Acidul dezoxiribonucleic ( ADN ) este o macromoleculă (una dintre cele trei principale, celelalte două sunt ARN și proteine ), care asigură stocarea, transmiterea din generație în generație și implementarea programului genetic pentru dezvoltarea și funcționarea organismelor vii . Molecula de ADN stochează informații biologice sub forma unui cod genetic format dintr-o secvență de nucleotide [1] . ADN-ul conține informații despre structura diferitelor tipuri de ARN și proteine .
În celulele eucariote ( animale , plante și fungice ), ADN-ul se găsește în nucleul celulei ca parte a cromozomilor , precum și în unele organele celulare ( mitocondrii și plastide ). În celulele organismelor procariote ( bacteriile și arheile ), o moleculă de ADN circulară sau liniară, așa-numitul nucleoid , este atașată intern de membrana celulară . Ei și eucariotele inferioare (de exemplu drojdia ) au, de asemenea, molecule mici de ADN autonome, în mare parte circulare, numite plasmide . În plus, moleculele de ADN monocatenar sau dublu catenar pot forma genomul virusurilor care conțin ADN .
Din punct de vedere chimic, ADN-ul este o moleculă polimerică lungă formată din blocuri repetate - nucleotide . Fiecare nucleotidă este alcătuită dintr-o bază azotată , un zahăr ( dezoxiriboză ) și o grupare fosfat . Legăturile dintre nucleotide dintr-un lanț sunt formate din deoxiriboză și o grupare fosfat (legături fosfodiester). În majoritatea covârșitoare a cazurilor (cu excepția unor viruși care conțin ADN monocatenar), macromolecula de ADN constă din două lanțuri orientate de baze azotate unul spre celălalt. Această moleculă dublu catenară este răsucită într- o spirală . Structura moleculei de ADN în ansamblu a primit denumirea tradițională, dar eronată, „dublă helix ”: de fapt, este un „ șurub dublu ”. Helixul poate fi drept (A- și B-forme ale ADN-ului) sau stânga (Z-forma ADN-ului) [2] .
Există patru tipuri de baze azotate găsite în ADN ( adenină (A), guanină (G), timină (T) și citozină (C)). Bazele azotate ale unuia dintre lanțuri sunt legate de bazele azotate ale celuilalt lanț prin legături de hidrogen conform principiului complementarității : adenina (A) se combină numai cu timina (T), guanina (G) numai cu citozina (C) . Secvența de nucleotide vă permite să „codificați” informații despre diferite tipuri de ARN, dintre care cele mai importante sunt informațiile sau șablonul ( ARNm ), ribozomiale ( ARNr ) și transportul ( ARNt ). Toate aceste tipuri de ARN sunt sintetizate pe matrița ADN prin copierea secvenței de ADN în secvența de ARN sintetizată în timpul transcripției și participă la biosinteza proteinelor ( procesul de traducere ). Pe lângă secvențele de codificare, ADN-ul celular conține secvențe care îndeplinesc funcții de reglementare și structurale. În plus, regiunile aparținând „paraziților genetici”, cum ar fi transpozonii , se găsesc adesea în genomul eucariotic .
Descifrarea structurii ADN-ului ( 1953 ) a fost unul dintre punctele de cotitură din istoria biologiei. Pentru contribuțiile remarcabile la această descoperire , Francis Crick , James Watson și Maurice Wilkins au primit în 1962 Premiul Nobel pentru Fiziologie sau Medicină . Rosalind Franklin , care a primit raze X , fără de care Watson și Crick nu ar fi putut trage concluzii despre structura ADN-ului, a murit în 1958 de cancer ( Premiul Nobel nu se acordă postum) [3] .
ADN-ul ca substanță chimică a fost izolat de Johann Friedrich Miescher în 1869 din resturile de celule conținute în puroi. A izolat o substanță, care include azot și fosfor. Inițial, noua substanță a fost numită nucleină , iar mai târziu, când Misher a stabilit că această substanță are proprietăți acide, substanța a fost numită acid nucleic [4] . Funcția biologică a substanței nou descoperite a fost neclară și pentru o lungă perioadă de timp ADN-ul a fost considerat un depozit de fosfor în organism . Mai mult, chiar și la începutul secolului al XX-lea, mulți biologi credeau că ADN-ul nu are nicio legătură cu transmiterea informațiilor, deoarece structura moleculei, în opinia lor, era prea uniformă și nu putea conține informații codificate.
