Acizi nucleici: structură, funcție, tipuri și exemple

Acizi nucleici reprezintă una dintre cele patru mari categorii de biomolecule, care sunt substanțele care alcătuiesc celulele. Celelalte sunt proteine, carbohidrați și lipide (sau grăsimi).

Acizi nucleici, care includ ADN (acid dezoxiribonucleic) și ARN (acid ribonucleic), diferă de celelalte trei biomolecule prin faptul că nu pot fi metabolizate pentru a furniza energie organismului părinte.

(De aceea nu vedeți „acid nucleic” pe etichetele cu informații nutriționale.)

Funcția ADN și ARN este de a stoca informații genetice. O copie completă a propriului ADN poate fi găsită în nucleul a aproape fiecare celulă din corpul dvs., făcând această agregare de ADN - numită cromozomi în acest context - mai degrabă ca hard diskul unui computer laptop.

În această schemă, o lungime de ARN de tipul numită ARN mesager conține instrucțiunile codificate pentru un singur produs proteic (adică conține o singură genă) și, prin urmare, seamănă mai mult cu o „unitate de deget mare” care conține un singur fișier important.

ADN-ul și ARN-ul sunt foarte strâns legate. Singura substituire a unui atom de hidrogen (–H) în ADN pentru o grupare hidroxil (–OH) atașată la atomul de carbon corespunzător din ARN reprezintă întreaga diferență chimică și structurală dintre cei doi acizi nucleici.

După cum veți vedea, totuși, așa cum se întâmplă atât de des în chimie, ceea ce pare a fi o mică diferență la nivel atomic are consecințe practice evidente și profunde.

Acizii nucleici sunt compuși din nucleotide, care sunt substanțe care constau în sine din trei grupe chimice distincte: a zahăr pentoză, unu la trei grupe fosfat și a baza azotata.

Zahărul pentozic din ARN este riboză, în timp ce cel din ADN este dezoxiriboză. De asemenea, în acizii nucleici, nucleotidele au doar o singură grupă fosfat. Un exemplu de nucleotidă bine cunoscută care se mândrește cu mai multe grupări fosfat este ATP, sau adenozin trifosfat. ADP (adenozin difosfat) participă la multe dintre aceleași procese pe care le face ATP.

Pot fi molecule unice de ADN extraordinar de lungă și se poate extinde pe lungimea unui întreg cromozom. Moleculele de ARN sunt mult mai limitate ca dimensiuni decât moleculele de ADN, dar încă se califică drept macromolecule.

Riboză (zahărul ARN) are un inel cu cinci atomi care include patru din cei cinci atomi de carbon din zahăr. Trei dintre celelalte sunt ocupate de grupări hidroxil (–OH), una de un atom de hidrogen și una de o grupare hidroximetil (–CH2OH).

Singura diferență în dezoxiriboză (zahărul ADN-ului) este că una dintre cele trei grupări hidroxil (cea aflată în poziția 2-carbon) a dispărut și este înlocuită cu un atom de hidrogen.

De asemenea, în timp ce atât ADN cât și ARN au nucleotide cu una dintre cele patru baze azotate posibile incluse, acestea variază ușor între cei doi acizi nucleici. ADN prezintă adenină (A), citozină (C), guanină (G) și timină. întrucât ARN are A, C și G, dar uracil (U) în locul timinei.

Majoritatea diferențelor funcționale dintre ADN și ARN se referă la rolurile lor semnificativ diferite în celule. ADN-ul este locul în care este stocat codul genetic pentru a trăi - nu doar reproducerea, ci și activitățile de zi cu zi.

ARN, sau cel puțin ARNm, este responsabil pentru colectarea acelorași informații și aducerea lor la ribozomi în afara nucleului în care sunt construite proteinele care permit realizarea celor metabolice menționate anterior Activități.

Secvența de bază a unui acid nucleic este locul în care sunt transmise mesajele sale specifice și azotul Se poate spune astfel că bazele sunt în cele din urmă responsabile pentru diferențele la animale din aceeași specie - că este, manifestări diferite ale aceleiași trăsături (de exemplu, culoarea ochilor, modelul părului corpului).

Două dintre bazele din acizii nucleici (A și G) sunt purine, în timp ce două (C și T în ADN; C și U în ARN) sunt pirimidine. Moleculele de purină conțin două inele condensate, în timp ce pirimidinele au doar una și sunt mai mici în general. După cum veți afla în curând, molecula de ADN este dublu catenar din cauza legăturii dintre nucleotide în suvite adiacente.

