Ø ACIZI NUCLEICI y9n24nc
Ø ADN
Ø ARN
Ø SINTEZA PROTEINELOR
Acizi nucleici
Acizii nucleici sunt compusi macromoleculari cu structura complexa si mase moleculare
cuprinse intre cateva zeci de mii si milioane. Sunt, impreuna
cu proteinele, componentele nucleoproteidelor, compusi de importanta biologica,
existenti in celulele vii. Dupa provenienta lor, respectiv dupa materialele
din care au fost extrase, acizii nucleici erau considerati de doua tipuri: acizi
timonucleici (acizi nucleici din timus sau acizi nucleici animali) si acizi
zimonucleici (acizi nucleici din drojdie sau acizi nucleici vegetali). Intrucat
s-a constatat ca deosebirea dintre ei consta in natura componentului glucidic
(acizii timonucleici contin in molecula lor dezoxi-D-riboza, iar acizii
zimonucleici contin D-riboza), denumirile lor au fost inlocuite cu denumirile
de acizi dezoxiribonucleici (ADN), si acizi ribonucleici (ARN). Cercetari ulterioare
au dovedit, insa, ca aceste doua tipuri de acizi nucleici sunt prezente
in toate organismele vii, avand rol important in desfasurarea
proceselor vitale normale si patologice; acizii dezoxiribonucleici sunt substantele
de baza in aparatul genetic, care asigura ereditatea si variabilitatea,
pe cand acizii ribonucleici au mai mult rol functional legat de sinteza
proteinelor.
ADN
ADN-ul reprezinta materialul genetic din care sunt alcatuite genele majoritatii
organismelor si este localizat exclusiv in cromozom; fiecare cromozom
contine cate o molecula de ADN. Rezulta din polimerizarea unor monomeri
denumiti dezoxiribonucleotizi. Prezenta in cromozom a ADN-ului a fost
relevata de chimistul german R.Feulgen, in 1924, prin utilizarea unui
colorant vital -fuxina bazica- care coloreaza rosu-violaceu cromozomii; substanta
din cromozomi, care reactioneaza specific cu colorantul, era ADN.
James Watson si Francis Crick, au facut cunoscut un model al moleculei de ADN
pentru care au primit Premiul Nobel (in 1962). Modelul se bazeaza pe combinarea
a patru nucleotizi. Fiecare nucleotid consta dintr-un radical fosforic monoacid,
o pentoza (dezoxiriboza) si o baza azotata (una din urmatoarele patru): adenina(A),
guanina(G), -A si G sunt baze purinice- timina(T), citozina(C) - T si C sunt
baze pirimidinice.
Combinatia dintre o baza si o pentoza se numeste dezoxiribonucleosid, iar combinatia
celor trei componente dezoxiribonucleotid.
ADN-ul ca si ARN-ul consta dintr-un lant lung de molecule de zahar, cu o nucleotida
atasata-un inel de atomi de carbon si azot. ADN-ul prezinta doua lanturi lungi
unite intr-o spirala, cu nucleotidele in interior, asa incat
intreaga molecula gigantica are aspectul unei scari rasucite(v.anexa1).
Secvente de trei nucleotide de pe lanturile ADN-ului formeaza un cod special
care stabileste ordinea in care sunt legati aminoacizii pentru a forma
molecule de proteine. Acesta este cunoscut sub numele de cod genetic. Unii aminoacizi
sunt codificati prin mai mult de un triplet. Deoarece proteinele sunt moleculele
de constructie ale organismului si, ca si enzimele, controlorii sai metabolici,
codul ADN stabileste cum arata, creste si functioneaza corpul. In concluzie,
ADN-ul este materialul genetic al corpului.
