Acizii nucleici reprezintă una dintre cele patru categorii majore de biomolecule – substanțe din care sunt alcătuite celulele -, alături de proteine, carbohidrați și lipide (grăsimi). Ei includ acidul dezoxiribonucleic (ADN-ul) și acidul ribonucleic (ARN-ul) și diferă de celelalte trei biomolecule prin faptul că nu pot fi metabolizați pentru a furniza energie organismului.
Funcția acizilor nucleici și elemente de bază
Funcția ADN-ului și ARN-ului este de a stoca informația genetică. O copie a ADN-ului nostru poate fi întâlnită în nucleul aproape oricărei celule din corpul nostru, sub formă de cromozomi.
Cele două tipuri de acizi nucleici sunt foarte apropiate. Înlocuirea unui singur atom de hidrogen (–H) cu o grupare hidroxil (–OH) reprezintă singura diferență chimică și structurală dintre cei doi acizi nucleici.
Structura acizilor nucleici
Acizii nucleici sunt formați din nucleotide, care sunt substanțe formate din trei grupe grupări chimice distincte: o pentoză (un tip de zahar), 1-3 grupări fosfat și o bază azotată.
Pentoza din ARN este riboza, în timp ce pentoza din ADN este dezoxiriboza. De asemenea, în acizii nucleici, nucleotidele conțin doar o singură grupare fosfat. Un exemplu de nucleotidă care conține mai multe grupări fosfat este adenozintrifosfatul (ATP-ul).
O singură moleculă de ADN poate fi extrem de lungă și se poate întinde pe toată lungimea cromozomului. Moleculele de ARN sunt mult mai limitate în ceea ce privește mărimea, dar ele sunt tot macromolecule.
Diferențe specifice între ADN și ARN
Riboza (zahărul din ARN) este formată dintr-un inel de cinci atomi care include patru atomi de carbon și un atom de oxigen. La trei dintre atomii de carbon se leagă o grupare hidroxil (–OH), iar de al patrulea se leagă o grupare hidroximetil (–CH2OH).
Singura diferență în cazul deozoxiribozei (zahărul din ADN) este aceea că gruparea hidroxil de la atomul de carbon din poziția 2 este înlocuită cu un atom de hidrogen (–H).
De asemenea, în timp ce atât ADN-ul, cât și ARN-ul au nucleotide cu una dintre cele patru baze azotate posibile, acestea variază ușor între cei doi acizi nucleici. ADN-ul conține adenină (A), citozină (C), guanină (G) și timină (T), în timp ce ARN-ul are A, C, G și uracil (U) în locul timinei (T).
Tipuri de acizi nucleici
Cea mai mare parte a diferențelor funcționale dintre ADN și ARN se referă la rolurile lor semnificativ diferite pe care le au în celule. ADN-ul este asociat cu locul în care este stocat codul genetic al vieții – nu doar reproducerea, ci și activitățile de zi cu zi.
ARN-ul, sau cel puțin ARN-ul mesager (ARNm), este responsabil pentru colectarea aceleiași informații și aducerea acesteia la ribozomii din afara nucleului, unde sunt sintetizate proteinele necesare desfășurării proceselor metabolice.
Secvența de baze azotate a unui acid nucleic este locul specific unei este stocată informația genetică, ceea ce înseamnă că aceste baze azotate sunt, în final, responsabile de diferențele dintre indivizii aceleași specii – adică manifestări diferite ale aceleași trăsături (de exemplu, culoarea ochilor).
Împerecherea bazelor în acizii nucleici
Două dintre bazele azotate din acizii nucleici, respectiv adenina (A) și guanina (G) sunt purine, în timp ce citozina (C), timina (T) și uracilul (U) sunt pirimidine. Moleculele de purină conțin două inele fuzionate, în timp ce pirimidinile au un singur inel și sunt mai mici.
