Structura Acizilor Nucleici

Un c lug r din secolul XIX pe nume Gregor Mendel a introdus pentru prima oar no iunea de gen : unitate de baz responsabil pentru de inerea i transmiterea a unei caracteristici unice.

Importan a biomedical a acizilor nucleici: baza chimic a eredit ii

Ini ial s-a crezut c proteinele car informa ia genetic , pn la mijlocul secolului XX, cnd s-a descoperit c ADN-ul este baza eredit ii, datorit faptului c este capabil de autoreplicare.

Acizii nucleici sunt ADN-ul i ARN-ulADN Sediul principal al localiz rii ADN-ului este nucleul celulelor. Sedii secundare sunt: mitocondriile i cloroplastele (n celula vegetal ). ARN Diferitele tipuri de ARN sunt localizate n nucleu, citoplasm , mitocondrii, ribozomi.

Ce sunt acizii nucleici (ADN and ARN)? Acizii nucleici sunt polinucleotide (produ i de policondensarea aunor unit i denumite nucleotide). Nucleotidele reprezint unitatea monomeric a acizilor nucleici i sunt compuse din: - o baz azotat heterociclic : - purine: adenin (A) i guanin (G) - pirimidine: citozin (C) i timin (T) pentru ADN citozin (C) i uracil (U) pentru ARN - o pentoz : - dezoxiriboza (este prezent n ADN) - riboza (este prezent n ARN) - fosfat

STRUCTURA BAZELOR AZOTATE

PirimidineleCitozinaNH24 5 3

TiminaO H3C NH

UracilO NH

N

6

2

NH1

O

NH

O

NH

O

Atomii heterociclului pirimidinic sunt numerota i de la 1 la 6 (astfel ncat atomii de N din ciclu s primeasc indicele minim).

Bazele azotate prezint fenomenul de tautomerieNH NH2 NH2 C N N C NH

NH

O

forma amino

forma imino

Citozina

C HN O N

C OH

forma lactam

forma lactim

Bazele azotate prezint fenonemul de tautomerie Formele mai stabile: Forma lactam este mai stabil dect forma lactim Forma amino este mai stabil dect forma imino

n acizii nucleici exist formele lactam i amino

PurineAdeninaNH26 1

GuaninaO N7

N2

4

HN H2N N

N NH

N3

5

8

NH9

Atomii heterociclului purinic sunt numerota i de la 1 la 9 (astfel ncat atomii de N din ciclu s primeasc indicele minim).

STRUCTURA PENTOZELOR DIN ACIZII NUCLEICI

PentozeRibozaHO

DezoxiribozaHO CH2 OH O1

5 CH24 3

OH O2

OH OH

OH

lipse te 2-OH

Atomii de carbon ai pentozelor sunt numerota i de la 1 la 5. Pentoza din ADN este dezoxiriboza, c ruia i lipse te gruparea hidroxil 2-OH. Pentoza din ARN este riboza.

STRUCTURA NUCLEOZIDELOR

Structura nucleozidelor: baz + pentoz Nucleozidele sunt deriva i ai bazelor azotate care au o pentoz legat de un atom de azot din heterociclu: N9 pentru purine N1 for pirimidine printr-o leg tur -Nglicozidic .

Leg tur -N-glicozidic

STRUCTURA NUCLEOTIDELOR

Structura nucleotidelor Nucleotidele sunt compose din nucleozide (bas + pentoz ) i 1, 2, sau 3 grup ri fosfat (se formeaz o leg tur esteric ntre fosfat i 5-OH). Mononucleotide (nucleozid-monofosfat)= nucleozid + 1 fosfat Nucleozid-difosfat = nucleozid + 2 fosfat Nucleozid-trifosfat = nucleozid + 3 fosfat

Terminologie Ribonucleozide/Ribonucleotide (cnd pentoza = riboz )Baza Adenina (A) Nucleozidul Adenozina (A) Nucleotidul Adenozin monofosfat (AMP) sau adenilat Adenozin difosfat (ADP) Adenozin trifosfat (ATP)

Baza

Terminologie Ribonucleozide/Ribonucleotide (cnd pentoza Nucleotidul ) = riboz NucleozidulAdenozina (A) Adenozin monofosfat (AMP) Adenozin difosfat (ADP) Adenozin trifosfat (ATP) Guanozin monofosfat (GMP) Guanozin difosfat (GDP) Guanozin trifosfat (GTP) Citidin monofosfat (CMP) Citidin difosfat (CDP) Citidin trifosfat (CTP) Uridin monofosfat (UMP) Uridin difosfat (UDP) Uridin trifosfat (UTP) Timidin monofosfat (TMP) Timidin difosfat (TDP) Timidin trifosfat (TTP)

