Adn.docx

Descoperirea structurii ADN-ului a fost raportată în urmă cu 65 de ani La 25 aprilie 1953, a aparut in Nature, o lucrare care a transformat stiintele vietii – de la biochimie si agricultura pana la medicina si genetica. James Watson și Francis Crick, de la Universitatea din Cambridge au facut publica descoperirea structurii ADN-ului (acid dezoxiribonucleic) - molecula din care sunt realizate genele. Crick și Watson au folosit modelul din construcții pentru a dezvălui celebrul dublu helix al ADN-ului, iar datele cristalografice cu raze X ale Rosalindei Franklin și Maurice Wilkins de la Kings College, Londra au fost cruciale pentru descoperire. Descoperirea,s-a datorat totodata si progreselor tehnicii biochimice, microscopiei, analizei chimice precum și teoriilor privind legatura chimica dezvoltata incepand cu mijlocul secolului al 19-lea. Adevărata semnificație a structurii ADN-ului a fost subliniată prin soluționarea definitivă a unei controverse de decenii si anume: daca ADN-ul sau proteina a fost „molecula vietii“. Povestea AND-ului a început în 1869, când biochimistul elvețian Friedrich Miescher a izolat o substanță nouă din nucleele celulelor albe din sânge. Cercetatorii au conștiențizat imediat faptul că celulele au fost unitatea de bază a vieții și Miescher a fost interesat de componentele lor chimice. În fiecare dimineață, Miescher mergea la clinica locala pentru a ridica bandaje murdare, înmuiate în puroi - o sursa buna de celule albe din sange cu nuclei mari. Prin adăugarea alcalinilor, nucleii celulelor plesneau, eliberându-si conținutul, din care Miescher a extras ADN-ul (pe care l-a denumit nucleic). Analiza acestui nucleic a arătat faptul că acesta este un acid, ce conține fosfor, deci nu putea fi incadrat în nici una dintre cunoscutele grupuri de molecule biologice, cum ar fi carbohidratii si proteinele. Miescher a calculat formula AND-ului ca fiind C29H49O22N9P3 - o subevaluare brută, reflectând faptul că ADN-ul este o moleculă lungă, fragilă ce se fragmenteaza ușor. Miescher folosise doar unul dintre fragmente pentru determinarea formulei. Nucleic a fost rebotezat drept acid nuclei. In ciuda noutății sale chimice, semnificația sa biologică nu a fost pe deplin realizata timp de mai multe decenii Între timp, datorită evoluției în microscopie, celula a continuat sa isi dezvaluie secretele. În 1879 biologului german Walther Flemming a descoperit mici structuri filiforme numite cromatine (mai târziu cunoscute sub numele de cromozomi) in nucleu – au fost astfel denumite, deoarece acestea absorb cu ușurință culoare din coloranti noi, folosite pentru a dezvălui componentele celulare. Studiile privind diviziunea celulara au dezvăluit rolul-cheie jucat de cromozomi în ceea ce priveste ereditatea - modul în care acestia se dubleaza înainte de separarile celulelor și apoi dividerea în două seturi, luând o copie noua în fiecare celulă „fiică“. Studiile ulterioara sugerau faptul ca cromozomii contin ADN fapt ce l-a determinat pe cercetătorul german, Oskar Hertwig, să declare că „nucleic este substanța responsabila

... pentru transmiterea caracteristicilor ereditare“. Nu multi au fost de acord - Miescher a fost unul dintre acestia. Cromozomii conțineau de asemenea si proteine iar biochimiștii abia incepeau sa aprecieze marimea si complexitatea proteinelor.Fragilitatea ADN-ului a ascuns astfel complexitatea acestuia pentru mai mulți ani.