O bază azotată purinică se poate lega doar de o bază pirimidinică, deoarece două purine ar ocupa prea mult spațiu între catene, iar două pirimidine ar ocupa un spațiu prea mic. Combinația purină-pirimidină are configurația cea mai potrivită.
Însă în structura acizilor nucleici lucrurile sunt chiar mai stricte de atât: A se leagă numai de T (sau U în cazul ARN-ului), iar C se leagă numai de G.
Structura ADN-ului
Descrierea completă a moleculei de ADN ca un helix dublu catenar a fost realizată de către James Watson și Francis Crick, în anul 1953, fapt care a adus celor doi oameni de știință Premiul Nobel. Studierea moleculei prin difracția razelor X, realizată de Rosalind Franklin, a fost esențială pentru efectuarea descoperirii, deși această contribuție este deseori subestimată în cărțile de istorie.
În natură, ADN-ul există sub formă de helix deoarece aceasta este forma cea mai stabilă din punct de vedere energetic. Lanțurile laterale, bazele azotate și alte părți ale moleculei de ADN manifestă o serie de atracții și repulsii electrochimice, astfel încât molecula este mai ”confortabilă” sub forma a două spirale (dublu helix), ușor deplasate una fața de cealaltă – ca două scări în spirală împletite.
Legătura între componentele nucleotidice
Catenele de ADN constau din grupări fosfat care alternează cu molecule de zahăr, în timp ce bazele azotate sunt atașate de moleculele de zahăr, într-o altă porțiune a acestora. O catenă de ADN sau ARN se alungește datorită legăturilor de hidrogen formate între gruparea fosfat a unei nucleotide și molecula de zahăr a nucleotidei următoare.
Mai exact, gruparea fosfat legată de atomul de carbon din poziția a 5-a (deseori notat 5′) al noii nucleotide se atașează în locul grupării hidroxil legate de atomul de carbon din poziția a 3-a (sau 3′) al polinucleotidei aflate în creștere. Acest proces este cunoscut sub denumirea de legătură fosfodiesterică.
Toate nucleotidele cu adenină se aliniază cu nucleotidele cu timină, în cazul ADN-ului, sau uracil, în cazul ARN-ului; citozina se împerechează întotdeauna cu guanina, în ambele tipuri de acizi nucleici.
Cele două catene de ADN sunt complementare, deoarece succesiunea bazelor azotate dintr-o catenă poate fi determinată pe baza secvenței din cealaltă catenă tocmai datoriră schemei de împerechere a bazelor azotate din acizii nucleici.
Structura ARN-ului
ARN-ul este foarte asemănător cu ADN-ul din punct de vedere chimic, doar o bază azotată din patru fiind diferită, iar în ARN existând un sigur atom de oxigen în plus la nivelul pentozei. Evident, aceste diferențe aparent banale sunt suficiente pentru a asigura un comportament substanțial diferit al celor două biomolecule.
Spre deosebire de ADN, ARN-ul este monocatenar. Totuși, diferite părți ale catenei sale pot interacționa între ele, ceea ce înseamnă că forma ARN-ului poate varia mai mult decât cea a ADN-ului. Drept urmare, există mai multe tipuri diferite de ARN, astfel:
- ARN-ul mesager (ARNm) utilizează perechi de baze complementare pentru a copia și transmite informația genetică din ADN la ribozomi (proces numit transcripție), unde are loc sinteza proteinelor;
- ARN-ul ribozomal (ARNr) reprezintă o porțiune considerabilă a masei ribozomilor – structurile celulare responsabile pentru sinteza proteinelor. Restul masei acestor organite celulare este constituit din proteine;
- ARN-ul de transfer (ARNt) joacă un rol esențial în procesul de translație, deoarece transferă aminoacizii la locul de sinteză a proteinelor. În natură există 20 de aminoacizi, fiecare având propriul său ARNt.
