Acizii nucleici

Acizii nucleici, în special ADN-ul, sunt macromoleculele esențiale pentru continuitatea vieții. ADN-ul conține informații ereditare, transmise de la părinți la copii, oferind informații despre cum (și când) se sintetizează numeroasele proteine necesare structurii și funcțiilor celulelor, țesuturilor și organismelor.

Modul în care ADN-ul transmite informația și modul în care este folosit de celule și organisme sunt complexe, fascinante și destul de uimitoare și le vom explora mai în detaliu în secțiunea de biologie moleculară. Aici, vom arunca o privire rapidă la acizii nucleici, din perspectiva macromoleculară.

Acizi nucleici, macromolecule formate din unități numite nucleotide, există în două varietăți naturale: acid dezoxiribonucleic (ADN) și acid ribonucleic (ARN). ADN-ul este un material genetic întâlnit la organismele vii, de la bacterii unicelulare până la mamifere multicelulare, ca mine și tine. Unele virusuri folosesc ARN, nu ADN ca material genetic, dar nu sunt considerate vii (deoarece nu se pot reproduce fără ajutorul unei gazde).

La eucariote, precum plantele și animalele, ADN-ul se găsește în nucleu, o componentă celulară delimitat de o membrană, cât și în alte tipuri de organite (precum mitocondriile și cloroplastele din plante). La procariote, precum bacteriile, ADN-ul nu este delimitat de o membrană, chiar dacă este localizat într-o regiune specializată a celulei numită nucleoid.

La eucariote, de obicei, ADN-ul este fragmentat în bucăți liniare, foarte lungi, numite cromozomi, în timp ce la procariote, precum bacteriile, cromozomii sunt mult mai mici și, de obicei, circulari (formă inelară). Un cromozom poate conține zeci de mii de gene, fiecare furnizând instrucțiuni privind modul în care este sintetizată o anumită substanță necesară celulei.

Multe gene codifică produse proteice, însemnând că specifică secvența aminoacizilor utilizați pentru a construi o anumită proteină. Înainte ca această informație să fie utilizată pentru sinteza proteinelor, totuși, mai întâi trebuie făcută o copie a genei în ARN (transcript). Acest tip de ARN se numește un ARN mesager (ARNm), deoarece funcționează ca mesager între ADN și ribozomi, mașini moleculare care citesc secvențe de ARNm și le folosesc pentru a crea proteine. Această progresie de la ADN la ARN la proteine se numește „dogma centrală” a biologiei moleculare.

Important, nu toate genele codifică proteine. De exemplu, unele gene specifică ARN-uri ribozomale (ARNr-uri), servind drept componente structurale ale ribozomilor, sau ARN-uri de transfer (ARNt-uri), molecule de ARN în formă de trifoi care aduc aminoacizii în ribozom pentru sinteza proteică. Alte molecule ARN, ca microARN-urile (miARN-uri), acționează ca reglatori ai altor gene și tot timpul sunt descoperite noi tipuri de ARN care nu codifică proteine.

ADN-ul și ARN-ul sunt polimeri (în cazul ADN-ului, adesea polimeri foarte lungi) și sunt compuși din monomeri, cunoscuți sub numele de nucleotide. Când acești monomeri se unesc, lanțul rezultant se numește polinucleotidă (poli- = „multe”).

Fiecare nucleotidă este formată din trei părți: o structură inelară ce conține azot, numită bază azotată, un zahăr format din cinci atomi de carbon și o grupare fosfat. Molecula de zahăr are o poziție centrală în nucleotidă, având baza azotată legată de unul dintre carbonii săi și gruparea fosfat (sau grupările) la un altul. Hai să ne uităm, pe rând, la fiecare parte a unei nucleotide.

Bazele azotate ale nucleotidelor sunt substanțe organice (pe bază de carbon), cu structuri inelare ce conțin azot.

