ADN-ul

ADN-ul
ADN-ul și ARN-ul sunt cei doi acizi nucleici care joacă rolul fundamental în ereditatea umană, ei fiind purtătorii informației genetice. Înainte de a intra în amănunte legate de structura și funcția fiecăruia dintre ei ar trebui să ne familiarizăm cu noțiunile de bază care ne vor ajuta să înțelegem complexitatea mecanismelor eredității.

Structură chimică

Noțiunea de acid nucleic a fost emisă în 1870 de către Johann Friedrich Miescher care, cercetând nucleul leucocitului uman a descoperit o substanță cu caracter slab acid căreia nu i-a putut preciza funcția. Apoi, în 1920 cercetătorii au stabilit că acizii nucleici sunt componenta majoritară a cromozomilor.
Acizii nucleici sunt substanțe chimice macromoleculare și reprezintă cei mai lungi polimeri din lumea vie. Unitățile structurale ale acestora se numesc monomeri și sunt reprezentați de nucleotide, macromolecula de acid nucleic fiind un polinucleotid.
Nucleotidul este o structură simplă alcătuită din 3 componente:
• O bază azotată
• O pentoză (monozaharid)
• Un rest de acid fosforic (fosfat anorganic)
Structura ADN

Structura ADN



Diferența dintre ADN și ARN este dată de tipul de zahăr pentozic pe care îl conțin nucleotidele lor: dezoxiriboză-D pentru ADN și riboză- R pentru ARN. ADN-ul (acid dezoxiribonucleic) este alcătuit din două lanțuri (catene) polinucleotidice, iar ARN-ul (acid ribonucleic) are doar o singură catenă polinucleotidică. Pentozele și radicalul fosforic sunt comune tuturor macromoleculelor de ADN din lumea vie, bazele azotate fiind cele care conferă specificitate în cadrul fenomenului ereditar. Radicalul fosfat conferă caracter acid și sarcini negative moleculelor de ADN și ARN.
Fiecare acid nucleic conține 4 tipuri de nucleotide, diferența dintre ele constând în bazele azotate care intră în structura lor: adenina (A), guanina (G), citozina (C) și timina (T) pentru ADN și adenină, guanină, citozină și uracil (U) pentru ARN. Bazele azotate sunt și ele de 2 tipuri:
- Purinice: adenina (A) și guanina (G)
- Pirimidinice : citozină (C), timină (T) și uracil (U)

Cele purinice au la bază două cicluri condensate ce însumează 5 atomi de carbon (C) și 4 atomi de azot (N), iar cele pirimidinice au un singur ciclu cu 4 atomi de carbon și 2 atomi de azot. Între nucleotidele macromoleculelor de acizi nucleici se stabilesc 2 tipuri de legături:
- Intracatenare: sunt legături covalente fosfodiesterice, de înaltă energie, pe care le realizează radicalul fosfat (P) cu pentozele între al treilea carbon (C3) al unui nucleotid și al cincilea carbon (C5) al pentozei nucleotidului următor. Aceste legături sunt baza structurii primare (monocatenare) a ADN- ului și ARN-ului această structură fiind scheletul de care se leagă bazele azotate.
- Intercatenare: sunt legăturile dintre nucleotide aparținând celor 2 catene polinucleotidice și se realizează între bazele azotate purinice și cele pirimidinice. Sunt legături de hidrogen, cu energie joasă, bazele azotate fiind plasate într-un mod foarte precis în moleculele acizilor nucleici. În ADN întotdeauna adenina este legată de timină prin legături duble, iar citozina legată de guanină prin legături triple, la fel și în ARN, cu excepția faptului că timina este înlocuită de uracil care realizează o legătură dublă cu adenina.
Astfel, cele 4 tipuri de nucleotide corespunzătoare celor 4 baze azotate sunt:

Pentru ADN: P- D- A P- D- G P- D- C P- D- T
Pentru ARN: P- R- A P- R- G P- R- C P- R- U

