Caracteristicile acizilor nucleici

Acizii nucleici importanți din natură includ acidul dezoxiribonucleic sau ADN și acidul ribonucleic sau ARN. Sunt numiți acizi, deoarece sunt donatori de protoni (adică, atom de hidrogen) și, prin urmare, poartă o sarcină negativă.

Din punct de vedere chimic, ADN-ul și ARN-ul sunt polimeri, ceea ce înseamnă că acestea constau din unități repetate, adesea un număr foarte mare dintre ele. Aceste unități sunt numite nucleotide. La rândul său, toate nucleotidele includ trei porțiuni chimice distincte: un zahăr pentozat, o grupare fosfat și o bază azotată.

ADN-ul diferă de ARN în trei moduri primare. Una este că zahărul care alcătuiește „coloana vertebrală” structurală a moleculei de acid nucleic este deoxiriboză, în timp ce în ARN este riboză. Dacă sunteți familiarizați cu nomenclatura chimică, veți recunoaște că aceasta este o mică diferență în schema structurală generală; riboza are patru grupări hidroxil (-OH), în timp ce dezoxiriboză are trei.

A doua diferență este că, în timp ce una dintre cele patru baze azotate găsite în ADN este timina, baza corespunzătoare din ARN este uracilul. Bazele azotate ale acizilor nucleici sunt cele care dictează caracteristicile finale ale acestora molecule, deoarece porțiunile de fosfat și zahăr nu variază în interiorul sau între moleculele acelasi tip.

În cele din urmă, ADN-ul este dublu catenar, ceea ce înseamnă că este format din două lanțuri lungi de nucleotide legate chimic de două baze azotate. ADN-ul este înfășurat într-o formă de "dublă helix", ca o scară flexibilă răsucită în direcții opuse la ambele capete.

Deoxiriboză constă dintr-un inel cu cinci atomi, patru atomi de carbon și un oxigen, în formă de pentagon sau, poate, placa de bază în baseball. Deoarece carbonul formează patru legături și oxigenul două, acesta lasă opt situri de legare libere pe cei patru atomi de carbon, doi pe carbon, unul deasupra și unul sub inel. Trei dintre aceste pete sunt ocupate de grupări hidroxil (-OH), iar cinci sunt revendicate de atomii de hidrogen.

Această moleculă de zahăr se poate lega de una dintre cele patru baze azotate: adenină, citozină, guanină și timină. Adenina (A) și guanina (G) sunt purine, în timp ce citozina (C) și timina (T) sunt pirimidine. Purinele sunt molecule mai mari decât pirimidinele; deoarece cele două catene ale oricărei molecule de ADN complete sunt legate în mijloc de bazele lor azotate, aceste legături trebuie să se formeze între o purină și o pirimidină pentru a menține aproximativ dimensiunea totală a celor două baze de-a lungul moleculei constant. (Ajută la referirea la orice diagramă a acizilor nucleici atunci când citiți, cum ar fi cele din Referințe.) Așa cum se întâmplă, A se leagă exclusiv de T în ADN, în timp ce C se leagă exclusiv de G.

Deoxiriboză legată de o bază azotată se numește a nucleozidă. Când o grupare fosfat este adăugată la dezoxiriboză la carbon, la două pete distanță de locul unde este atașată baza, se formează o nucleotidă completă. Particularitățile sarcinilor electrochimice respective pe diferiții atomi din nucleotide sunt responsabil pentru ADN-ul cu catenă dublă care formează în mod natural o formă elicoidală, iar cele două catene de ADN din moleculă sunt numite fire complementare.

Zahărul pentozic din ARN este mai degrabă riboză decât dezoxiriboză. Riboza este identică cu dezoxiriboză, cu excepția faptului că structura inelului este legată de patru grupări hidroxil (-OH) și patru atomi de hidrogen în loc de trei și respectiv cinci. Porțiunea de riboză a unei nucleotide este legată de o grupare fosfat și de o bază azotată, ca și în cazul ADN-ului, cu fosfați alternanți și zaharuri care formează „coloana vertebrală” a ARN-ului. Bazele, așa cum s-a menționat mai sus, includ A, C și G, dar a doua pirimidină din ARN este mai degrabă uracil (U) decât T.

