Macromoleculele biologice (partea a V-a): acizii nucleici

Acizii nucleici – acidul dezoxiribonucleic (ADN) și acidul ribonucleic (ARN) – reprezintă al patrulea grup de macromolecule biologice și conțin fosfor (P) în plus față de carbon, hidrogen, oxigen și azot. Conservați prin evoluție în toate organismele, acizii nucleici stochează și transmit informațiile ereditare. 

ADN-ul conține instrucțiuni pentru sinteza proteinelor prin dictarea secvențelor de aminoacizi din polipeptide, în care sunt implicate procesele cunoscute sub numele de transcripție și translație. Acizii nucleici sunt formați din nucleotide; la rândul său, fiecare nucleotidă constă dintr-o pentoză (un zahar) (dezoxiriboză în ADN și riboză în ARN), o bază azotată (adenină, citozină, guanină și timină sau uracil) și o grupă fosfat. ADN-ul poartă modelul genetic al celulei, care este transmis de la părinte la urmași prin diviziunea celulară. 

ADN-ul are o structură dublu elicoidală; cele două catene merg în direcții opuse (catene antiparalele), sunt conectate între ele prin legături de hidrogen și sunt complementare. În ADN, purinele se împerechează cu pirimidinele: adenina se împerechează cu timina (A-T), iar citozina se împerechează cu guanina (C-G). În ARN, uracilul înlocuiește timina pentru a se asocia cu adenina (U-A). 

De asemenea, ARN-ul diferă de ADN prin faptul că este monocatenar și are multe forme, cum sunt ARN-ul mesager (ARNm), ARN-ul ribozomal (ARNr) și ARN-ul de transfer (ARNt), care toate participă la sinteza proteinelor. MicroARN-urile (miARN-urile) reglează utilizarea ARNm. Fluxul de informații genetice este de obicei ADN → ARN → proteină, fiind cunoscut și sub numele de Dogma Centrală a Vieții.

ADN-ul și ARN-ul

Acizii nucleici sunt cele mai importante macromolecule pentru continuitatea vieții. Ei poartă modelul genetic al unei celule și instrucțiuni pentru funcționarea celulei.

Cele două tipuri principale de acizi nucleici sunt acidul dezoxiribonucleic (ADN) și acidul ribonucleic (ARN). ADN-ul este materialul genetic care se întâlnește la toate organismele vii, de la bacterii la mamifere. Se găsește în nucleul eucariotelor și în unele organite (cloroplaste și mitocondrii). La procariote, ADN-ul nu este protejat de un înveliș membranos.

Întregul conținut genetic al unei celule este cunoscut sub numele de genom, iar studierea genomilor se numește genomică. În celulele eucariote, dar nu și la procariote, ADN-ul alcătuiește un complex cu proteinele histonice pentru a forma cromatina, substanța cromozomilor eucariotelor. Un cromozom poate conține zeci de mii de gene. Multe gene conțin informații pentru sinteza de produse proteice; alte gene codifică molecule de ARN. ADN-ul controlează toate activitățile celulare prin „activarea” sau „dezactivarea” genelor.

Celălalt tip de acid nucleic, ARN-ul, este implicat în principal în sinteza proteinelor. Moleculele de ADN nu părăsesc niciodată nucleul, ci folosesc un intermediar pentru a comunica cu restul celulei. Acest intermediar este ARN-ul mesager (ARNm). Alte tipuri de ARN – cum ar fi ARNr, ARNt și microARN-ul – sunt implicate în sinteza proteinelor și în reglarea acestui proces.

ADN-ul și ARN-ul sunt formați din monomeri cunoscuți sub numele de nucleotide. Nucleotidele se combină între ele pentru a forma o polinucleotidă, ADN sau ARN. Fiecare nucleotidă este alcătuită din trei componente: o bază azotată, o pentoză (cu cinci atomi de carbon) și o grupare fosfat (Figura 1). Fiecare bază azotată dintr-o nucleotidă este atașată la o moleculă de zahar, care este atașată la una sau mai multe grupări fosfat.