Există doar 4 tipuri de nucleotide pentru fiecare acid nucleic însă posibilitățile de recombinare, codificare biochimică și implicit de realizare de seturi diferite de informație ereditară sunt teoretic infinite. În mod normal secvența activă de nucleotide a macromoleculelor de acizi nucleici conține minim 3.000 de nucleotide, ajungând la limite superioare de sute de mii de milioane de nucleotide. În plus, unitățile de tip A-T și C- G pot alterna și se pot repeta de 2,3 ori. Prin urmare, acizii nucleici dețin un enorm potențial de codificare asigurând transmiterea informației genetice de la o generație la alta în cursul procesului de diviziune celulară.

ADN-ul

Este suportul material al eredității și variabilității, existând numeroase dovezi experimentale în acest sens:
- ADN-ul are o structură specifică fiecărei specii, specificitate datorată ordonării aperiodice a bazelor azotate din structura moleculei
- Are capacitatea de replicare, deci de a transmite informația genetică de la o generație la alta
- În nucleul celulelor somatice diploide (ce conțin perechi de cromozomi omologi), indiferent de țesut, conținutul în ADN este aproximativ egal
- În nucleul celulelor gametice haploide (cu cromozomi nepereche), cantitatea de ADN este redusă la jumătate.
- Cantitatea de ADN este direct proporțională cu numărul cromozomilor: diploid sau haploid și este dependentă de fazele ciclului celular

Structură primară și secundară

ADN- ul este o substanță macromoleculară bicatenară formată din două catene polinucleotidice care se răsucesc helicoideal în jurul unui ax comun.
Structura primară monocatenară a ADN este rezultatul esterificării și ordonării liniare a nucleotidelor în catena moleculei de acid nucleic, aceasta fiind modalitatea sub care informația ereditară este codificată biochimic. Legăturile 3’- 5’ sau 5’- 3’ fosfodiesterice dintre radicalul fosfat al unui nucleotid și hidroxilul pentozei din poziția 3’ sau 5’ a nucleotidului adiacent se succed formând catene lungi, neramificate rezultând dispunerea în tandem a macromoleculelor ADN în cromozom conferindu-i acestuia o structură tridimensională.
Marea diversitate a moleculelor ADN și specificitatea stuctural-funcțională a moleculei, precum și controlul genetic al sintezei proteice este asigurată de ordonarea aperiodică a nucleotidelor.
Structura secundară bicatenară este dată de ansamblarea a celor două catene mononucleotidice sub forma unui dublu helix cu diametrul de 2nm (20 angströmi -Å) și spira de 3, 4nm (34 Å), fiecare spiră a dublului helix cuprinzând 10 nucleotide.
Lanțurile polinucleotidice sunt antiparalele, legăturile fosfodiesterice fiind realizate pe primul lanț între C3 al dezoxiribozei unei nucleotide și C5 al nucleotidei următoare, iar la nivelul celuilalt lanț legăturile fosfodiesterice sunt realizate invers: C5- C3.

Principiul complementarității

În cazul structurii secundare, secvența bazelor dintr-o catenă determină secvența bazelor din catena opusă datorită faptului că acestea au secvențe complemetare, adenina fiind complementară timinei iar guanina complementară citozinei. Există două punți de hidrogen între adenină și timină și trei între guanină și citozină, punți care se desfac la căldură și conduc la separarea monocatenelor de ADN, având loc denaturarea ADN-ului. Legăturile G-C care conțin 3 legături de H se desfac mai greu decât A-T care au 2 legături. Prin răcirea lentă a amestecului monocatenelor denaturate, acestea se asociază pe baza complementarității și refac structura inițială (renaturare). Așa se explică modul în care se produc replicarea ADN, repararea ADN sau transcrierea informației.
Capacitatea de autoreproducere a ADN-ului este dată de complementaritatea și antiparalelitatea bazelor copolimerice, astfel informația se conservă în succesiunea generațiilor celulare. Prin intermediul ARN-m care decodifică mesajul genetic se asigură determinismul genetic și exprimarea fenotipică a caracterelor ereditare.