În timp ce ADN-ul se referă doar la stocarea informațiilor (o genă este pur și simplu o componentă de ADN care codifică o singură proteină), diferite tipuri de ARN își asumă funcții diferite. ARN Messenger, sau ARNm, este fabricat din ADN atunci când ADN-ul în mod obișnuit dublu catenar se împarte în două catene simple în scopul transcrierii. ARNm-ul rezultat își face drumul în cele din urmă către părțile celulelor în care are loc fabricarea proteinelor, purtând instrucțiunile pentru acest proces livrate de ADN. Un al doilea tip de ARN, ARN de transfer (ARNt), participă la fabricarea proteinelor. Acest lucru se întâmplă pe organitele celulare numite ribozomi, iar ribozomii în sine constau în principal dintr-un al treilea tip de ARN numit, în mod adecvat, ARN ribozomal (ARNr).

Cele cinci baze azotate - adenină (A), citozină (C), guanină (G) și timină (T) în ADN și primele trei plus uracil (U) în ARN - sunt porțiunile de acizi nucleici care sunt în cele din urmă responsabile pentru diversitatea produselor genetice de-a lungul vieții lucruri. Porțiunile de zahăr și fosfat sunt esențiale prin faptul că oferă structură și schele, dar bazele sunt locul în care sunt generate codurile. Dacă vă gândiți la computerul laptop ca la un acid nucleic sau cel puțin un șir de nucelotide, hardware-ul (de exemplu, unități de disc, monitor ecran, microprocesor) este similar cu zaharurile și fosfații, în timp ce orice software și aplicații pe care le folosiți sunt ca azotul bazele, deoarece sortimentul unic de programe pe care le-ați încărcat în sistemul dvs. face din computerul dvs. unul unic "organism."

După cum s-a descris mai sus, bazele azotate sunt clasificate fie ca purine (A și G), fie pirimidine (C, T și U). A se împerechează întotdeauna într-un fir ADN cu T, iar C se împerechează întotdeauna cu G. Important, când o catenă de ADN este utilizată ca șablon pentru sinteza (transcripția) ARN, în fiecare punct de-a lungul moleculei de ARN în creștere, nucleotida ARN care este creată din nucleotida ADN „părinte” include baza care este cea pe care baza „părinte” se leagă întotdeauna la. Acest lucru este explorat într-o secțiune suplimentară.

Purinele constau dintr-un inel cu șase membri cu azot și carbon și un inel cu cinci membri cu azot și carbon, ca un hexagon și un pentagon care au o parte. Sinteza purinei implică modificarea chimică a zahărului ribozei, urmată de adăugarea de amino (-NH₂) grupuri. Pirimidinele au, de asemenea, un inel cu șase membri cu azot și carbon, precum purinele, dar nu au inelul cu cinci membri cu azot și carbon al purinelor. Prin urmare, purinele au o masă moleculară mai mare decât pirimidinele.

Sinteza nucleotidelor care conțin pirimidine și sinteza nucleotidelor care conțin purine au loc în ordinea opusă într-o etapă crucială. În pirimidine, porțiunea de bază este asamblată mai întâi, iar restul moleculei este modificat ulterior într-o nucleotidă. La purine, partea care în cele din urmă devine adenină sau guanină este modificată spre sfârșitul formării nucleotidelor.

Transcrierea este crearea unui șir de ARNm dintr-un șablon de ADN, care poartă aceleași instrucțiuni (adică, cod genetic) pentru fabricarea unei anumite proteine ​​ca și șablonul. Procesul are loc în nucleul celulei, unde se află ADN-ul. Când o moleculă de ADN dublu catenar se separă în catene unice și transcrierea are loc, ARNm care este generat dintr-o singură catenă a perechii de ADN „nezipată” este identică cu ADN-ul celeilalte catenă de ADN nezipat, cu excepția faptului că mARN conține U în loc de T. (Din nou, trimiterea la o diagramă este utilă; a se vedea Referințele.) ARNm, odată complet, părăsește nucleul prin porii din membrana nucleară. După ce ARNm părăsește nucleul, acesta se atașează la un ribozom.