Legatura dintre pentoza si una din bazele azotate este N-glucidica. La dezoxiribonucleosidele
purinice legatura N-glucidica se formeaza intre pozitia N9 a heterociclului
dublu purinic si pozitia C1 a pentozei, iar la nucleosidele pirimidinice legatura
se realizeaza intre pozitia N3 a nucleului pirimidinic si pozitia C1 a
pentozei. Aditionarea radicalului fosforic se realizeaza, obisnuit, prin intermediul
pozitiei 5’ a nucleosidului. Astfel rezulta nucleotizii, care sunt esteri
ai acidului fosforic cu nucleosidele. Atat conectarea bazelor cu pentoza,
cat si a nucleosidului cu acidul fosforic se realizeaza prin pierderea
unei molecule de H2O. Fiecare radical fosforic al unui nucleotid poate, prin
gruparile acid libere, sa se lege fie cu un radical fosforic, fie cu un alt
nucleotid prin pozitia 3’ a dezoxinucleosidului. In primul caz,
dezoxinucleotizii pot aparea sub forma de monofosfat, difosfat sau trifosfat.
In functie de numarul grupelor fosfat si de baza din constitutia nucleotidului,
dezoxinucleotizii monofosfat se numesc: adenozin 5’-fosfat (AMP), guanozin
5’-fosfat (GMP), citidin 5’-fosfat (CMP) si timidin 5’-fosfat
(TMP);dezoxinucleotizii difosfati: ADP, GDP, CDP si TDP, dezoxinucleotizii trifosfati:ATP,
GTP, CTP si TTP. In al doilea caz, dezoxinucleotizii se leaga unul de
altul prin legaturi fosfodiesterice astfel: primul nucleotid, prin grupul fosfat
la nivelul unei grupari acid libere, se leaga de nucleotidul adiacent inferior
prin pozitia 3’, iar de nucleotidul adiacent superior prin pozitia 5’
etc. In acest fel, intre nucleotizi se stabileste o legatura in
zigzag. Se formeaza astfel un lant polidezoxiribonucleotidic cu o lungime variabila.
Aceasta este stuctura primara a ADN sau monocatenara. Obisnuit, molecula de
ADN este constituita din doua lanturi polinucleotidice sau doua catene: aceasta
este structura secundara. Analiza chimica a aratat ca exista o relatie de 1:1
intre adenina (o purina) si timina (o pirimidina) si intre citozina
(o pirimidina) si guanina (o purina). O asemenea relatie nu exista intre
cele doua purine sau intre cele doua pirimidine. Legatura dintre cele
doua catene se realizeaza prin punti de hidrogen intre perechi de baze
situate la acelasi nivel in cele doua catene: doua punti de hidrogen intre
adenina si timina A=T si T=A si trei punti intre guanina si citozina.
Faptul ca la acelasi nivel aditionarea radicalului fosforic la dezoxiriboza
este diferita (intr-o catena la pozitia 3’, iar in catena
complementara la pozitia 5’) a dus la concluzia ca cele doua catene sunt
indreptate in directii opuse. Prin urmare cele doua catene complementare
au o orientare spatiala inversa sau antiparalela. Studiul structurii moleculei
de ADN a relevat faptul ca bazele azotate sunt asezate spre interior, perpendicular
pe axa principala lunga, la o distanta una de alta de 3,4A. Deoarece unghiul
intre doi nucleotizi apropiati ai aceleiasi catene este de 36o, structura
se repeta la fiecare 10 nucleotizi, adica la 34A. Dubla spirala helicoidala
coaxiala are un diametru de 20A. Molecula de ADN are dimensiuni foarte mari
(fiind cea mai mare macromolecula biologica), cu o greutate moleculara care
poate ajunge la 12 si 16*106. Majoritatea moleculelor de ADN au o rasucire a
helixului la dreapta (“forma B de ADN”); exista insa si molecule
cu o rasucire a helixului spre stanga: Z-ADN.
Insusirea genetica continuta intr-o molecula de ADN aste determinata
de insusirea perechilor de baze de-a lungul moleculei. Cum numarul secventelor
posibile de baze este egal cu 4n, unde n este egal cu numarul de nucleotizi
per catena, se ajunge la un numar astronomic de variante posibile de informatie
genetica. In timpul replicarii cele doua catene ale moleculei de ADN se
separa enzimatic, fapt ce permite sinteza unor catene complementare noi pe matricele
reprezentate de cele doua monocatene vechi. Rezulta astfel doua bicatene de
ADN identice. Bicatenele de ADN se pot separa -denatura- prin expunere la temperaturi
apropiate de punctul de fierbere si la pH extrem (pH<3 si pH>10) si se
pot combina -renatura- formand helice duble native prin expunerea monocatenelor
complementare la temperatura de aproximativ 65oC.