Fiecare nucleotidă din ADN conține una din cele patru baze azotate posibile: adenina (A), guanina (G), citozina (C) și timina (T). Adenina și guanina sunt purine, însemnând că structurile lor conțin două cicluri de carbon-azot lipite. Citozina și timina sunt, dimpotrivă, pirimidine și au doar un singur ciclu de carbon-azot. Nucleotidele ARN-ului pot prezenta, de asemenea, adenină, guanină și citozină, dar, în loc de timină, au o altă bază pirimidinică, numită uracil (U). Cum este prezentat și în figura de mai sus, fiecare bază are o structură unică, cu propriul set de grupări funcționale care sunt atașate la structura inelară.

În biologia moleculară prescurtată, bazele azotate sunt indicate, de obicei, prin simboluri de o literă A, T, G, C și U. ADN-ul conține A, T, G și C, în timp ce ARN-ul conține A, U, G și C (adică U îl înlocuiește pe T).

În plus față de existența unor seturi de baze azotate diferite, nucleotidele din ADN și ARN au, de asemenea, zaharuri ușor diferite. Zahărul cu cinci atomi de carbon din ADN se numește dezoxiriboză, în timp ce, în ARN, zahărul este riboză. Acestea două sunt foarte asemănătoare ca structură, dar au o singură diferență: al doilea carbon al ribozei are o grupare hidroxil, în timp ce carbonul echivalent al dezoxiribozei are, în schimb, doar un hidrogen. Atomii de carbon din molecula de zahăr a nucleotidei sunt numerotați ca 1′, 2′, 3′, 4′ și 5′ (1′ se citește ca „unu prim”), așa cum se arată în figura de mai sus. Într-o nucleotidă, zaharul ocupă o poziție centrală, cu baza atașată la gruparea sa carbon 1′ și la gruparea (sau grupările) fosfat atașată la carbon 5′ .

Nucleotidele pot avea o singură grupare fosfat sau un lanț de până la trei grupări fosfat atașat de carbonul 5' al zahărului. Unele surse din chimie folosesc termenul „nucleotidă” numai pentru cazul unei singure grupări fosfat, dar, în biologia moleculară, definiția mai largă este în general acceptată${}^1$‍.

Într-o celulă, o nucleotidă care urmează să fie adăugată la capătul unui lanț polinucleotidic va purta o serie de trei grupări fosfat. Când nucleotida se alătură lanțului în creștere de ADN sau ARN, pierde două grupări fosfat. Deci, într-un lanț de ADN sau ARN, fiecare nucleotidă are doar o singură grupare fosfat.

O consecință a structurii nucleotidelor este că un lanț polinucleotidic are direcționalitate — adică, are două capete care sunt diferite unul de celălalt. La capătul 5', sau la începutul lanțului, se remarcă gruparea fosfat 5' a primei nucleotide din lanț. La celălalt capăt, denumit capătul 3', este expus hidroxilul 3’ al ultimei nucleotide adăugate lanțului. Secvențele ADN sunt scrise de obicei în direcția 5'-3', ceea ce înseamnă că nucleotida de la capătul 5' este prima și că nucleotida de la capătul 3' este ultima.

Pe măsură ce noi nucleotide se adaugă la un lanț de ADN sau ARN, catena crește la capătul 3', cu fosfatul 5′ al unei nucleotide care se va lega de gruparea hidroxil aflată la capătul 3’ al lanțului. Acest lucru face ca fiecare zahăr să se unească cu vecinii săi printr-un set de legături numite legături fosfodiesterice.

În acidul dezoxiribonucleic sau ADN, catenele se găsesc de obicei într-un helix dublu, o structură în care două lanțuri pereche (complementare) sunt răsucite împreună, după cum se arată în diagrama din stânga. Zaharurile și fosfații se află în exteriorul helixului, formând scheletul ADN-ului; această porțiune a moleculei se numește uneori schelet fosfo-glucidic. Bazele azotate sunt orientate spre interior, ca treptele unei scări, în perechi: bazele unei perechi sunt legate între ele prin legături de hidrogen.

Cele două catene ale helixului au orientări diferite, capătul 5′ al unei catene este împerecheat cu capătul 3′ al celeilalte catene. (Aceasta senumește orientare antiparalelă și este importantă pentru copierea ADN-ului.)