În mod ironic, Miescher a fost probabil primul care a lansat ideea unui cod chimic ce transporta informația biologica de la o celulă la alta, dar si el, ca mulți alții după el, a crezut că numai proteinele sunt capabile sa transporte un astfel de cod. În 1900, era cunoscut faptul că blocurile de baza ale ADN-ului sunt fosfatul, un zahar (ulterior dovedit a fi dezoxiriboză) și patru baze heterociclice - dintre care două au fost purine [adenină (A) și guanină (G)], în timp ce celelalte două au fost pirimidinele [citozină (C) și timina (T)]. Phoebus Levene, de la Institutul Rockefeller, New York, fost student al chimistului și compozitorului rus Alexander Borodin a fost cel care a arătat că, componentele ADNului sunt legate in ordinea: fosfat -zahăr- bază. El a numit fiecare dintre aceste unități ca fiind nucleotide, argumentând că, molecula de ADN consta dintr-un șir de unități de nucleotide legate între ele prin intermediul grupărilor fosfat. Dar până în secolul al 20-lea nimeni nu a apreciat lungimea extraordinara a moleculei de ADN, Acum știm că ADN-ul dintr-o celulă umană, dacă ar fi puse cap la cap, formează o moleculă de aproximativ 1 m lungime.Chiar și un simplu organism ca bacteria E. coli are o moleculă de ADN peste 1mm lungime. Miescher nu a realizat acest lucru și nici Levene, care a insistat ca ADN-ul este o moleculă relativ mică - de aproximativ 10 nucleotide lungime. Levene era de asemenea, convins că valorile celor patru baze sunt aceleași în toate moleculele de ADN, indiferent de originea lor. Deci, chiar și atunci când cercetătorii suedezi Torbj Rn Caspersson și Einar Hammersten au arătat, în 1930, că ADN-ul este un polimer, cei mai mulți oameni au continuat să creadă în Levene „ipoteza tetranucleotidelor“. Chiar dacă ADN-ul conținea milioane de nucleotide, au fost considerate a fi aranjate într-un mod monoton si previzibil, care nu ar putea avea nici un conținut de informații semnificative. Contemporanul lui Levene, marele chimist german Emil Fischer, a arătat că proteinele sunt fabricate din aminoacizi, legate între ele în diverse secvențe. Se vehicula din ce in ce mai mult ideea conform careia proteinele transporta codul genetic, în timp ce ADN-ul juca un rol de sprijin al cromozomilor. Una dintre descoperiri a fost furnizata de Oswald Avery, Colin McLeod si Maclyn McCarty, o echipa de microbiologi de la Institutul Rockefeller din New York. Ei au încercat să identifice natura „principiului transformării“ - o substanță descoperită de microbiologul englez, Fred Griffith, în 1928. Griffith a experimentat două specii de pneumococi, bacteriile care cauzeaza pneumonie (mult-temuta în zilele de dinaintea antibioticelor)

Prima formă – cu aspect “neted” atunci când era cultivata în vasele lui Petri - era cunoscuta ca fiind patogena, iar a doua forma cu aspect “dur“,era inofensiva. Spre surprinderea lui, Griffith a constatat ca amestecarea bacteriilor dure vii cu pneumococi netezi morti pot transforma pneumococul dur într-o formă netedă virulentă. Evident, o substanță - principiul de transformare (gene, cu alte cuvinte) - a trecut de la bacteriile netede la bacteriile dure. Folosind enzime care au distrus componentele celulare specifice, Avery si echipa sa a demonstrat printr-un proces de eliminare ca ADN-ul, nu proteina a fost principiul de transformare. Cercetarile privind determinarea structurii ADN-ului au fost urgentate (deși confirmarea finală a rolului său central urma să vină din experimentele efectuate de Alfred Hershey și Martha Chase în SUA la începutul anilor 1950). Chimistul austriac, Erwin Chargaff a fost profund impresionat de munca lui Avery. El scrisa: „Am văzut în fața mea în contururile întunecate începutul gramaticii biologiei”. Avery ne-a oferit primul text al unei noi limbi, sau mai degrabă el ne-a arătat unde să cautam” Chargaff a pionierat cromatografia pe hârtie a acizilor nucleici, folosind aceasta pentru a determina cât de mult din fiecare dintre nucleotidele componente au fost conținute într-o probă de ADN. El a demolat rapid ipoteza tetranucleotidelor Levene. Fiecare specie diferea în cantitate de A, C, G și T - dar în interiorul speciei, proporțiile fiecăreia sunt identice, indiferent din ce tesut a fost extras ADN-ul. Dar si mai importanta a fost descoperirea lui Chargaff conform careia proporția de A din orice moleculă de ADN a fost întotdeauna egală cu proporția de T și, de asemenea, cantitatea de G și C a corespuns întotdeauna - o regulă care a devenit cunoscută sub numele de raporturile lui Chargaff. Deși se pare ca însuși Chargaff a facut uz direct de descoperirile sale, ideea împletirii bazelor (A cu T, C cu G) a fost un pas crucial în reasamblărea structurii tridimensionale a ADN-ului Faza finală a rezolvarii enigmei privind structura ADN-ului s-a bazat pe cristalografia cu raze X. Utilizarea de raze X pentru a rezolva structurile de molecule biologice mari a început cu studiile lui Dorothy Hodgkin privind penicilina, lizozima, și vitamina B12, precum și cu studiile lui Max Perutz asupra hemoglobinei, din anii 1930. In 1938, William Astbury, un student al lui William Bragg (care, împreună cu fiul Lawrence a inventat tehnica în 1913) au realizat imagini cu raze X ale ADN-ului, dar au fost greu de interpretat La sfarsitul anilor 1940 s-au evidentiat trei grupuri de cercetare, separate, asupra structurii ADN-ului. La Kings College, Londra, Maurice Wilkins a fost intrigat de fibrele lungi pe care ADN-ul le formeaza atunci când este scos din soluții apoase cu o baghetă de sticlă, întrebându-se dacă acest lucru a însemnat existenta unei oarecare regularitati in structura sa. El a produs mai multe imagini cu raze X, folosind un aparat improvizat, greu de imaginat în zilele noastre. În 1951 lui Wilkins i s-a alăturat Rosalind Franklin, un chimist britanic care avea deja o reputație internațională privind studiile de cristalografie pe cărbuni cu raze X. Ea a organizat construirea unui laborator cu raze X, la King, producand cele mai bune imagini ale ADN-ului de pana atunci. Acestea au duso la ideea că, poate, molecula de ADN este încolăcita într-o formă elicoidală