Până în anii 1930, se credea că ADN-ul a fost găsit doar în celulele animale și că ARN -ul a fost găsit în celulele vegetale . În 1934, în revista „Hoppe-Seyler's Zeitschrift fur physiologishe Chemie” [5] , apoi în 1935 în „ Scientific Notes of Moscow State University ” [6] , au apărut articole ale biochimiștilor sovietici A. N. Belozersky și A. R. Kizel , în care au apărut a dovedit prezența ADN-ului în celulele vegetale. În 1936, grupul lui Belozersky a izolat ADN-ul din semințe și țesuturi de leguminoase, cereale și alte plante [7] . Rezultatul cercetărilor efectuate de același grup de oameni de știință sovietici în anii 1939-1947 a fost prima informație din literatura științifică mondială cu privire la conținutul de acizi nucleici în diferite tipuri de bacterii.
Treptat, s-a dovedit că ADN-ul, și nu proteinele, așa cum se credea anterior, este purtătorul de informații genetice . Una dintre primele dovezi decisive a venit din experimentele lui Oswald Avery, Colin Macleod și Maclean McCarthy (1944) privind transformarea bacteriană . Ei au reușit să arate că ADN -ul izolat din pneumococi este responsabil pentru așa-numita transformare (dobândirea proprietăților cauzatoare de boli de către o cultură inofensivă ca urmare a adăugării bacteriilor patogene moarte la acesta). Un experiment al oamenilor de știință americani Alfred Hershey și Martha Chase ( experimentul Hershey-Chase , 1952 ) cu proteine marcate radioactiv și ADN-ul bacteriofagelor a arătat că numai acidul nucleic fagic este transmis într-o celulă infectată, iar o nouă generație de fagi conține aceleași proteine și acid nucleic, ca fag original [8] .
Până în anii 1950, structura exactă a ADN-ului, precum și modul de transmitere a informațiilor ereditare, au rămas necunoscute. Deși se știa cu certitudine că ADN-ul este format din mai multe catene de nucleotide, nimeni nu știa exact câte dintre aceste fire sunt și cum sunt conectate.
Ca rezultat al muncii grupului de biochimist Erwin Chargaff în 1949-1951. au fost formulate așa-numitele reguli Chargaff . Chargaff și colegii de muncă au reușit să separe nucleotidele ADN folosind cromatografia pe hârtie și să determine rapoartele cantitative exacte ale diferitelor tipuri de nucleotide. Raportul dezvăluit pentru adenină (A), timină (T), guanină (G) și citozină (C) s-a dovedit a fi următorul: cantitatea de adenină este egală cu cantitatea de timină, iar guanina este egală cu cantitatea de citozină: A=T, G=C [9] [10] . Aceste reguli, împreună cu datele din analiza difracției cu raze X, au jucat un rol decisiv în descifrarea structurii ADN-ului.
Structura cu dublu helix a ADN-ului a fost propusă de Francis Crick și James Watson în 1953 pe baza datelor cu raze X obținute de Maurice Wilkins și regulile lui Rosalind Franklin și Chargaff [11] . Mai târziu, modelul structurii ADN propus de Watson și Crick a fost dovedit, iar lucrările lor au fost distinse cu Premiul Nobel pentru Fiziologie sau Medicină în 1962. Rosalind Franklin, care murise de cancer până atunci, nu se număra printre laureați, deoarece premiul nu se acordă postum [12] .
Este interesant că în 1957 americanii Alexander Rich, Gary Felsenfeld și David Davis au descris un acid nucleic compus din trei elice [13] . Și în 1985-1986, Maxim Davidovich Frank-Kamenetsky la Moscova a arătat cum ADN-ul dublu catenar este pliat în așa-numita formă H, compusă nu din două, ci din trei catene de ADN [14] [15] .
Acidul dezoxiribonucleic (ADN) este un biopolimer ( polianion ) al cărui monomer este o nucleotidă [16] [17] .
Fiecare nucleotidă constă dintr-un rest de acid fosforic atașat în poziția 5’ de zahărul dezoxiriboză , de care una dintre cele patru baze azotate este atașată și printr-o legătură glicozidică (C-N) în poziția 1’ . Prezența unui zahăr caracteristic este una dintre principalele diferențe dintre ADN și ARN , înregistrată în denumirile acestor acizi nucleici (ARN conține zahăr riboză ) [18] . Un exemplu de nucleotidă este adenozin monofosfatul , în care baza atașată la fosfat și riboză este adenina (A) (prezentată în figură).