O bază purinică se poate lega doar cu o bază pirimidinică, deoarece două purine ar ocupa prea mult spațiu între șuvițe și două pirimidine prea puțin, o combinație purină-pirimidină fiind tocmai potrivită mărimea.

Dar lucrurile sunt de fapt mai strict controlate decât acestea: în acizii nucleici, Ase leagă numai deT (sauU în ARN), întrucât C se leagă numai de G.

Descrierea completă a moleculei de ADN ca helix dublu catenar în 1953 de James Watson și Francis Crick a câștigat în cele din urmă duo-ului un Premiu Nobel, deși opera de difracție cu raze X a Rosalind Franklin în anii care au condus la această realizare a avut un rol esențial în succesul perechii și este adesea subevaluată în cărți de istorie.

În natură, ADN-ul există ca helix deoarece aceasta este cea mai favorabilă formă energetică pentru setul particular de molecule pe care le conține.

Lanțurile laterale, bazele și alte porțiuni ale moleculei de ADN experimentează amestecul potrivit de atracții electrochimice și electrochimice repulsii, astfel încât molecula să fie cea mai „confortabilă” sub forma a două spirale, ușor decalate una de cealaltă, ca în stil spiral întrețesut scări.

Catenele de ADN constau din grupări fosfat alternante și reziduuri de zahăr, cu bazele azotate atașate la o parte diferită a porțiunii de zahăr. O catenă ADN sau ARN se prelungește datorită legăturilor de hidrogen formate între gruparea fosfat a unei nucleotide și reziduurile de zahăr ale următoarei.

Mai precis, este atașat fosfatul de la numărul 5 de carbon (adesea scris 5 ') al nucleotidei primite în locul grupării hidroxil pe numărul 3 de carbon (sau 3 ') al polinucleotidei în creștere (nucleic mic acid). Acest lucru este cunoscut sub numele de legătură fosfodiester.

Între timp, toate nucleotidele cu baze A sunt aliniate cu nucleotide cu baze T în ADN și nucleotide cu baze U în ARN; C se împerechează în mod unic cu G în ambele.

Se spune că cele două catene ale unei molecule de ADN sunt complementar unul altuia, deoarece secvența de baze a unuia poate fi determinată folosind secvența de baze a celeilalte datorită schemei simple de împerechere a bazelor observate de moleculele de acid nucleic.

ARN, după cum sa menționat, este extraordinar de similar ADN-ului la nivel chimic, cu o singură bază azotată dintre patru fiind diferite și un singur atom de oxigen „extra” în zahărul ARN-ului. Evident, aceste diferențe aparent banale sunt suficiente pentru a asigura un comportament substanțial diferit între biomolecule.

În special, ARN-ul este monocatenar. Adică, nu veți vedea termenul „catenă complementară” folosit în contextul acestui acid nucleic. Cu toate acestea, diferite porțiuni ale aceluiași fir de ARN pot interacționa între ele, ceea ce înseamnă că forma ARN-ului variază de fapt mai mult decât forma ADN-ului (invariabil o helică dublă). În consecință, există numeroase tipuri diferite de ARN.

• ARNm, sau ARN mesager, folosește o asociere de baze complementară pentru a transporta mesajul pe care ADN-ul îl dă în timpul transcrierii către ribozomi, unde acel mesaj este tradus în sinteza proteinelor. Transcrierea este descrisă în detaliu mai jos.
• ARNr, sau ARN ribozomal, alcătuiește o porțiune considerabilă din masa ribozomilor, structurile din celulele responsabile de sinteza proteinelor. Restul masei ribozomilor este format din proteine.
• ARNt, sau ARN de transfer, joacă un rol esențial în traducere prin transferarea aminoacizilor destinați lanțului polipeptidic în creștere la locul unde sunt asamblate proteinele. În natură există 20 de aminoacizi, fiecare cu ARNt propriu.
  

Imaginați-vă că vi se prezintă un fir de acid nucleic cu secvența de baze AAATCGGCATTA. Numai pe baza acestor informații, ar trebui să puteți concluziona rapid două lucruri.

Unul, că acesta este ADN, nu ARN, așa cum este revelat de prezența timinei (T). Al doilea lucru pe care îl puteți spune este că firul complementar al acestei molecule de ADN are secvența de bază TTTAGCCGTAAT.