Figura 1 – O nucleotidă este alcătuită din trei componente: o bază azotată, o pentoză și una sau mai multe grupări fosfat. Reziduurile de carbon din pentoză sunt numerotate de la 1′ la 5′. Baza este atașată la poziția 1′ a ribozei, iar fosfatul este atașat la poziția 5′. Când se formează o polinucleotidă, fosfatul 5′ al nucleotidei de intrare se atașează de gruparea hidroxil 3′ de la capătul lanțului în creștere.

Bazele azotate, componente importante ale nucleotidelor, sunt molecule organice și sunt numite astfel deoarece conțin carbon și azot. Sunt baze deoarece conțin o grupare amino care are potențialul de a lega un hidrogen în plus, scăzând astfel concentrația ionilor de hidrogen din mediul său, făcându-l mai bazic. Fiecare nucleotidă din ADN conține una dintre cele patru baze azotate posibile: adenină (A), guanină (G), citozină (C) și timină (T).

Adenina și guanina sunt clasificate ca purine. Structura primară a unei purine constă din două inele carbon-azot. Citozina, timina și uracilul sunt clasificate ca pirimidine, care au ca structură primară un singur inel carbon-azot (Figura 1). Fiecare dintre aceste inele de bază carbon-azot are atașate diferite grupări funcționale. În prescurtarea biologiei moleculare, bazele azotate sunt pur și simplu cunoscute prin simbolurile lor A, T, G, C și U. ADN-ul conține A, T, G și C, în timp ce ARN conține A, U, G și C.

Pentoza din ADN este deoxiriboză, în timp ce în ARN, zaharul este riboză (Figura 1). Diferența dintre zaharuri este prezența grupării hidroxil pe al doilea carbon al ribozei și a hidrogenului pe al doilea carbon al dezoxiribozei. Atomii de carbon ai moleculei de zahar sunt numerotați 1′, 2′, 3′, 4′ și 5′ (1′ se citește ca „unu prim”). Reziduul fosfat este atașat la gruparea hidroxil a carbonului 5′ al unui zahar și la gruparea hidroxil a carbonului 3′ al zaharului următoarei nucleotide, care formează o legătură fosfodiesterică 5′–3′. Legătura fosfodiesterică nu se formează printr-o reacție simplă de deshidratare, cum este cazul celorlalte legături care leagă monomerii din macromolecule: formarea sa implică îndepărtarea a două grupări fosfat. O polinucleotidă poate avea mii de astfel de legături fosfodiesterice.

Structura dublu helix a ADN-ului

ADN-ul are o structură dublu helicoidală (dublu helix) (Figura 2). Zaharul și gruparea fosfat se află pe exteriorul helixului, formând coloana vertebrală a ADN-ului. Bazele azotate sunt stivuite în interior, ca treptele unei scări, în perechi; perechile sunt legate între ele prin legături de hidrogen. Fiecare pereche de baze azotate din dublul helix este separată de următoarea pereche de baze de un interval de 0,34 nm. 

Cele două lanțuri (catene) ale dublu helixului se desfășoară în direcții opuse, ceea ce înseamnă că atomul de carbon 5′ al unui lanț se va învecina cu atomul de carbon 3′ al lațului său pereche. (Acest lucru se numește orientare antiparalelă și este important pentru replicarea ADN-ului și în multe interacțiuni dintre acizii nucleici).

Figura 2 – ADN-ul nativ este un dublu helix antiparalel. Coloana vertebrală de fosfat (indicată de liniile curbe) este în exterior, iar bazele sunt în interior. Fiecare bază dintr-o catenă interacționează prin legături de hidrogen cu o bază din catena opusă.