Replicarea ADN-ului
Pentru ca o moleculă de ADN să-și facă o copie, cele două catenele ale dublu helixului trebuie să se separe în porțiunea care trebuie copiată. Aceasta se datorează faptului că fiecare catenă este copiată (replicată) separat, iar enzimele și alte molecule care participă la procesul de replicare au nevoie de spațiu pentru a interacționa, lucru care nu este posibil în configurația de dublu helix. Așadar, cele două catene se separă din punct de vedere fizic, iar ADN-ul devine denaturat.
Fiecare catenă separată de ADN își creează o nouă catenă complementară, care rămâne atașată de catena originală. Așadar, într-un anumit fel, nimic nu este diferit în fiecare nouă moleculă dublu catenară, comparativ cu molecula inițială, iar din punct de vedere chimic, ele au aceeași compoziție moleculară. Însă una dintre catenele dublului helix este nouă, în timp ce cealaltă este catena originală, care s-a replicat.
Atunci când replicarea ADN-ului are loc simultan de-a lungul catenelor complementare separate, sinteza noilor catene are loc în direcții opuse. Pe una dintre catene, sinteza are loc în direcția în care dublul helix este despachetat. Pe cealaltă catenă, fragmente mici de ADN sunt sintetizate departe de direcția de separare a lanțurilor de ADN. Acestea sunt numite fragmente Okazaki și sunt unite cu ajutorul unor enzime atunci când ajung la o anumită lungime. Aceste două noi catene de ADN sunt antiparalele.
Transcripția ARN-ului
Transcripția ARN-ului este similară cu replicarea ADN-ului, în sensul că desperecherea catenelor de ADN este necesară înainte ca transcripția să aibă loc. De-a lungul catenei de ADN este produs ARNm, prin adăugarea secvențială de nucleotide de ARN de către enzima ARN-polimerază.
Acest transcript inițial de ARN creat din ADN se numește pre-ARNm și conține atât introni, cât și exoni, adică porțiuni de ADN sau ARN care codifică sau nu codifică informația genetică. Intronii sunt secțiuni care nu codifică, iar exonii sunt secțiuni care codifică.
Înainte ca lanțul de ARNm să părăsească nucleul pentru a fi translatat într-o proteină, enzimele din nucleu clivează intronii, deoarece aceștia nu conțin nicio informații genetică. Apoi enzimele conectează exonii rămași pentru a da naștere moleculei finale de ARN mesager.
De obicei, o moleculă de ARNm conține doar informația pentru asamblarea unei proteine unice, ceea ce înseamnă că molecula de ARN mesager poartă informația unei singure gene (o secțiune de ADN care codifică o anumită proteină).
După finalizarea transcripției, catena de ARNm este exportată în afara nucleului prin porii din membrana nucleară. (Moleculele de ARNm sunt prea mari pentru a difuza liber prin membrana nucleară, așa cum se întâmplă cu apa sau alte molecule mai mici). Apoi ARNm ”se cuplează” cu ribozomii din citoplasmă sau din alte organite celulare pentru a declanșa sinteza proteinelor.
Cum sunt metabolizați acizii nucleici?
Acizii nucleici mu pot fi metabolizați pentru producerea de energie, dar ei pot fi creați din molecule mai mici sau pot fi degradați în componente mai mici. Nucleotidele sunt sintetizate prin reacții anabolice, adesea din nucleozide – nucleotide cărora le lipsesc grupările fosfat (o nucleozidă este formată dintr-o moleculă de riboză și o bază azotată).
ADN-ul și ARN-ul pot fi degradate de la nucleotide la nucleozide, apoi la baze azotate și în final la acid uric. Degradarea acizilor nucleici este importantă pentru sănătatea organismului. De exemplu, incapacitatea de a degrada purinele este asociată cu guta, o afecțiune dureroasă care afectează unele articulații din cauza cristalelor de acid uric depuse la nivelul acestora.
Sursa: Sciencing.com