STRUCTURA ACIZILOR NUCLEICI

Structura acizilor nucleici

1 Introducere

Trasaturile (caracterele) ereditare se caracterizeaza prin capacitatea de a se transmite de la o generatie la cealalta. Caracterele ereditare sunt determinate de "factorii" genetici, iar totalitatea acestora alcatuiesc genotipul unui organism. In timpul vietii oricarui organism genotipul acestuia functioneaza (adica se exprima), iar din interactiunea genotipului cu mediul rezulta manifestarea "vizibila", denumita fenotip. Toate functiile unui organism, fie el unicelular, fie pluricelular, sunt indeplinite cu ajutorul materialului genetic.

Genetica este stiinta care studiaza caracterele ereditare ale organismelor, structura si functionarea acestora, modul in care se transmit la descendenti. Datorita dezvoltarii tehnicilor de studiu in ultimii douazeci de ani, in prezent genetica este reprezentata de un complex intreg de stiinte, de la citogenetica clasica, pana la inginerie genetica.

Setul complet de informatie genetica dintr-un organism poarta numele de genom. Cercetarile desfasurate pe intindere de aproape un secol au demonstrat ca toate organismele descrise pe Terra pana in prezent au genom format din acizi nucleici. Mai mult decat atat, la toate organismele, atat cele procariote, cat si cele eucariote, au genomul format din ADN. Se poate deci spune ca molecula ADN reprezinta materialul genetic aproape universal pe Pamant. O exceptie notabila o reprezinta anumite virusuri, la care materialul genetic este reprezentat de molecule ARN.

Viata - flux continuu de informatie

Dintr-un anumit punct de vedere, viata ar putea fi definita si ca un flux

continuu de informatie. Astfel, materialul genetic contine informatie pentru :

formarea tuturor structurilor unei celule

pentru diferentierea unor diverse tipuri de celule si tesuturi

pentru desfasurarea tuturor reactiilor biochimice si, in final, fiziologice

multiplicarea celulelor si pentru inmultirea organismelor

pentru moartea celulara si chiar si pentru moartea unui organism intreg

2 Structura primara a acizilor nucleici

Acizii nucleici reprezinta molecule foarte complexe, produse atat de organisme vii (celule), cat si de virusuri. Denumirea de "acizi nucleici" se datoreaza faptului ca prima oara au fost izolate din nuclei de celule. Cercetari ulterioare au dovedit insa faptul ca anumite tipuri de acizi nucleici nu se gasesc in nucleu, ci in citoplasma.

In ansamblu, acizii nucleici indeplinesc doua functii biologice majore:

- transmit informatia ereditara de la o generatie la alta

- contin informatie pentru producerea de proteine specifice

Exista doua categorii majore de acizi nucleici : acid deoxiribonucleic (pe scurt, ADN) si acid ribonucleic (pe scurt, ARN).

O molecula de acid nucleic este formata din unitati de baza, numite nucleotide, legate intre ele prin legaturi chimice de tip covalent (legaturi fosfodiesterice).

Fiecare nucleotida este alcatuita din 3 categorii de molecule, si ele legate intre ele (Figurile 2 si 3) :

baza azotata

pentoza (un zahar format din 5 atomi de carbon)

un rest de radical fosforic

Atat in structura ADN, cat si in ARN, exista 4 tipuri majore de baze azotate :

adenina, timina, citozina, guanina - in ADN

adenina, uracil, citozina, guanina - in ARN

Adenina si guanina sunt baze azotate derivate din structura purinei si, ca atare, mai sunt numite si baze purinice (sau, simplu purine). Timina, citozina si uracilul sunt derivate din structura pirimidinei - baze pirimidinice/pirimidine (Figura 2). In mod curent, cele 5 baze azotate se prescurteaza A, T, C, G si, respectiv, U.

Pentoza este, fie riboza - in ARN, fie deoxiriboza - in ADN (Figura 4)

Formarea nucleotidelor

Baza azotata + pentoza = nucleosid

de ex. A + pentoza = adenosina

nucleosid + radical fosforic = nucleotid

de ex. adenosina + radical fosforic = acid adenilic

Figura 1 Clasificarea nucleosidelor si a nucleotidelor.

Denumirea nucleosidelor si a nucleotidelor

3 Structura secundara a acizilor nucleici

Nucleotidele se leaga intre ele prin legaturi fosfodiesterice ce se formeaza intre o pentoza a unui nucleotid si radicalul fosforic al nucleotidului urmator. Asemenea lanturi de nucleotide poarta numele de catene polinucleotidice si reprezinta structura primara a unui acid nucleic. Astfel de molecule sunt, deci, monocatenare (prescurtat m.c.)

Mai toate tipurile de acizi ribonucleici (ARN) sunt formate dintr-o singura catena polinucleotidica, in timp ce majoritateta moleculelor de ADN sunt alcatuite din doua catene polinucleotidice, avand astfel si o structura secundara. Asemenea molecule sunt dublucatenare (prescurtat d.c.).