Structura terțiară a ADN

Este dată de distribuția spațială, tridimensională a celor două catene helicoidale. Watson și Crick au arătat că sceletul fosfo-glucidic al macromoleculei se află spre exterior iar bazele azotate spre interior, planul perechilor de baze fiind perpendicular pe axul lung al moleculei, între perechi existând interacțiuni hidrofobe care cresc stabilitatea structurii. În funcție de structura terțiară există mai multe tipuri de molecule ADN care sunt izomorfe: de tip A și B (dextrogire- rotesc planul luminii polarizate spre dreapta) și de tip Z (levogir- rotește planul luminii polarizate spre stânga).
La eucariote, ADN-ul este asociat cu histone (proteine) prin legături saline, rezultând nucleoproteina. Proteinele măresc diametrul moleculei de ADN la 200 Å și împreună cu ionii de calciu (Ca 2+) stabilizează arhitectura spațială a ADN-ului. Combinat cu proteine, ADN-ul are lungimea de aproximativ 4000 Å dar prin îndepărtarea histonelor poate ajunge la 7000- 8000 Å și un diametru de 20 Å. Masa sa moleculară este de 12-16 x 106 daltoni iar o celulă somatică diploidă umană conține aprox. 7 x 10-9 mg ADN.

Structura bicatenară a ADN are o mare stabilitate fizică asigurată pe verticală de punțile fosfodiesterice intracatenare și pe orizontală de punțile de hidrogen intercatenare. Moleculele de dezoxiriboză se așează pe o catenă cu oxigenul inelului moleculei orientat în sus și pe cealaltă catenă cu oxigenul orientat în jos, astfel întreaga moleculă este obligată să se spiralizeze formând o structură spiralată tridimensională în dublu helix. Fiecare pereche succesivă de baze azotate se întoarce cu 36 de grade în direcția acelor de ceasornic (răsucire dextrogiră), iar dublul helix face un tur complet de 360 de grade la fiecare 10 perechi de baze azotate.

Sinteza ADN

Procesul de sinteză al ADN-ului este cel mai important eveniment în cazul diviziunii celulare care asigură transmiterea integrală a informației genetice stocată în ADN-ul cromozomial. Faptul că ADN-ul nu se epuizează în cursul diviziunii se datorează procesului de replicare (autocopiere), proces programat genetic de separare a catenelor și de ansamblarea complementară de nucleotide pe fiecare catenă matriță creându-se astfel noi molecule de ADN.
Replicarea este semiconservativă și se face după modelul fermoarului propus de Watson și Crick, conform căruia dublul helix se desface progresiv similar cu un fermoar și expune baze libere de pe fiecare catenă. Datorită complementarității, fiecare bază expusă se va lega de baza sa complementară.

Enzimele implicate în procesul de replicare sunt:
Topoizomeraza - inițiază desfacerea dublului helix al ADN-ului parental
Helicaza - implicată în desfacerea legăturilor dintre cele 2 catene parentale alături de topoizomerază
SSB - proteină care stabilizează catenele separate și oprește recombinarea celor 2 matrițe
ADN-polimeraza - familie de enzime care asigură creșterea lanțului ADN nou format prin legarea nucleotidelor complementare la catena matriță. Implicate și în corectarea erorilor apărute în replicare.
Ligaza - legarea segmentelor scurte de ADN nou-formate la catena matriță

