice/ corectarea leziunilor ADN

Revers- transcrierea = transferul informaiei genetice de la ARN la ADN

Ce sunt acizii nucleici (ADN and ARN)?Acizii nucleici sunt polinucleotide (produi de policondensarea aunor uniti denumite nucleotide).

Nucleotidele reprezint unitatea monomeric a acizilor nucleici i sunt compuse din:

- o baz azotat heterociclic: - purine: adenin (A) i guanin (G)- pirimidine: citozin (C) i timin (T) pentru ADN citozin (C) i uracil (U) pentru ARN- o pentoz: - dezoxiriboza (este prezent n ADN)- riboza (este prezent n ARN) - fosfat

*

STRUCTURA BAZELOR AZOTATE

PirimidineleAtomii heterociclului pirimidinic sunt numerotai de la 1 la 6 (astfel ncat atomii de N din ciclu s primeasc indicele minim).

Bazele azotate prezint fenomenul de tautomerie

Bazele azotate prezint fenonemul de tautomerieFormele mai stabile:Forma lactam este mai stabil dect forma lactimForma amino este mai stabil dect forma imino

n acizii nucleici exist formele lactam i amino

PurineAtomii heterociclului purinic sunt numerotai de la 1 la 9 (astfel ncat atomii de N din ciclu s primeasc indicele minim).

STRUCTURA PENTOZELOR DIN ACIZII NUCLEICI

PentozeAtomii de carbon ai pentozelor sunt numerotai de la 1 la 5.Pentoza din ADN este dezoxiriboza, cruia i lipsete gruparea hidroxil 2-OH.Pentoza din ARN este riboza.

12345lipsete2-OH

STRUCTURA NUCLEOZIDELOR

Structura nucleozidelor: baz + pentozNucleozidele sunt derivai ai bazelor azotate care au o pentoz legat de un atom de azot din heterociclu:

N9 pentru purineN1 for pirimidine printr-o legtur -N-glicozidic.

Legtur -N-glicozidic

STRUCTURA NUCLEOTIDELOR

Structura nucleotidelorNucleotidele sunt compose din nucleozide (bas + pentoz) i 1, 2, sau 3 grupri fosfat (se formeaz o legtur esteric ntre fosfat i 5-OH). Mononucleotide (nucleozid-monofosfat)= nucleozid + 1 fosfatNucleozid-difosfat = nucleozid + 2 fosfatNucleozid-trifosfat = nucleozid + 3 fosfat

ntrebareUrmtoarele afirmaii sunt corecte:

Nucleozidele sunt formate dintr-o pentoz, o baz i o grupare fosfat.Forma lactam este mai stabil dect forma lactim i exist n citozin i uracil.Gruparea fosfat din nucleozidmonofosfai se leag printr-o legtur esteric de carbonul 5.Timina difer de uracil printr-o singur grupare metil.

Terminologie Ribonucleozide/Ribonucleotide(cnd pentoza = riboz)

BazaNucleozidulNucleotidulAdenina (A)Adenozina (A)Adenozin monofosfat (AMP) sau adenilat

Adenozin difosfat(ADP)

Adenozin trifosfat(ATP)

Terminologie Ribonucleozide/Ribonucleotide(cnd pentoza = riboz)

BazaNucleozidulNucleotidulAdenina (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 comparativ

RibonucleotideDezoxiribonucleotideAdenozin monofosfat (AMP) sau adenilatDezoxiadenozin monofosfat(dAMP) sau dezoxiadenilatAdenozin difosfat(ADP)Dezoxiadenozin difosfat(dADP)Adenozin trifosfatDezoxiadenozin trifosfat(dATP)

Terminologie Dezoxiribo-nucleozide/nucleotide(cnd pentoza = dezoxiriboz)

BazaNucleozidulNucleotidulAdenina (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)

Funciile fiziologice ale nucleotidelorCrmizi pentru sinteza acizilor nucleici Compui macroergici care furnizeaz energia necesar 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: AMPc3,5adenozin monofosfatul ciclic (AMPc) este mesager secund imlicat n transmiterea mesajului hormonal din mediul extracelular n interiorul celulei.

STRUCTURA ADN

1. structura primar2. structura secundar3. structura teriar

James Watson Francis Crick1962 Nobel Prizehttp://www.sciencemag.org/cgi/content/full/300/5617/255http://www.lecb.ncifcrf.gov/~toms/icons/Watson.Crick.Nature.jpg

STRUCTURA PRIMAR A ADN-ULUI

Lanul polinucleotidic al ADN(structura primar/covalent)ADN este un polidezoxiribonucleotid n care gruparea 3OH a unui dezoxiriobonucleotid este legat la gruparea 5OH a dezoxiriobonu-cleotidului vecin printr-o legtur fosfat diesteric.

Lanul polinucleotidic este polar:prezint dou capete distincte.