Adenina (A)

Guanina (G) Guanozina (G)

Citozina (C)

Citidina (C)

Uracil (U)

Uridina (U)

Timina (T)

Timidina (T)

Terminologie comparativ RibonucleotideAdenozin monofosfat (AMP) sau adenilat Adenozin difosfat (ADP) Adenozin trifosfat

DezoxiribonucleotideDezoxiadenozin monofosfat (dAMP) sau dezoxiadenilat Dezoxiadenozin difosfat (dADP) Dezoxiadenozin trifosfat (dATP)

Baza

Terminologie Dezoxiribonucleozide/nucleotide (cnd pentoza = dezoxiriboz ) Nucleozidul NucleotidulDezoxiadenozina (A) Dezoxiadenozin monofosfat (dAMP) Dezoxiadenozin difosfat (dADP) Dezoxiadenozin trifosfat (dATP) Dezoxiguanozin monofosfat (dGMP) Dezoxiguanozin difosfat (dGDP) Dezoxiguanozin trifosfat (dGTP) Dezoxicitidin monofosfat (dCMP) Dezoxicitidin difosfat (dCDP) Dezoxicitidin trifosfat (dCTP) Dezoxiuridin monofosfat (dUMP) Dezoxiuridin difosfat (dUDP) Dezoxiuridin trifosfat (dUTP) Dezoxitimidin monofosfat (dTMP) Dezoxitimidin difosfat (dTDP) Dezoxitimidin trifosfat (dTTP)

Adenina (A)

Guanina (G) Dezoxiguanozina (G)

Citozina (C)

Dezoxicitidina (C)

Uracil (U)

Dezoxiuridina (U)

Timina (T)

Dezoxitimidina (T)

Func iile fiziologice ale nucleotidelor C r mizi pentru sinteza acizilor nucleici Compu i macroergici care furnizeaz energia necesar diferitelor procese biologice (ex. ATP, GTP) Reglatori alosterici ai diferitelor enzime (ex.ADP e activator alosteric al ICDH din ciclul Krebs) Donori de grupe metil (ex.Sadenozilmetionina) Mesageri intracelulari ai hormonilor hidrofili (ex. AMPc, GMCc)

Nucleotide naturale libere: AMPcNH2 N NO CH2

Adenine

N N

O

RiboseOH

O P O

O

AMPc

3,5adenozin monofosfatul ciclic (AMPc) este mesager secund imlicat n transmiterea mesajului hormonal din mediul extracelular n interiorul celulei.

STRUCTURA ADN 1. structura primar 2. structura secundar 3. structura ter iar

James Watson Francis Crick 1962 Nobel Prize

http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/300/5617/255 http://www.lecb.ncifcrf.gov/~toms/icons/Watson.Crick.Nature.jpg

STRUCTURA PRIMAR A ADN-ULUI

O HN H2 N5' end HO

GuanineN N

Lan ul polinucleotidic al ADN (structura primar /covalent

)

NCH2

O

NH21

CytosineO

N O

3linkageO P O OCH2 O

N

ADN este un polidezoxiribonucleotid n care gruparea 3OH a unui dezoxiriobonucleotid este legat la gruparea 5OH a dezoxiriobonu-cleotidului vecin printr-o leg tur fosfat diesteric . Lan ul polinucleotidic este polar:prezint dou capete distincte.

O

5linkage

O P O OH3C O

Cap tul 3este cel cu gruparea Thymine 3-OH liber . Cap tul 5este cel cu gruparea NH 5-OH liber sau fosforilat .O

NH

O P O O

CH2

O

Lan ul polinucleotidic al ADN este nc rcat negativ la pH-ul fiziologic.

OH 3' end

O HN H2N5' end HO

GuanineN N

Reprezentare simplificat a lan ului ADN

NCH2

Pentoza: linie orizontalO

OH 5 P 5 P 3 C 3 G

NH2 N

CytosineO

Baza: litera corespondent Leg. fosfodiesteric : linie oblic i P la mijloc

O O P O OCH 2

NO

O

O P O OH3C O

ThymineNH

NH

O

P 5 OH 3 T

O P O O

CH2

O

OH 3' end

Reprezentarea simplificat a catenei de ADNO HN H2N5' end HO

GuanineN N

NCH2

O

NH2 N

CytosineO

Prin conven ie o caten de ADN se scrie n direc ia 5- 3.