Principii

1. Fiecare catenă de ADN expusă este matriță pentru sinteza unei catene noi
2. În moleculele de ADN rezultate prin replicare va exista întotdeauna o catenă veche (matrița) și una nou sintetizată prin legarea bazelor azotate complementare.
Enzima implicată în sinteza noii catene de ADN se numește ADN- polimerază care este implicată în proces împreună cu 4 nucleotid-trifosfați (dATP, dCTP, dGTP și dTTP), a ionilor de Magneziu, a unui primer și a catenelor de ADN parentale matriță.
Creșterea lanțului de ADN cu ajutorul ADN-polimerazei necesită ca gruparea 3’- OH a dezoxiribozei să fie liberă, sinteza decurgând continuu în direcția 5’- 3’, enzima având 2 proprietăți esențiale:
- lungește catena preexistentă de ADN primer (matrița)
- catalizează adăugarea nucleotidelor la capătul 3’- OH menținând creșterea în direcția 5’- 3’.

Replicarea ADN
Replicarea ADN

Replicarea ADN

Inițial are loc denaturarea fiziologică progresivă a macromoleculei bicatenare de ADN, despiralizarea prin desfacerea legăturilor de hidrogen în prezența helicazei (protein-enzimă de despiralizare) care este distribuită pe fiecare monocatenă de ADN. Helicaza acționează după modelul desfacerii unui fermoar, despărțind cele două catene începând din punctul de inițiere și progresând până la punctul terminus. În cursul procesului macromolecula capătă aspect de Y, punctul de ramificație fiind numit furcă de replicare. Desfacerea progresează până la capătul celălalt al helixului însă la final nu apar 2 catene polinucleotidice izolate, așa cum ne-am aștepta, deoarece odată cu avansarea procesului de desfacere a spiralei aceasta începe să se refacă.
Desfacerea punților de hidrogen și separarea celor două catene complementare din dublul helix duce la expunerea grupărilor chimice libere ale dezoxiribonucleotidelor care se asociază succesiv, pe baza complementarității cu dezoxiribonucleotidele libere din citoplasma celulară care aderă la catena ADN ce joacă rol de matriță. Apoi, între 2 nucleotide aliniate succesiv se realizează legătura covalentă fosfodiesterică a grupului 3’- OH al primei nucleotide cu 5’ fosfatul celei de-a doua nucleotide și rezultă o catenă polinucleotidică nouă. Catenele noi rămân atașate prin punți de hidrogen de catenele matriță.
Astfel rezultă 2 molecule fiice de ADN identice cu cea inițială care se vor insera în cele două celule fiice rezultate în timpul diviziunii, fiecare moleculă conținând matrița și o catenă nouă, deci replicarea are loc după modelul semiconservativ, adică fiecare moleculă nouă de ADN moștenește una dintre cele 2 catene matriță parentale.

Repararea ADN

Într-un proces atât de complex cum este sinteza semiconservativă a ADN-ului pot apare frecvent erori, mai ale sub acțiunea factorilor de mediu precum radiații ionizante sau substanțe toxice care, acționând în timpul replicării ADN-ului sau în stadiul interfazic G1 (prima fază a ciclului celular de diviziune) pot produce erori în secvența macromoleculei ADN care trebuie corectate, pentru a nu se produce mutații genetice.
Dacă ADN-polimeraza ar introduce eronat un nucleotid, ar rezulta o eroare genetică de 10-4 (1 eroare la 10 la a patra baze create) însă în realitate eroarea este de 10-8 datorită capacității ADN-polimerazelor de detectare și corectare imediată a erorilor din timpul replicării.
În timpul replicării, polimeraza înconjoară ADN-ul ca o capsulă iar când baza azotată care urmează să se cupleze de matriță nu este complementară, se modifică structura spațială a ADN-ului prin creșterea în volum a moleculei și se blochează activitatea ADN-polimerazei și excizarea bazei necomplementare corectându-se astfel eroarea.