De asemenea, puteți fi siguri de catena de ARNm care ar rezulta din această catena de ADN care este supusă transcripției ARN. Ar avea la fel succesiunea bazelor dupa cum catenă ADN complementară, cu orice caz de timină (T) înlocuită cu uracil (U).

Acest lucru se datorează faptului că replicarea ADN-ului și transcrierea ARN funcționează în mod similar în ceea ce este catena realizată din catena șablon nu un duplicat al firului, dar complementul său sau echivalentul din ARN.

Pentru ca o moleculă de ADN să facă o copie de la sine, cele două fire ale spiralei duble trebuie să se separe în vecinătatea copierii. Acest lucru se datorează faptului că fiecare catenă este copiată (reprodusă) separat și deoarece enzimele și alte molecule care iau parte Replicarea ADN-ului au nevoie de spațiu pentru a interacționa, ceea ce nu oferă o helică dublă. Astfel, cele două catene se separă fizic și se spune că ADN-ul este denaturat.

Fiecare catenă separată de ADN face ca o nouă catenă să fie complementară și rămâne legată de el. Deci, într-un anumit sens, nimic nu este diferit în fiecare nouă moleculă dublu-catenară față de părintele său. Din punct de vedere chimic, ei au aceeași compoziție moleculară. Dar unul dintre firele din fiecare dublă helix este nou-nouț, în timp ce celălalt este lăsat de replicare.

Când replicarea ADN-ului are loc simultan de-a lungul unor fire complementare separate, sinteza noilor fire se produce de fapt în direcții opuse. Pe de o parte, noua suvită crește pur și simplu în direcția în care ADN-ul este „dezarhivat” pe măsură ce este denaturat.

Pe de altă parte, totuși, sunt sintetizate mici fragmente de ADN nou departe din direcția separării șuviței. Acestea se numesc fragmente Okazaki și sunt unite între ele de enzime după ce au atins o anumită lungime. Aceste două noi catene de ADN sunt antiparalel unul altuia.

Transcriere ARN este similar cu replicarea ADN-ului prin aceea că este necesară despărțirea firelor de ADN pentru ca acesta să înceapă. ARNm este realizat de-a lungul șablonului ADN prin adăugarea secvențială a nucleotidelor ARN de către enzima ARN polimerază.

Această transcriere inițială a ARN-ului creat din ADN creează ceea ce noi numim pre-ARNm. Această catenă pre-ARNm conține ambele introni și exoni. Intronii și exonii sunt secțiuni din ADN / ARN care codifică sau nu codifică părți ale produsului genetic.

Introni sunt secțiuni necodificate (numite și "interfering sections ") în timp ce exoni sunt secțiuni de codare (numite și "exsecțiuni presate ").

Înainte ca această catenă de ARNm să părăsească nucleul pentru a fi tradusă într-o proteină, enzimele din nucleul acciză, de asemenea, decupate, introni, deoarece acestea nu codifică nimic din gena respectivă. Enzimele conectează apoi secvențele de intron rămase pentru a vă oferi catena finală de ARNm.

O catenă de ARNm include de obicei exact secvența de bază necesară pentru asamblarea unei proteine ​​unice în aval în traducere proces, ceea ce înseamnă că o moleculă de ARNm transportă de obicei informațiile pentru una genă. O genă este o secvență de ADN care codifică un anumit produs proteic.

Odată ce transcrierea este completă, catena de ARNm este exportată din nucleu prin porii din învelișul nuclear. (Moleculele de ARN sunt prea mari pentru a se difuza pur și simplu prin membrana nucleară, la fel ca apa și alte molecule mici). Apoi „andochează” cu ribozomi în citoplasmă sau în anumite organite și sinteza proteinei este inițiat.

Acizii nucleici nu pot fi metabolizați pentru combustibil, dar pot fi creați din molecule foarte mici sau descompuse din forma lor completă în părți foarte mici. Nucleotidele sunt sintetizate prin reacții anabolice, adesea din nucleozide, care sunt nucleotide minus orice grupări fosfat (adică un nucleozid este un zahăr riboză plus o bază azotată).

ADN-ul și ARN-ul pot fi, de asemenea, degradate: de la nucleotide la nucleozide, apoi la baze azotate și, eventual, la acid uric.

Defalcarea acizilor nucleici este importantă pentru starea generală de sănătate. De exemplu, incapacitatea de a descompune purinele este legată de gută, o boală dureroasă care afectează unele dintre articulații datorită depunerilor de cristale de urat din acele locații.