Deci, pot orice două baze să se unească și să formeze o pereche în helixul dublu? Răspunsul este un „nu” clar. Datorită dimensiunilor și grupărilor funcționale ale bazelor, asocierea bazelor este foarte specifică: A se poate asocia doar cu T, iar G se poate asocia numai cu C, ca mai jos. Asta înseamnă că cele două catene din helixul dublu ADN au o relație foarte previzibilă una cu cealaltă.

De exemplu, dacă știi că secvența unei catene este 5’-AATTGCC-3’, catena complementară trebuie să aibă secvența 3’-TTAACCGG-5'. Aceasta permite fiecărei baze să se asocieze cu partenerul său:

Când două secvențe ADN se potrivesc în acest fel, reușind să se lipească una de alta într-un mod antiparelel și să formeze un helix, se spune că sunt complementare.

Acidul ribonucleic (ARN), spre deosebire de ADN, este de obicei monocatenar. O nucleotidă din lanțul ARN va conține riboză (zaharul cu cinci atomi de carbon), una dintre cele patru baze azotate (A, U, G, sau C) și o grupare fosfat. Aici, vom arunca o privire la patru tipuri majore de ARN: ARN mesager (ARNm), ARN ribozomal (ARNr), ARN de transfer (ARNt) și ARN-uri reglatoare.

ARN-ul mesager (ARNm) este un intermediar între o genă care codifică proteine și proteina sintetizată. Dacă o celulă are nevoie să producă o anumită proteină, gena care codifică proteina o să fie „activată”, ceea ce înseamnă că o enzimă ARN- polimerază va veni și va face o copie a ARN-ului, adică o transcriere a secvenței ADN a genei. Transcriptul conține aceeași informație ca secvenența ADN a genei sale. Totuși, în molecula ARN, baza T este înlocuită cu U. De exemplu, dacă o catenă codificatoare a ADN-ului are secvența 5’-AATTGCGC-3’, secvența corespunzătoare a ARN-ului o să fie 5’-AAUUGCGC-3’.

Odată ce a fost produs un ARNm, se va atașa la un ribozom, un organit celular care se ocupă cu asamblarea proteinelor din aminoacizi. Ribozomii folosesc informația din ARNm ca să sintetizeze o proteină specifică, „citind” nucleotidele ARN-uluimesager în grupuri de câte 3 (numite codoni) și adăugând câte un anumit aminoacid la fiecare codon.

ARN-ul ribozomal (ARNr) este o componentă majoră a ribozomilor, unde ajută la atașarea ARNm în poziția corectă, astfel încât secvența informațională să poată fi citită. Unele ARNr joacă rol și de enzime, ceea ce înseamnă că ajută la accelerarea (catalizarea) reacțiilor chimice — în acest caz, formarea legăturilor care leagă aminoacizii pentru a forma o proteină. ARN-urile care joacă rol de enzime se numesc ribozime.

ARN-urile de transfer (ARNt) sunt implicate, de asemenea, în sinteza proteinelor, dar sarcina lor este de a acționa ca purtători — să aducă aminoacizii la ribozomi, asigurându-se că aminoacidul adăugat în lanț este cel specificat de ARNm. ARN-urile de transfer conțin o singură catenă de ARN, dar această catenă conține segmente complementare care sunt unite formând regiuni dublu catenare. Această împerechere a bazelor creează o structură 3D complexă, importantă pentru funcționarea moleculei.

Unele tipuri de ARN necodificator (ARN care nu codifică proteinele) ajută la reglarea expresiei altor gene. Astfel de ARN-uri pot fi numite ARN de regulatoare. De exemplu, microARN-urile (miARN) și ARN-urile interferente mici (siARN) sunt molecule mici de ARN reglator, cu o lungime de aproximativ 22 de nucleotide. Acestea se leagă de anumite molecule ARNm (cu secvențe parțial sau complet complementare) și le reduc stabilitatea sau intervin în traducerea lor, oferindu-le celulelor o modalitate de reducere sau ajustare a nivelului acestor ARNm-uri.

Acestea sunt doar câteva exemple din numeroasele tipuri de ARN-uri necodificatoare și reglatoare. Oamenii de știință încă descoperă noi tipuri de ARN-uri necodificatoare.

Vrei să afli mai multe despre împerecherea bazelor nucleotidice? Vezi această listă interactivă de la LabXchange.