Tipuri de ADN celular

În celula eucariotă există 2 tipuri de ADN, nuclear și mitocondrial, acestea fiind împărțite la rândul lor în mai multe subtipuri.
Tipuri de ADN nuclear:
Repetitiv. Este non-informațional și o parte din el este implicat în sinteza ARN ribozomal și ARN de transport. Se află grupat în jurul centromerului cromozomial și este împărțit în ADN înalt repetitiv și ADN moderat repetitiv
Nerepetitiv. Este informațional iar secvențele sale nucleotidice sunt unice în genom. Reprezintă 5-10% din totalitatea ADN-ului nuclear la Homo Sapiens, restul de 90-95% fiind ADN repetitiv care nu are funcție de depozitare și transmitere a informației genetice.

ADN-ul mitocondrial este materialul genetic al mitocondriilor, organite celulare cu funcție oxido-reducătoare implicate în respirația celulară. Acest tip de ADN este responsabil de sinteza enzimelor respiratorii. Replicarea sa este inhibată de rifampicină și cloramfenicol, antibiotice care însă nu au efect asupra ADN-ului nuclear.

Tipurile A, B și Z de ADN

Au fost evidențiate în urma studiilor cu raze X a dublului helix, fiind 3 conformații izomorfe ale moleculei ADN.
- Forma B este predominantă, fiind un dublu helix dextrogir, cu 10 perechi de baze azotate pe fiecare spiră și bogat în cupluri A-T. Un coeficient ridicat de umiditate în mediu îi determină structura. Poate fi convertit în tipul A prin schimbarea procentului de hidratare al mediului
- Forma A rezultă din B într-un mediu mai uscat, având un helix dextrogir cu 11 baze pe spiră și o moleculă mai compactă.
Și forma A și forma B au în structura lor 2 tipuri de depresiuni, minor și major în care se deplasează enzimele implicate în procesul de replicare și reparare a moleculei de ADN precum și cele implicate în transcripția ADN- ARN.
- Forma Z a fost evidențiată în unele regiuni de ADN repetitiv. Este de tip levogir și are 12 baze pe fiecare spiră. Are stabilitate mică și este predispus la mutații
Prin rearanjările arhitecturale ale structurii terțiare a macromoleculei ADN apar numeroase modificări în procesele biochimice celulare.

Data actualizare: 14-03-2014 | creare: 11-09-2012 | Vizite: 94157
Bibliografie
1. Mihai Isvoranu, Dinu Albu- Genetica Umană, editura Infomedica
2. DNA- RNA- Protein, Nobel Prize Organization
Link: http://www.nobelprize.org/educational/medicine/dna/index.html
3. Nucleic acids- Michigan State University, department of Chemistry
Link: http://www2.chemistry.msu.edu/faculty/reusch/VirtTxtJml/nucacids.htm

Din Ghidul de sănătate v-ar putea interesa și:
  • Zincul reduce deteriorarea ADN-ului
  • Un test care analizează peste 500,000 variante genetice a fost aprobat de FDA
  • Experiențele din copilărie ar putea modifica definitiv ADN-ul
  • Forumul ROmedic - întrebări și răspunsuri medicale:
    Pe forum găsiți peste 500.000 de întrebări și răspunsuri despre boli sau alte subiecte medicale. Aveți o întrebare? Primiți răspunsuri gratuite de la medici.
      intră pe forum
    Aplicația Activ (by ROmedic)
    Vrei să fii sănătos? Vrei să slăbești? Vrei sa fii în formă și să arăți bine? Vrei să te simți bine în corpul tău? Atunci trebuie să faci eforturi. Aplicația web "Activ" te ajută să fii consecvent în lupta pentru sănătatea ta.

    Accesează gratuit Aplicația
    Accept cookies Informare Cookies Site-ul ROmedic.ro foloseşte cookies pentru a îmbunătăţi experienţa navigării, a obține date privind traficul și performanța site-ului și a livra publicitate mai eficient.
    Găsiți informații detaliate în Politica cookies și puteți gestiona consimțământul dvs din Setări cookies.