Captul 3este cel cu gruparea 3-OH liber. Captul 5este cel cu gruparea 5-OH liber sau fosforilat.

Lanul polinucleotidic al ADN este ncrcat negativ la pH-ul fiziologic.

3linkage5linkage1

PPP

GCTOHOHReprezentare simplificat a lanului ADN333555Pentoza: linie orizontalBaza: litera corespondentLeg. fosfodiesteric:linie oblic i P la mijloc

Reprezentarea simplificat a catenei de ADNPrin convenie o caten de ADN se scrie n direcia 5- 3.

ex. GCT nseamn 5GCT 3

ntrebare :Identificai care este captul 3al acestui oligonucleotid?Scriei reprezentarea simplificat a acestui oligonucleotid.

STRUCTURA SECUNDAR A ADN

Dublu helixul ADNWatson i Crick au decoperit c structura secundar a ADN este un dublu helix format din dou catene de ADN asociate prin mperecherea bazelorInelele glucidice legate prin resturi fosfat constituie scheletul extern al dublu helixului, n timp ce bazele azotate hidrofobe sunt orientate spre interior i perpendicular pe axa helixului. ADN-ul uman conine aproximativ 3,5 x 109 perechi de baze.

Stabilitatea ADNdc este asigurat de:

- interaciunile hidrofobe dintre bazele azotate suprapuse (stivuite) de pe aceeai caten - legturile de hidrogen ce se stabilesc ntre bazele azotate de pe o caten i cele complementare de pe cealalt caten.

Cele dou catene de ADN sunt antiparalele.

Dublul helix al ADN( structura secundar)

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

Cele dou catene sunt complementare (G is complementar C, A is complementare T).

Nr. A = Nr. T

Nr. G = Nr. C

ADN dublu helix(structura secundara)

ntrebare1. Scriei catena ADN complamentar cu urmtoarea caten: ATTTTAAGCTAAGGCCCTTT

2. Calculai numrul de legtuiri de H existent ntre cele dou catene de ADN complementare.

3. Specificai ce baz exist la captul 3al fiecrei catene.

Exist mai multe confomaii ale ADN;Conformaia B: descris de Watson i Crick are orientare dreapt, pasul dublu helixului este 34 (3,4nm), diametrul de 2nm, iar nr. perechi baze per tur este 10; cea mai rspndit.

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

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

Dublu helix ADN(structura secundar)

ntrebareADN

Este compus din nucleotide legate prin legturi 4,5-fosfat diestericeAre structur de polianion la pH fiziologicConine nr. egal de resturi de A i GConformaia A este un dublu helix de dreapta.

STRUCTURA TERTIAR A ADN:polinucleozomul

De la ADN la cromozomiIn eucariote ADN-ul este stocat n nucleu. Deoarece nu este suficient sapiu iar molecula ADN-ului este extrem de mare (lungimea ADN de la o singur celula uman e 2m!!!), ADN-ul trebuie compactat.

Exist cinci nivele de compactare a ADN care conduce la o scdere de 10.000 de ori lungimii ADN.

*

Nivelele de compactare a ADN n nucleu-Primul nivel-

r Dublul helix de ADN se nfoar n jurul unui octamer proteic format din histone- fiecare unitate de ADN spiralat de 1,75 ori n jurul unui compelx histonic se numete nucleozom.

Histonele sunt proteine bazice cu mas molecular mic (max. 20.000), bogate n aa bazici (Arg pt.H2A, H2B i, Lys pt H3, H4).

*

Nivelele de compactare a ADN n nucleu-Primul nivel-r

n jurul octamerului histonic

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

Nucleozomii sunt legai ntre ei prin ADN intrenucleozomic sau ADN linker format din 30 perechi de baze).Histona H1 itercaioneaz cu ADN linker, avnd rol n superspiralizarea nucleozomilor.

Polinulceozomul seamn cu nite mrgele pe a (=fibrile de cromatin de 10nm ).

*

Mrgele de ametist

r

Aparena de mrgele pe a a ADN

*

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

Polinucleozomul se superspiraleaz pentru a forma structura de solenoid.

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

Solenoidul formeaz fibrele de cromatin de 30 nm.

*

Nivelele de compactare a ADN n nucleu-nivelele 3,4 i 5-

r- Fibrele de cromatin se compacteaz i mai mult form domenii n form de bucl.

- Aceste domenii n bucl sunt superspiralizate i organizate n structuri distincte numite cromozomi.

- ADN -ul uman nuclear ( genomul) const n 23 perechi de cromozomi.

*

Diferena dintre celulele diploide i celulele haploideMajoritatea celulelor eucariote conin perechi de cromozomi i sunt astfel denumite diploide.

Celulele care conin cromozomi nepereche sunt denumite haploide.

Cromozomii genomului uman

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*