Formarea unor molecule de acizi nucleici dublucatenare respecta o serie de legi chimice, ce poarta numele cercetatorului care le-a descris prima oara - Chargaff (vezi caseta cu Legile lui Chargaff).

Legile lui Chargaff 1. cele 2 catene polinucleotidice sunt complementare una fata de cealalta Aceasta inseamna ca unei adenine de pe una din catene ii corespunde o timina pe cealalta catena, de care se leaga prin 2 legaturi de hidrogen (A = T); se spune, deci, ca adenina este complementara cu timina. In mod similar, guanina este complementara cu citozina, de care se leaga prin 3 legaturi de hidrogen (G ≡ C). Se deduce ca legaturile de hidrogen permise sunt: A T si G C In moleculele de acizi nucleici dublucatenare dar formate dintr-o catena ADN si o catena ARN (asemenea molecule hibrid se formeaza de obicei in procesul de transcriere genetica), adeninelor din catena ADN le corespund in catena ARN molecule de uracil. Si in acest caz se fromeaza tot 2 legaturi de hidrogen: A U. 2. intr-o molecula de acid nucleic d.c. purinele sunt in raport echimolar cu pirimidinele Aceasta regula este, de fapt, o consecinta a primei legi. Astfel, daca oricarei A de pe una din catene ii corespunde o T pe cealalta catena si oricarei G ii corespunde o C, atunci numarul moleculelor de adenina este egal cu numarul celor de timina, adica A = T si, respectiv, G = C De aici, prin adunarea celor doua ecuatii, se deduce: A + G = T + C Deci, numarul purinelor dintr-o molecula de acid nucleic d.c. este egal cu numarul pirimidinelor. Altfel spus, cele doua tipuri de molecule se afla in raport echimolar. 3. cele doua catene polinucleotidice dintr-o molecula de acid nucleic d.c. sunt antiparalele O catena polinucleotidica are doua capete: la un capat se afla carbonul din pozitia 5' (C5') al unei pentoze, iar la celalalt capat se afla carbonul din pozitia 3' (C3') al unei alte pentoze. In interiorul unei celule o asemenea catena polinucleotidica este sintetizata chiar in aceasta directie:  5' Cele 2 catene polinucleotidice ale unei molecule d.c. sunt in orientari inverse una fata de cealalta: capul 5' al fiecareia corespunde cu capul 3' al celeilalte. Cele 2 catene sunt antiparalele.

Figura 2.5 Doua reprezentari ale dublului helix ADN. (a) Dublu-helix ADN de forma B. Scheletul glucido-fosforic (in gri si marcat cu linii rosii) se afla la exteriorul helixului. Bazele azotate se afla la interior. Sunt marcate curbura majora si cea minora a helixului. (b) Structura schematizata a unui ADN dublu-helix. Cele doua schelete glucido-fosforice (in verde inchis si deschis) sunt in orientare inversa: 5' - 3', fata de 3' - 5'. Bazele azotate de pe cele doua catene sunt prezentate in albastru si rosu.

4 ADN - "elicea vietii"

Datorita formei spatiale a nucleotidelor cele 2 catene polinucleotidice dintr-o molecula d.c. se dispun spatial una fata de cealalta intr-o forma de elice (dublu helix), invartindu-se una in jurul celeilalte si amandoua in jurul unui ax central. Aceasta dispunere formeaza structura tertiara a unei molecule de acid nucleic d.c. In arhitectura unei asemenea molecule, la exterior se gasec cele 2 schelete glucido-fosforice ale catenelor, iar spre interior sunt bazele azotate.

Perioada moderna a biologiei moleculare a inceput in 1953, cand James Watson, Francis Crick si Maurice Wilkins au propus modelul de structura dublu-helicala a ADN. Toate cercetarile ulterioare au demonstrat corectitudinea acestui model (Figurile 4 si 5).

Un dublu-helix de acid nucleic prezinta o serie de parametri fizici, denumiti parametri helicali (vezi caseta cu parametri helicali).

Parametri  helicali

n = numarul de nucleotide per tur de spira (de elice)

h = distanta dintre perechile de nucleotide adiacente

P = pasul elicei si este distanta traversata de-a lungul axei helixului de un tur complet de spira (adica de o rotatie de 360^o).

P poate fi exprimat in raport cu numarul de nucleotide dintr-un tur (n) si cu distanta dintre 2 nucleotide in procesul de rotatie (h)

t = unghiul de rasucire sau de rotatie a perechile de baze azotate; acestea nu sunt perfect perpendiculare pe axa helixului (sau, altfel spus, doua perechi de baze adiacente nu sunt coplanare), ci sunt inclinate cu un unghi de rasucire t care, de obicei, este 34,6^o. Aceaste este de fapt cauza pentru care cele doua catene se rasucesc una in jurul celeilalte, formand o structura de dublu-helix.

Valorile acestori parametri pot varia intre anumite limite si determina mai multe forme topologice ale moleculei de ADN d.c.