Chimistul american Linus Pauling si autor al lucrarii “Natura legăturii chimice” începuse să gândească in linii similare. La urma urmei, Pauling descoperise deja motive elicoidale în structurile de proteine. In această perioadă Francis Crick – matematician și fizician, si tânărul James Watson, cu expertiza in biologie moleculara de fagi (virusuri care infectează bacteriile, apoi utilizate ca instrument de laborator pentru studii genetice), si-au unit forțele la Cavendish Laboratory din Cambridge, cu intentia de a defini structura ADN-ului, folosind ca abordare un model de construcție Ei au avut ideea conform careia structura ADN-ului trebuie să permită moleculei să se copieze în timpul diviziunii celulare, astfel încât o replică exactă a codului său - care, din nou, a fost încorporata în structura - poate trece în fiecare celulă nouă. O vizita facuta de Chargaff la Cavendish în 1952 a incoltit ideea conform careia, secvența de baze ar putea reprezenta genele într-un cod chimic. Între timp, Pauling a publicat o lucrare asupra structurii ADN-ului, dar conținea o eroare majoră (a pus grupările fosfat pe interior). Intrarea acestui gigant științific în cursa i-a stimulat pe Crick si Watson sa depuna eforturi mai mari, Deoarece Wilkins și Franklin nu se intelegeau foarte bine nu au facut nici progrese notabile privind ADN-ul. Un moment important a fost acela când Wilkins i-a arătat lui Watson una dintre fotografiile lui Franklin cu așa-numita forma B a ADN-ului. Studiile anterioare au folosit forma A, care conținea mai puțină apă și au condus la imagini care au fost greu de analizat. Această imagine, prin contrast era frumoasa și simpla indicand în mod clar o structură elicoidală a moleculei. Watson povestea in memoriile sale: „În clipa în care am văzut imaginea, gura mea s-a deschis și inima mea a început să bata puternic“. Modelul de clădire - folosind plăci de metal pentru nucleotide și tije pentru legăturile dintre ele - începuse sa fie luat în serios. Dar Crick și Watson nu știau daca sa construiasca Helixul cu fosfații în interiorul sau în afara acestuia si nu erau siguri cum să includă ideile lui Chargaff privind împletirea bazei. Indiciul final a venit de la un alt vizitator la Cavendish, chimistul american Jerry Donahue, care a arătat faptul ca legatura hidrogenului ii permite lui A să se lege de T și lui C de G. Aceasta permite o structură dublă elicoidală a ADN-ul în care cele două componente au baze pe interior, ridicate în sus și fosfații la exterior. Molecula de ADN este auto-replicatoare (așa cum a fost demonstrat prin experimentele de mai târziu), deoarece se poate diviza în două componente unice. Fiecare bază atrage apoi baza sa complementară, prin legături de hidrogen, astfel încât doi noi helixi dubli sunt asamblati. Franklin și Wilkins nu au ratat complet creditul pentru structura ADN-ului; propriile lor lucrări au fost publicate separat. Crick, Watson și Wilkins au câștigat premiul Nobel pentru munca lor în 1962 (Franklin a murit de cancer la varsta de 37 în 1958).