Enzimele se atașează apoi la complexul ribozomal și ajută la procesul de traducere. Traducerea este conversia instrucțiunii ARNm în proteine. Acest lucru se întâmplă atunci când aminoacizii, subunitățile proteinelor, sunt generate din „codoni” cu trei nucleotide pe catena de ARNm. Procesul implică, de asemenea, ARNr (deoarece traducerea are loc pe ribsomi) și ARNt (care ajută la asamblarea aminoacizilor).

Catenele de ADN se asamblează într-o dublă helix datorită confluenței factorilor înrudiți. Una dintre acestea este legăturile de hidrogen care cad în mod natural în diferite părți ale moleculei. Pe măsură ce helixul se formează, perechile de legătură de baze azotate sunt perpendiculare pe axa helixului dublu ca întreg. Fiecare tur complet include un total de aproximativ 10 perechi lipite bază-bază. Ceea ce s-ar fi putut numi „părțile laterale” ale ADN-ului atunci când sunt așezate ca o „scară” sunt acum numite „lanțurile” dublei spirale. Acestea constau aproape în întregime din porțiunile de riboză și fosfat ale nucleotidelor, bazele fiind pe interior. Se spune că elica are ambele caneluri majore și minore care determină forma sa în cele din urmă stabilă.

În timp ce cromozomii pot fi descriși ca fire foarte lungi de ADN, aceasta este o simplificare grosolană. Este adevărat că un anumit cromozom ar putea, în teorie, să fie derulat pentru a dezvălui o singură moleculă de ADN neîntreruptă, dar acest lucru nu reușește să indice înfășurarea complicată, spularea și gruparea pe care ADN-ul le face pe drumul către formarea unui cromozom. Un cromozom prezintă milioane de perechi de baze ADN și, dacă tot ADN-ul ar fi întins fără a rupe helixul, lungimea acestuia s-ar extinde de la câțiva milimetri la peste un centimetru. În realitate, ADN-ul este mult mai condensat. Proteinele numite histone se formează din patru perechi de proteine ​​ale subunităților (în total opt subunități). Acest octamer servește ca o bobină de fel pentru ca dubla helix ADN să se înfășoare de două ori, ca fir. Această structură, octamerul plus ADN-ul înfășurat în jurul său, se numește nucleozom. Atunci când un cromozom este parțial desfăcut într-un fir numit cromatidă, acești nucleozomi apar la microscopie ca fiind margele pe un șir. Dar, deasupra nivelului de nucleozomi, apare o compresie suplimentară a materialului genetic, deși mecanismul precis rămâne evaziv.

ADN, ARN și proteine ​​sunt luate în considerare biopolimeri deoarece sunt secvențe repetate de informații și aminoacizi care sunt asociați cu viețuitoarele („bio” înseamnă „viață”). Biologii moleculari recunosc astăzi că ADN-ul și ARN-ul într-o anumită formă precedă apariția vieții Pământul, dar începând din 2018, nimeni nu își dăduse seama de calea de la primii biopolimeri la viața simplă lucruri. Unii au teoretizat că ARN-ul într-o anumită formă a fost sursa originală a tuturor acestor lucruri, inclusiv a ADN-ului. Aceasta este „ipoteza lumii ARN”. Cu toate acestea, acesta prezintă un fel de scenariu de ouă și pui pentru biologi, deoarece molecule de ARN suficient de mari aparent nu ar fi putut apărea prin alte mijloace decât transcriere. În orice caz, oamenii de știință investighează ARN ca o țintă pentru prima moleculă auto-replicantă, cu o creștere a dorinței.

Substanțele chimice care imită constituenții acizilor nucleici sunt folosite astăzi ca medicamente, fiind în curs de desfășurare alte evoluții în acest domeniu. De exemplu, o formă ușor modificată de uracil, 5-fluorouracil (5-FU), a fost utilizată de zeci de ani pentru a trata carcinomul colonului. Face acest lucru imitând o bază azotată adevărată suficient de aproape încât să devină inserată în ADN nou fabricat. Acest lucru duce în cele din urmă la o defalcare a sintezei proteinelor.

Imitatorii nucleozidelor (care, vă amintiți, sunt un zahăr riboză plus o bază azotată) au fost folosiți în terapiile antibacteriene și antivirale. Uneori, porțiunea de bază a nucleozidei suferă modificări, iar alteori medicamentul vizează porțiunea de zahăr.