ARN
Complex macromolecular, structural si functional, similar in anumite
privinte, ADN-ului. ARN-ul rezulta din polimerizarea unor ribonucleotizi, care
determina formarea unor lanturi lungi, monocatenare (structura primara). Pe
anumite portiuni monocatena de ARN se poate rasuci in jurul ei, determinand
aparitia unei structuri duble intre secventele complementare de baze (structura
secundara). Polimerizarea implica patru tipuri de ribonucleotizi legati impreuna
prin legaturi fosfodiesterice in pozitiile 3’-5’. Componentul
pentozic al ARN-ului este riboza, iar bazele azotate sunt: adenina, guanina,
citozina si uracilul. Sunt doua clase de ARN si anume: ARN genetic care controleaza
ereditatea la unii virusi, alta, ARN negenetic care este implicata in
sinteza substantelor proteice(v. Sinteza proteinelor).
ARN negenetic implicat in sinteza proteinelor sau ARN celular. Exista
trei tipuri de acid ribonucleic celular prezente in toate celulele, si
care, avand structuri si functii diferite , joaca un rol esential in
biosinteza proteinelor. Aceste tipuri sunt : acidul ribonucleic mesager-mARN,
acidul ribonucleic solubil sau de transfer-sARN sau tARN si acidul ribonucleic
ribozomal-rARN(v.anexa2). In celule se gaseste o mare cantitate de rARN
(80-90% din ARN-ul celular) o cantitate oarecare de sARN(10-15%) si o cantitate
mica de mARN(mai putin de 5%).
ARN mesager. mARN este sintetizat in timpul transcriptiei mesajului
genetic de pe o catena de ADN si serveste ca tipar pentru sinteza proteinelor.
A fost gasit in stransa legatura cu ADN-ul cromozomal. mARN are
urmatoarele caracteristici: este foarte repede sintetizat, are o singura catena,
complementara uneia dintre catenele ADN-ului propriu, la nivelul careia a fost
sintetizat. In mARN mesajul este inscris codificat in codoni
care contin triplete de baze azotate (ribonucleotizi). La capatul 3’,
moleculele de mARN contin o secventa de acid poliadenilic-poly-A (intre
70-250 nucleotizi). Aceste “cozi” poly-A sunt adaugate posttranscriptional.
Terminatia 5’ a mARN-urilor sunt blocate prin aditia unor capete de m7
Gppp (7-metilguanozine reziduale legate de mARN prin legaturi trifosfat).
ARN solubil, de transfer sau adaptor. sARN-ul sau tARN-ul este similar ca
structura cu orice acid ribonucleic. Este caracterizat printr-o slaba polimerizare
, are rolul de a activa enzimele din citoplasma. Apoi reactioneaza cu aminoacizii
specifici -;prin formarea gruparilor aminoacil-sARN- care sunt transferati
la locul de biosinteza a proteinelor: complexe mARN-ribozomi sau poliribozomi.
Anumite parti din catena de sARN, constituite din serii scurte de nucleotizi,
reprezinta bazele complementare ale codului mARN pentru un aminoacid caracteristic.
In asemenea portiuni reprezentate de tripleti de baze, denumite anticodoni,
sARN-ul diferitelor specii este identic. Faptul ca in citoplasma exista
toti sau aproape toti cei circa 20 de aminoacizi proteici, presupune ca trebuie
sa existe un numar de minimum 20 de tipuri de sARN, cate unul pentru fiecare
aminoacid (maximum 64, cati codoni se pot forma de cele patru baze azotate).
Moleculele de sARN constau dintr-o singura catena, alcatuita din 75-80 de ribonucleotizi.