Structura chimică . Acizii nucleici sunt substanțe chimice macromoleculare și reprezintă cei mai lungi polimeri din lumea vie. Unitățile structurale ale acestora se numesc monomeri și sunt reprezentați de nucleotide, macromolecula de acid nucleic fiind un polinucleotid. Nucleotidul este o structură simplă alcătuită din 3 componente: • O bază azotată • O pentoză (monozaharid) • Un rest de acid fosforic (fosfat anorganic)

Structura ADN Diferența dintre ADN și ARN este dată de tipul de zahăr pentozic pe care îl conțin nucleotidele lor: dezoxiriboză-D pentru ADN și riboză- R pentru ARN. ADN-ul (acid dezoxiribonucleic)este alcătuit din două lanțuri (catene) polinucleotidice, iar ARN-ul (acid ribonucleic) are doar o singură catenă polinucleotidică. Pentozele și radicalul fosforic sunt comune tuturor macromoleculelor de ADN din lumea vie, bazele azotate fiind cele care conferă specificitate în cadrul fenomenului ereditar. Radicalul fosfat conferă caracter acid și sarcini negative moleculelor de ADN și ARN. Fiecare acid nucleic conține 4 tipuri de nucleotide, diferența dintre ele constând în bazele azotate care intră în structura lor: adenina (A), guanina (G), citozina (C) și timina (T) pentru ADN și adenină, guanină, citozină și uracil (U) pentru ARN. Bazele azotate sunt și ele de 2 tipuri:

- Purinice: adenina (A) și guanina (G) - Pirimidinice : citozină (C), timină (T) și uracil (U) Cele purinice au la bază două cicluri condensate ce însumează 5 atomi de carbon (C) și 4 atomi de azot (N), iar cele pirimidinice au un singur ciclu cu 4 atomi de carbon și 2 atomi de azot. Între nucleotidele macromoleculelor de acizi nucleici se stabilesc 2 tipuri de legături: - Intracatenare: sunt legături covalente fosfodiesterice, de înaltă energie, pe care le realizează radicalul fosfat (P) cu pentozele între al treilea carbon (C3) al unui nucleotid și al cincilea carbon (C5) al pentozei nucleotidului următor. Aceste legături sunt baza structurii primare (monocatenare) a ADN- ului și ARN-ului această structură fiind scheletul de care se leagă bazele azotate. - Intercatenare: sunt legăturile dintre nucleotide aparținând celor 2 catene polinucleotidice și se realizează între bazele azotate purinice și cele pirimidinice. Sunt legături de hidrogen, cu energie joasă, bazele azotate fiind plasate într-un mod foarte precis în moleculele acizilor nucleici. În ADN întotdeauna adenina este legată de timină prin legături duble, iar citozina legată de guanină prin legături triple, la fel și în ARN, cu excepția faptului că timina este înlocuită de uracil care realizează o legătură dublă cu adenina. Astfel, cele 4 tipuri de nucleotide corespunzătoare celor 4 baze azotate sunt: Pentru ADN: P- D- A P- D- G P- D- C P- D- T Pentru ARN: P- R- A P- R- G P- R- C P- R- U Există doar 4 tipuri de nucleotide pentru fiecare acid nucleic însă posibilitățile de recombinare, codificare biochimică și implicit de realizare de seturi diferite de informație ereditară sunt teoretic infinite. În mod normal secvența activă de nucleotide a macromoleculelor de acizi nucleici conține minim 3.000 de nucleotide, ajungând la limite superioare de sute de mii de milioane de nucleotide. În plus, unitățile de tip A-T și C- G pot alterna și se pot repeta de 2,3 ori. Prin urmare, acizii nucleici dețin un enorm potențial de codificare asigurând transmiterea informației genetice de la o generație la alta în cursul procesului de diviziune celulară.

Structuri biologice Moleculele de ADN aparute in mod natural pot fi circulare sau liniare. Genomurile bacteriilor unicelulare și Archaea (procariote), precum si genomul mitocondriei si cloroplastelor (anumite structuri funcționale din interiorul celulei), sunt molecule circulare. Mai mult, unele bacterii si Archaea au molecule de ADN circulare mai mici numite plasmide care conțin în mod tipic doar cateva gene. Multe plasmide sunt ușor transmise de la o celulă la alta. In cazul unei bacterii tipice, genomul care codifică toate genele din organism este o singură moleculă circulară contiguă care conține de la o jumătate de milion la cinci milioane de perechi de baze. Genomurile majoritatea eucariotelor si unele procariote contin molecule lineare de ADN numite cromozomi. ADN-ul uman, de exemplu, este format din 23 de perechi de cromozomi liniari conținând trei miliarde de perechi de baze. In toate celulele, ADN-ul nu există liber în