Forma B reprezinta conformatia cel mai des intalnita in celule. Are un diametru de aproximativ 20 Angstrom (), iar distantele dintre perechile de baze este de aproximativ 3,4 . In aceasta conformatie exista o medie de 10,4 baze azotate per tur de spira, iar unghiul de rotatie dintre 2 baze adiacente este de +34,6s.

Forma A se intalneste in celule in regiunile dublucatenare ale moleculelor de ARN si in dublu-helixurile hibride ADN - ARN ce se formeaza in procesele de transcriere genetica. Are un diametru de aproximativ 23 A, 11 baze per tur de spira si un unghi de +34,7s.

Forma Z este mai subtire (un diametru de 18A), 12 baze per tur si un unghi de -30s intre ele. Datorita acestui lucru, formele A si B sunt denumite "de dreapta", iar forma Z este "de stanga".

Figura 8   Variatia absorbantei in denaturarea termica a ADN. (a) Denaturarea ("topirea") moleculelor de ADN d.c. poate fi monitorizata prin variatia absorbantei in lumina ultravioleta 260 nm: pe masura ce ADN denatureaza, absorbanta creste pana aproape de dublu. Temperatura la care jumatate din molecule sunt denaturate poarta numele de temperatura de topire (Tm). (b) Valoarea Tm depinde de continutul in guanina si citozina a moleculelor de ADN d.c.: cu cat procentul molar de guanina - citozina (%molGC) este mai mare, cu atat este mai mare si valoarea Tm.

Moleculele de ADN d.c. pot fi lineare sau circulare (Figurile 9 si 10).

Astfel, cromozomii la organismele eucariote, dar si o serie de plasmide, sunt alcatuite din molecule de ADN d.c. linear.

Cromozomul bacterian, precum si o serie de plasmide bacteriene, sunt alcatuite din molecule de ADN d.c. circular.

5 Suprarasucirea  moleculelor de ADN

Moleculele de ADN se gasesc in celule intr-o stare de suprarasucire. Astfel, prin conventie internationala, se numesc suprarasuciri negative cele ce sunt in directie inversa fata de orientarea bazelor din B-ADN. Cu alte cuvinte, o molecula ADN ce prezinta suprarasuciri negative, are un grad mai mare de "relaxare". Suprarasucirile in aceeasi directie cu cele naturale dintr-o molecula B-ADN se numesc suprarasuciri pozitive si produc o infasurare mai mare a moleculei de ADN.

Este important de retinut faptul ca gradul de rasucire a moleculelor de ADN influenteaza esential o serie de procese celulare:

- in comparatie cu cromozomii eucariotelor, cromozomul bacterian este mult mai mic; cu toate acestea, aceasta molecula de ADN ce reprezinta cromozomul bacterian nu ar incapea in celula bacteriana daca nu ar fi suprarasucit si impachetat

- diverse procese, ca replicare, transcriere, recombinare precum si repararea moleculelor de ADN, presupun derasucirea locala a moleculelor de ADN

6 Acizii ribonucleici

Pe de o parte, acizii ribonucleici reprezinta materialul genetic al anumitor tipuri de virusuri (numite virusuri ARN). Pe de alta parte, in celule, moleculele de ARN indeplinesc diverse functii metabolice, dintre care cele mai importante sunt legate de traducerea informatiei genetice din secventa de nucleotide in secventa de aminoacizi, adica in sinteza de proteine.

Din punct de vedere chimic, exista trei diferente majore intre acizii ribonucleici si ADN:

- zaharul din ARN (riboza) contine o grupare hidroxil in plus fata de deoxiriboza (prezenta in ADN);

- in majoritatea moleculelor de ARN timina din ADN este inlocuita cu uracil;

- in cele mai multe cazuri, moleculele de ARN sunt formate dintr-o singura catena polinucleotidica, spre deosebire de majoritatea moleculelor de ADN, care sunt dublu-catenare; chiar si moleculele de ARN monocatenare pot forma structuri secundare si tertiare (Figura 11);

- unele molecule de ARN (in mod special, ARNt) mai contin si o serie de baze azotate modificate, de exemplu pseudouridina, dihidrouridina, riboziltimina, inozina.

Cele mai importante tipuri de acizi ribonucleici dintr-o celula sunt ARN mesager, ARN de transfer si ARN ribozomal.

			este o molecula intermediar ce reprezinta o copie a uneia din cele 2 catene ale unei gene ce codifica pentru o proteina

			este un intermediar in sinteza proteica; fiecare molecula de ARNt are o zona de 3 nucleotide numita anticodon, iar pe de alta parte, la unul din capete se leaga de un anumit aminoacid

				este un component major al ribozomilor, intervenind tot in sinteza de proteine

Toate moleculele de ARN dintr-o celula iau nastere printr-un proces numit transcriere genetica.

Molecula rezultata poarta numele de transcript primar si este ulterior procesata, in functie de gena care a fost transcrisa, pentru a deveni ARNm, ARNt sau ARNr

Figura 11 Structuri secundare (a) si tertiare (b) in moleculele de ARN; aceste structuri se formeaza pe baza existentei unor zone cu complementaritate intracatenara.

(dupa Lodish,2000)