La un capat al catenei (capatul 5’) se gaseste acid guanilic (G), iar
la capatul 3’ se gaseste un triplet format din bazele CCA (citozina-citozina-adenina).
Intre bratul scurt, cu G, si bratul lung la nivelul primului nucleotid
C, se formeaza punti de hidrogen. Regiunile bicatenare includ trei bucle monocatenare
intermediare. Regiunea de curbura a lantului polinucleotidic reprezinta celalalt
capat al moleculei de sARN. Curbura este constituita dintr-un segment de trei
nucleotizi necomplementari, deci legati prin punti hidrogenice. Acest triplet
de baze a capatat denumirea de anticodon tocmai pentru a indica complementaritatea
lui fata de codonii mARN.
ARN ribozomal. Una din caracteristicile principale care deosebeste rARN de
celelalte tipuri de ARN consta in aceea ca el apare intotdeauna
legat de proteine. Lantul rARN-ului este constituit atat din portiuni
monocatenare cat si din portiuni bicatenare helicoidale cu bucle monocatenare.
In lantul polinucleotidic al rARN-ului raportul molar intre bazele
azotate componente este in favoarea bazelor purinice. Astfel continutul
in adenina/uracil=21:19, guanina/citozina=36:25, iar raportul general
purine/pirimidine circa 1,3. Molecula de rARN are peste 1000 de nucleotizi.
Sinteza proteinelor
Proces care consta in polimerizarea aminoacizilor, in celule sau
in vitro. (v.anexa3)Intr-o celula pot exista circa 10000 proteine care
au rol esential in functionarea si reproducerea celulei si organismului.
Biosinteza proteinelor se desfasoara in urmatoarele momente. In
primul moment are loc transcriptia, care consta in sinteza mARN de catre
una dintre catenele de ADN dintr-o gena. Acest mARN are o structura complementara
catenei de ADN matrice, reprezentand o “imagine in oglinda”
a acestuia, o transcriere mecanica a codonilor catenei de ADN, respectiv a mesajului
genetic, cu simboluri complementare. In al doilea momont are loc translatia
care consta in migrarea mARN in citoplasma si asocierea mARN cu
ribozomii activi in sinteza proteica. Catena de mARN se fixeaza simultan
prin absorbtie pe mai multi ribozomi la distanta intre ei de 300-350A,
formand poliribozomi. In al treilea moment are loc activarea aminoacizilor,
care consta in reactia unui aminoacid cu adenozin-trifosfat (ATP) catalizata
de aminoacil-ARN sinteza, si formarea de aminoacil-adenilat (aminoacil AMP),
care se ataseaza de o molecula de tARN, determinand aparitia unui complex
aminoacil-tARN. Acest complex este transportat in locul lui propriu in
lantul proteic, determinat de mARN din polizomi. Pe catena mARN din polizom,
se vor amplasa, la nivelul fiecarui ribozom, numai acele complexe aminoacil-tARN
care, pe bucla centrala, reprezentand anticodonul, poseda o secventa de
trei ribonucleotizi complementara codonilor mARN din complexul polizomului.
In acest fel aminoacizii sunt legati enzimatic intr-o ordine impusa
de ADN care a matritat mARN si care joaca un rol direct in biosinteza
proteinelor. In al patrulea moment are loc translatia, polimerizarea sau
asamblarea aminoacizilor. Legatura se realizeaza intre gruparea COOH a
primului aminoacil care reprezinta punctul activ al biosintezei progresive,
cu gruparea NH2, a celui de al doilea aminoacil, in prezenta enzimei peptid-polimeraza,
care catalizeaza formarea legaturilor peptidice intre aminoacizi; incorporarea
aminoacizilor este ireversibila; iau astfel nastere lanturi polipeptidice care
se elibereaza de polizom, prin translocarea ultimului complex aminoacil-tARN
de ultimul ribozom din polizom, cand acesta a ajuns in urma rotirii
la extremitatea matricei mARN de care se detaseaza. Un lant polipeptidic se
sintetizeaza intr-un minut.