soluție, ci mai degrabă ca un complex acoperit cu proteine numite cromatine. La procariote, stratul de proteine de pe ADN ajută la protejarea sarcinii negative a fosfodiesterului. Cromatinele conțin, de asemenea, proteine care controleaza expresia genelor si determina formele caracteristice ale cromozomilor. In eucariote, o secțiune a ADN-ului între 140 și 200 de perechi de baze lungi au în jurul lor un set discret de opt proteine încărcate pozitiv numite histone, ce formeaza o structură sferică numită nucleozom. Histonele suplimentare sunt învelite de secțiuni succesive de ADN,ce formeaza o serie de nucleozomi precum mărgelele pe un șir. Transcripția și replicarea ADN-ului este mai complicată, deoarece complexele eucariote de nucleozomi trebuie demontate cel puțin parțial pentru continuarea efectiva a proceselor. Cele mai multe virusuri prokariote contin genomuri liniare, care de obicei sunt mult mai scurte si contin numai genele necesare pentru propagarea virala. Virusurile bacteriene numite bacteriofagi (sau fagi) pot conține atât forme circulare cat si liniare de ADN. De exemplu, genomul bacteriofag λ (lambda), care infecteaza bacteria Escherichia coli, conține 48,502 de perechi de baze și pot exista ca o moleculă liniară ambalată într-un strat proteic. ADN-ul de fagi λ poate exista, de asemenea, într-o formă circulară, care este capabila să se integreze în genomul circular al celulei bacteriene gazdă. Atat genomurile circulare cat și cele liniare pot fi gasite printre virusurile eucariote, dar folosesc mai frecvent ARN-ul ca material genetic.

Proprietati biochimice. Absorbtie ultravioleta

Topirea și reasocierea ADN-ului pot fi monitorizate prin măsurarea creșterii absorbției de absorbție a luminii ultraviolete (UV), la o lungime de undă de 260 nanometri (miliarde de un metru). Atunci când ADN-ul este într-o conformație dublu catenară, absorbția este destul de slabă, dar atunci când ADN-ul este mono-catenar, destivuirea bazelor conduce la asa numita hipercromicităte. Prin urmare, măsura în care ADN-ul este mono-catenar sau dublu-catenar poate fi determinată prin monitorizarea absorbției UV

ADN-ul Este suportul material al eredității și variabilității, existând numeroase dovezi experimentale în acest sens: - ADN-ul are o structură specifică fiecărei specii, specificitate datorată ordonării aperiodice a bazelor azotate din structura moleculei - Are capacitatea de replicare, deci de a transmite informația genetică de la o generație la alta - În nucleul celulelor somatice diploide (ce conțin perechi de cromozomi omologi), indiferent de țesut, conținutul în ADN este aproximativ egal - În nucleul celulelor gametice haploide (cu cromozomi nepereche), cantitatea de ADN este redusă la jumătate. - Cantitatea de ADN este direct proporțională cu numărul cromozomilor: diploid sau haploid și este dependentă de fazele ciclului celular

Structura primară și secundară ADN- ul este o substanță macromoleculară bicatenară formată din două catene polinucleotidice care se răsucesc helicoideal în jurul unui ax comun. Structura primară monocatenară a ADN este rezultatul esterificării și ordonării liniare a nucleotidelor în catena moleculei de acid nucleic, aceasta fiind modalitatea sub care informația ereditară este codificată biochimic. Legăturile 3’- 5’ sau 5’- 3’ fosfodiesterice dintre radicalul fosfat al unui nucletid oși hidroxilul pentozei din poziția 3’ sau 5’ a nucleotidului adiacent se succed formând catene lungi, neramificate rezultând dispunerea în tandem a macromoleculelor ADN în cromozom conferindu-i acestuia o structură tridimensională. Marea diversitate a moleculelor ADN și specificitatea stuctural-funcțională a moleculei, precum și controlul genetic al sintezei proteice este asigurată de ordonarea aperiodică a nucleotidelor. Structura secundară bicatenară este dată de ansamblarea a celor două catene mononucleotidice sub forma unui dublu helix cu diametrul de 2nm (20 angströmi Å) și spira de 3, 4nm (34 Å), fiecare spiră a dublului helix cuprinzând 10 nucleotide. Lanțurile polinucleotidice sunt antiparalele, legăturile fosfodiesterice fiind realizate pe primul lanț între C3 al dezoxiribozei unei nucleotide și C5 al nucleotidei următoare, iar la nivelul celuilalt lanț legăturile fosfodiesterice sunt realizate invers: C5- C3.