O O P O OCH 2

NO

ex. GCT nseamn 5GCT 3O

O P O OH3C O

ThymineNH

NH

O

O P O O

CH2

O

OH 3' end

STRUCTURA SECUNDAR A ADN

Dublu helixul ADN Watson i Crick au decoperit c structura secundar a ADN este un dublu helix format din dou catene de ADN asociate prin mperecherea bazelor Inelele glucidice legate prin resturi fosfat constituie scheletul extern al dublu helixului, n timp ce bazele azotate hidrofobe sunt orientate spre interior i perpendicular pe axa helixului. ADN-ul uman con ine aproximativ 3,5 x 109 perechi de baze.

Dublul helix al ADN ( structura secundar )1. Stabilitatea ADNdc este asigurat de: - interac iunile hidrofobe dintre bazele azotate suprapuse (stivuite) de pe aceea i caten - leg turile de hidrogen ce se stabilesc ntre bazele azotate de pe o caten i cele complementare de pe cealalt caten . Cele dou catene de ADN sunt antiparalele.

1.

ADN dublu helix (structura secundara)3. G-C are 3 leg turi de H. A-T are 2 leg turi de H. Cele dou catene sunt complementare (G is complementar C, A is complementare T). Nr. A = Nr. T Nr. G = Nr. C

4.

5.

Dublu helix ADN (structura secundar )6. Exist mai multe confoma ii ale ADN; Conforma ia B: descris de Watson i Crick are orientare dreapt , pasul dublu helixului este 34 (3,4nm), diametrul de 2nm, iar nr. perechi baze per tur este 10; cea mai r spndit . Conforma ia A: dublu helix de dreapta dar mai compact, pasul elicei este de 2,8nm, nr. perechi baze per tur este 11. Conforma ia Z: dublu helix de stinga, pasul elicei 4,56nm i nr. perechi baze per tur este 12.

-

-

STRUCTURA TERTIAR A ADN: polinucleozomul

De la ADN la cromozomi In eucariote ADN-ul este stocat n nucleu. Deoarece nu este suficient sap iu iar molecula ADN-ului este extrem de mare (lungimea ADN de la o singur celula uman e 2m!!!), ADN-ul trebuie compactat. Exist cinci nivele de compactare a ADN care conduce la o sc dere de 10.000 de ori lungimii ADN.

r

Nivelele de compactare a ADN n nucleu -Primul nivelDublul helix de ADN se nf oar n jurul unui octamer proteic format din histone- fiecare unitate de ADN spiralat de 1,75 ori n jurul unui compelx histonic se nume te nucleozom.

Histonele sunt proteine bazice cu mas molecular mic (max. 20.000), bogate n aa bazici (Arg pt.H2A, H2B i, Lys pt H3, H4).

r

n jurul octamerului histonic (H2A H2B H3 H4)x2 este spiralat ADN-ul nucleozomic fomat din 140 perechi de baze. Nucleozomii sunt lega i ntre ei prin ADN intrenucleozomic sau ADN linker format din 30 perechi de baze).Histona H1 iterca ioneaz cu ADN linker, avnd rol n superspiralizarea nucleozomilor. Polinulceozomul seam n cu ni te m rgele pe a (=fibrile de cromatin de 10nm ).

Nivelele de compactare a ADN n nucleu -Primul nivel-

M rgele de ametist

r

Aparen a de m rgele pe a a ADN

Nivelele de compactare a ADN n nucleu -al doilea nivel Polinucleozomul se superspiraleaz pentru a forma structura de solenoid. Solenoidul con ine 6-7 nucleozomi per tur.Pasul e de 10nm, diametrul de 30 nm. Solenoidul formeaz fibrele de cromatin de 30 nm.

Nivelele de compactare a ADN n nucleu

-nivelele 3,4 i 5r- Fibrele de cromatin se compacteaz i mai mult form domenii n form de bucl . - Aceste domenii n bucl sunt superspiralizate i organizate n structuri distincte numite cromozomi. - ADN -ul uman nuclear ( genomul) const n 23 perechi de cromozomi.

Diferen a dintre celulele diploide i celulele haploide Majoritatea celulelor eucariote con in perechi de cromozomi i sunt astfel denumite diploide. Celulele care con in cromozomi nepereche sunt denumite haploide.

Cromozomii genomului uman