Sunt permise doar anumite tipuri de perechi de baze. De exemplu, o anumită purină se poate asocia doar cu o anumită pirimidină. Aceasta înseamnă că A se poate împerechea cu T, iar G se poate împerechea cu C. Aceasta este cunoscută drept regula complementarității bazelor azotate. Cu alte cuvinte, catenele de ADN sunt complementare între ele. Dacă secvența unei catene este AATTGGCC, catena sa complementară va avea secvența TTAACCGG. În timpul replicării ADN-ului, fiecare catenă este copiată, rezultând o spirală dublă ADN-fiică ce conține o catenă ADN-părinte și o catenă nou sintetizată.

ARN-ul

Acidul ribonucleic (sau ARN-ul) este implicat în principal în procesul de sinteză a proteinelor sub îndrumarea ADN-ului. ARN-ul este, de obicei, monocatenar și este format din ribonucleotide care sunt legate prin legături fosfodiesterice. O ribonucleotidă din lanțul de ARN conține riboză, una dintre cele patru baze azotate (A, U, G și C) și gruparea fosfat.

Există patru tipuri majore de ARN: ARN mesager (ARNm), ARN ribozomal (ARNr), ARN de transfer (ARNt) și microARN (miARN). Primul, ARNm, transmite mesajul de la ADN, care controlează toate activitățile dintr-o celulă. Dacă o celulă necesită sintetizarea unei anumite proteine, gena pentru această proteină este „activată” și ARN-ul mesager este sintetizat în nucleu. 

Secvența de baze din ARN este complementară cu secvența de codificare a ADN-ului din care a fost copiată. Cu toate acestea, în ARN, baza azotată T este înlocuită cu U. De exemplu, dacă o catena de ADN are o secvență AATTGCGC, secvența ARN-ului complementar va fi UUAACGCG. În citoplasmă, ARNm interacționează cu ribozomii și alte mașinării celulare (Figura 3).

Figura 3 – Un ribozom are două componente: o subunitate mare și o subunitate mică. ARNm se află între cele două subunități. O moleculă de ARNt recunoaște un codon de pe ARNm, se leagă de acesta prin împerecherea bazelor complementare și adaugă aminoacidul corect la lanțul peptidic în creștere.

ARNm este citit în seturi de trei baze cunoscute sub numele de codoni. Fiecare codon codifică un singur aminoacid. În acest fel, ARNm este citit și se sintetizează produsul proteic. 

ARN-ul ribozomal (ARNr) este un constituent major al ribozomilor de care se leagă ARNm. ARNr asigură alinierea corectă a ARNm și a ribozomilor; ARNr-ul ribozomului are și activitate enzimatică (peptidil transferaza) și catalizează formarea legăturilor peptidice între doi aminoacizi aliniați. 

ARN-ul de transfer (ARNt) este unul dintre cele mai mici tipuri de ARN, având de obicei o lungime de 70-90 de nucleotide. El transportă aminoacidul corect la locul sintezei proteinelor. Împerecherea bazelor azotate din ARNt și ARNm este cea care permite inserarea corectă a aminoacidului în lanțul polipeptidic. 

MicroARN-urile sunt cele mai mici molecule de ARN și rolul lor implică reglarea expresiei genelor prin interferarea cu expresia anumitor mesaje ARNm.

Chiar dacă ARN-ul este monocatenar, majoritatea tipurilor de ARN prezintă o împerechere extinsă de baze intramoleculare între secvențe complementare, creând o structură tridimensională previzibilă, esențială pentru funcționarea lor.

Așadar, fluxul de informații dintr-un organism are loc de la ADN la ARN la proteine. ADN-ul dictează structura ARNm printr-un proces cunoscut sub numele de transcripție, iar ARN-ul dictează structura proteinei printr-un proces cunoscut sub numele de translație. Aceasta este cunoscută ca Dogma Centrală a Vieții, care este valabilă pentru toate organismele; totuși, excepții de la regulă apar în privința infecțiilor virale.