Principiul complementarității În cazul structurii secundare, secvența bazelor dintr-o catenă determină secvența bazelor din catena opusă datorită faptului că acestea au secvențe complemetare, adenina fiind complementară timinei iar guanina complementară citozinei. Există două punți de hidrogen între adenină și timină și trei între guanină și citozină, punți care se desfac la căldură și conduc la separarea monocatenelor de ADN, având loc denaturarea ADN-ului.Legăturile G-C care conțin 3 legături de H se desfac mai greu decât A-T care au 2 legături. Prin răcirea lentă a amestecului monocatenelor denaturate, acestea se asociază pe baza complementarității și refac structura inițială (renaturare). Așa se explică modul în care se produc replicarea ADN, repararea ADN sau transcrierea informației. Capacitatea de autoreproducere a ADN-ului este dată de complementaritatea și antiparalelitatea bazelor copolimerice, astfel informația se conservă în succesiunea generațiilor celulare. Prin intermediul ARN-m care decodifică mesajul genetic se asigură determinismul genetic și exprimarea fenotipică a caracterelor ereditare.

Structura terțiară a ADN Este dată de distribuția spațială, tridimensională a celor două catene helicoidale. Watson și Crick au arătat că sceletul fosfo-glucidic al macromoleculei se află spre exterior iar bazele azotate spre interior, planul perechilor de baze fiind perpendicular pe axul lung al moleculei, între perechi existând interacțiuni hidrofobe care cresc stabilitatea structurii. În funcție de structura terțiară există mai multe tipuri de molecule ADN care sunt izomorfe: de tip A și B(dextrogire- rotesc planul luminii polarizate spre dreapta) și de tip Z (levogir- rotește planul luminii polarizate spre stânga). La eucariote, ADN-ul este asociat cu histone (proteine) prin legături saline, rezultândnucleoproteina. Proteinele măresc diametrul moleculei de ADN la 200 Å și împreună cu ionii de calciu (Ca 2+) stabilizează arhitectura spațială a ADN-ului. Combinat cu proteine, ADN-ul are lungimea de aproximativ 4000 Å dar prin îndepărtarea histonelor poate ajunge la 7000- 8000 Å și un diametru de 20 Å. Masa sa moleculară este de 12-16 x 106 daltoni iar o celulă somatică diploidă umană conține aprox. 7 x 10-9 mg ADN. Structura bicatenară a ADN are o mare stabilitate fizică asigurată pe verticală de punțile fosfodiesterice intracatenare și pe orizontală de punțile de hidrogen intercatenare. Moleculele de dezoxiriboză se așează pe o catenă cu oxigenul inelului moleculei orientat în sus și pe cealaltă catenă cu oxigenul orientat în jos, astfel întreaga moleculă este obligată să se spiralizeze formând o structură spiralată tridimensională în dublu helix. Fiecare pereche succesivă de baze azotate se întoarce cu 36 de grade în direcția acelor de ceasornic (răsucire dextrogiră), iar dublul helix face un tur complet de 360 de grade la fiecare 10 perechi de baze azotate.

Sinteza ADN Procesul de sinteză al ADN-ului este cel mai important eveniment în cazul diviziunii celulare care asigură transmiterea integrală a informației genetice stocată în ADN-ul cromozomial. Faptul că ADN-ul nu se epuizează în cursul diviziunii se datorează procesului de replicare (autocopiere), proces programat genetic de separare a catenelor și de ansamblarea complementară de nucleotide pe fiecare catenă matriță creându-se astfel noi molecule de ADN. Replicarea este semiconservativă și se face după modelul fermoarului propus de Watson și Crick, conform căruia dublul helix se desface progresiv similar cu un fermoar și expune baze libere de pe fiecare catenă. Datorită complementarității, fiecare bază expusă se va lega de baza sa complementară. Enzimele implicate în procesul de replicare sunt: Topoizomeraza - inițiază desfacerea dublului helix al ADN-ului parental Helicaza - implicată în desfacerea legăturilor dintre cele 2 catene parentale alături de topoizomerază SSB - proteină care stabilizează catenele separate și oprește recombinarea celor 2 matrițe ADN-polimeraza - familie de enzime care asigură creșterea lanțului ADN nou format prin legarea nucleotidelor complementare la catena matriță. Implicate și în corectarea erorilor apărute în replicare. Ligaza - legarea segmentelor scurte de ADN nou-formate la catena matriță

Principii 1. Fiecare catenă de ADN expusă este matriță pentru sinteza unei catene noi 2. În moleculele de ADN rezultate prin replicare va exista întotdeauna o catenă veche (matrița) și una nou sintetizată prin legarea bazelor azotate complementare. Enzima implicată în sinteza noii catene de ADN se numește ADN- polimerază care este implicată în proces împreună cu 4 nucleotid-trifosfați (dATP, dCTP, dGTP și dTTP), a ionilor de Magneziu, a unui primer și a catenelor de ADN parentale matriță. Creșterea lanțului de ADN cu ajutorul ADN-polimerazei necesită ca gruparea 3’- OH a dezoxiribozei să fie liberă, sinteza decurgând continuu în direcția 5’- 3’, enzima având 2 proprietăți esențiale: - lungește catena preexistentă de ADN primer (matrița) - catalizează adăugarea nucleotidelor la capătul 3’- OH menținând creșterea în direcția 5’- 3’.

Replicarea ADN

Replicarea ADN Inițial are loc denaturarea fiziologică progresivă a macromoleculei bicatenare de ADN, despiralizarea prin desfacerea legăturilor de hidrogen în prezența helicazei (proteinenzimă de despiralizare) care este distribuită pe fiecare monocatenă de ADN. Helicaza acționează după modelul desfacerii unui fermoar, despărțind cele două catene începând din punctul de inițiere și progresând până la punctul terminus. În cursul procesului macromolecula capătă aspect de Y, punctul de ramificație fiind numit furcă de replicare. Desfacerea progresează până la capătul celălalt al helixului însă la final nu apar 2 catene polinucleotidice izolate, așa cum ne-am aștepta, deoarece odată cu avansarea procesului de desfacere a spiralei aceasta începe să se refacă. Desfacerea punților de hidrogen și separarea celor două catene complementare din

dublul helix duce la expunerea grupărilor chimice libere ale dezoxiribonucleotidelor care se asociază succesiv, pe baza complementarității cu dezoxiribonucleotidele libere din citoplasma celulară care aderă la catena ADN ce joacă rol de matriță. Apoi, între 2 nucleotide aliniate succesiv se realizează legătura covalentă fosfodiesterică a grupului 3’- OH al primei nucleotide cu 5’ fosfatul celei de-a doua nucleotide și rezultă o catenă polinucleotidică nouă. Catenele noi rămân atașate prin punți de hidrogen de catenele matriță. Astfel rezultă 2 molecule fiice de ADN identice cu cea inițială care se vor insera în cele două celule fiice rezultate în timpul diviziunii, fiecare moleculă conținând matrița și o catenă nouă, deci replicarea are loc după modelul semiconservativ, adică fiecare moleculă nouă de ADN moștenește una dintre cele 2 catene matriță parentale.

Repararea ADN Într-un proces atât de complex cum este sinteza semiconservativă a ADN-ului pot apare frecvent erori, mai ale sub acțiunea factorilor de mediu precum radiații ionizante sau substanțe toxice care, acționând în timpul replicării ADN-ului sau în stadiul interfazic G1(prima fază a ciclului celular de diviziune) pot produce erori în secvența macromoleculei ADN care trebuie corectate, pentru a nu se produce mutații genetice. Dacă ADN-polimeraza ar introduce eronat un nucleotid, ar rezulta o eroare genetică de 10-4 (1 eroare la 10 la a patra baze create) însă în realitate eroarea este de 108 datorită capacității ADN-polimerazelor de detectare și corectare imediată a erorilor din timpul replicării. În timpul replicării, polimeraza înconjoară ADN-ul ca o capsulă iar când baza azotată care urmează să se cupleze de matriță nu este complementară, se modifică structura spațială a ADN-ului prin creșterea în volum a moleculei și se blochează activitatea ADN-polimerazei și excizarea bazei necomplementare corectându-se astfel eroarea.

Tipuri de ADN celular În celula eucariotă există 2 tipuri de ADN, nuclear și mitocondrial, acestea fiind împărțite la rândul lor în mai multe subtipuri. Tipuri de ADN nuclear: • Repetitiv. Este non-informațional și o parte din el este implicat în sinteza ARN ribozomal și ARN de transport. Se află grupat în jurul centromerului cromozomial și este împărțit în ADN înalt repetitiv și ADN moderat repetitiv • Nerepetitiv. Este informațional iar secvențele sale nucleotidice sunt unice în genom. Reprezintă 5-10% din totalitatea ADN-ului nuclear la Homo Sapiens, restul de 9095% fiind ADN repetitiv care nu are funcție de depozitare și transmitere a informației genetice. ADN-ul mitocondrial este materialul genetic al mitocondriilor, organite celulare cu funcție oxido-reducătoare implicate în respirația celulară. Acest tip de ADN este responsabil de sinteza enzimelor respiratorii. Replicarea sa este inhibată de rifampicină și cloramfenicol, antibiotice care însă nu au efect asupra ADN-ului nuclear.

Tipurile A, B și Z de ADN Au fost evidențiate în urma studiilor cu raze X a dublului helix, fiind 3 conformații izomorfe ale moleculei ADN. - Forma B este predominantă, fiind un dublu helix dextrogir, cu 10 perechi de baze azotate pe fiecare spiră și bogat în cupluri A-T. Un coeficient ridicat de umiditate în mediu îi determină structura. Poate fi convertit în tipul A prin schimbarea procentului de hidratare al mediului - Forma A rezultă din B într-un mediu mai uscat, având un helix dextrogir cu 11 baze pe spiră și o moleculă mai compactă. Și forma A și forma B au în structura lor 2 tipuri de depresiuni, minor și major în care se deplasează enzimele implicate în procesul de replicare și reparare a moleculei de ADN precum și cele implicate în transcripția ADN- ARN. - Forma Z a fost evidențiată în unele regiuni de ADN repetitiv. Este de tip levogir și are 12 baze pe fiecare spiră. Are stabilitate mică și este predispus la mutații Prin rearanjările arhitecturale ale structurii terțiare a macromoleculei ADN apar numeroase modificări în procesele biochimice celulare.

Epilog Cercetatorii de la Universitatea din York au arătat că moleculele aduse pe pământ prin caderea meteoritilor ar putea fi transformate în blocurile de construcție ale ADN-ului. Ei au descoperit faptul că. compușii organici, numiti amino nitrili, precursorii moleculari ai aminoacizilor au fost capabili sa utilizeze moleculele prezente în gheața interstelară pentru a declanșa formarea moleculei, 2-deoxi-D-riboză, a ADN-ului. S-a presupus mult timp că aminoacizii au fost prezenti pe pământ înaintea ADN-ului, și poate să fi fost responsabili pentru formarea unuia dintre elementele constitutive ale ADN-ului, dar această nouă cercetare aruncă o îndoială nouă asupra acestei teorii. Dr. Paul Clarke, de la Universitatea din York Departamentul de Chimie, a declarat: „Originea moleculelor biologice importante este una dintre întrebările fundamentale în domeniul științei. Moleculele care formează elementele constitutive ale ADN-ului trebuiau să provină de undeva; fie ca au fost prezente pe Pământ atunci când s-a format sau au venit din spațiu, lovind Pământil într-o ploaie de meteoriți. „Oamenii de știință au demonstrat deja că au existat anumite molecule prezente în spațiu, care au venit pe Pământ într-o cometa de gheață; acest lucru determinand echipa de la York sa investigheze dacă acestea ar putea fi folosite pentru a crea una dintre pietrele de temelie ale ADN-ului. Dacă acest lucru este posibil, atunci ar putea însemna că blocul de construcție a ADN-ului a fost prezent inaintea aminoacizilor „ Pentru ca viața celulară să apară și apoi să evolueze pe Pământ, blocurile fundamentale ale vieții au necesitat sintetizarea din materii prime adecvate - un proces uneori descris ca fiind „evoluție chimică“. Echipa de cercetare a aratat ca amino nitrili ar

fi fost catalizatorul pentru aducerea laolaltă a moleculelor interstelare, formaldehida, acetaldehida, glicolaldehida, înainte de aparitia vietii pe Pământ. Combinate, aceste molecule produc carbohidrați, inclusiv 2-deoxi-D-riboză, ADN-ul este una dintre cele mai importante molecule din sistemele vii, dar originea 2deoxi-D-riboză, înainte de aparitia vietii pe Pământ ramane un mister.

Bibliografie Mihai Isvoranu, Dinu Albu- Genetica Umană, editura Infomedica DNA- RNA- Protein, Nobel Prize Organization Link: http://www.nobelprize.org/educational/medicine/dna/index.html Nucleic acids- Michigan State University, department of Chemistry Link: http://www2.chemistry.msu.edu/faculty/reusch/VirtTxtJml/nucaids.htm

https://www.york.ac.uk/news-and-events/news/2017/research/interstellar-ice-theanswer-to-birth-of-dna/

https://www.britannica.com/science/DNA

http://www.chemistryislife.com/the-chemistry-of-dna