Pe baza structurii moleculelor, bazele care alcătuiesc nucleotidele sunt împărțite în două grupe: purinele ( adenina [A] și guanina [G]) sunt formate din heterocicluri conectate cu cinci și șase membri ; pirimidinele ( citozină [C] și timină [T]) sunt heterocicli cu șase membri [19] .
Ca o excepție, de exemplu, în bacteriofagul PBS1, al cincilea tip de baze se găsește în ADN - uracil ([U]), o bază pirimidină care diferă de timină prin absența unei grupări metil pe inel, înlocuind de obicei timina. în ARN [20] .
Timina (T) și uracilul (U) nu sunt atât de strict limitate la ADN și, respectiv, ARN, așa cum se credea anterior. Deci, după sinteza unor molecule de ARN, un număr semnificativ de uracili din aceste molecule sunt metilați cu ajutorul unor enzime speciale, transformându-se în timină. Acest lucru se întâmplă în transportul și ARN-urile ribozomale [21] .
Polimerul ADN are o structură destul de complexă. Nucleotidele sunt legate între ele covalent în lanțuri lungi de polinucleotide . În majoritatea covârșitoare a cazurilor (cu excepția unor virusuri cu genom ADN monocatenar), aceste lanțuri sunt combinate în perechi folosind legături de hidrogen într-o structură secundară numită dublă helix [11] [18] . Coloana vertebrală a fiecărui lanț este formată din fosfați și zaharuri alternativi [22] . În cadrul unei catene de ADN, nucleotidele adiacente sunt conectate prin legături fosfodiester , care se formează ca rezultat al interacțiunii dintre gruparea 3’-hidroxil (3’-OH) a moleculei de dezoxiriboză a unei nucleotide și gruparea 5’-fosfat. (5'-RO 3 ) al altuia. Capetele asimetrice ale lanțului ADN se numesc 3’ (trei prime) și 5’ (cinci prime). Polaritatea lanțului joacă un rol important în sinteza ADN-ului (alungirea lanțului este posibilă numai prin adăugarea de noi nucleotide la capătul liber 3’).
După cum s-a menționat mai sus, în marea majoritate a organismelor vii, ADN-ul constă nu din unul, ci din două lanțuri de polinucleotide. Aceste două lanțuri lungi sunt răsucite unul în jurul celuilalt sub forma unui dublu helix, stabilizat de legăturile de hidrogen formate între bazele azotate ale lanțurilor sale constitutive, față în față. În natură, această spirală este cel mai adesea dreptaci. Direcțiile de la capătul 3’ la capătul 5’ în cele două catene care alcătuiesc molecula de ADN sunt opuse (catenele sunt „anti-paralele” una cu cealaltă).
Lățimea dublei helix este de la 22 la 24 Å , sau 2,2–2,4 nm , lungimea fiecărei nucleotide este de 3,3 Å (0,33 nm) [23] . Așa cum treptele pot fi văzute pe partea unei scări în spirală, pe dubla spirală ADN, în golurile dintre coloana vertebrală de fosfat a moleculei, se pot vedea marginile bazelor, ale căror inele sunt situate într-un plan perpendicular. pe axa longitudinală a macromoleculei.
În dublu helix, există caneluri mici (12 Å) și mari (22 Å) [24] . Proteinele, cum ar fi factorii de transcripție care se atașează la secvențe specifice din ADN-ul dublu catenar, interacționează de obicei cu marginile bazei din canalul major, unde sunt mai accesibile [25] .
Fiecare bază de pe una dintre fire este asociată cu o bază specifică pe cea de-a doua șuviță. O astfel de legare specifică se numește complementară . Purinele sunt complementare pirimidinelor (adică capabile să formeze legături de hidrogen cu acestea): adenina formează legături numai cu timina, iar citozina cu guanina. În dublu helix, lanțurile sunt, de asemenea, legate prin interacțiuni hidrofobe și stivuire , care sunt independente de secvența de baze ADN [26] .
Complementaritatea dublei helix înseamnă că informația conținută într-un fir este conținută și în cealaltă șuviță. Reversibilitatea și specificitatea interacțiunilor dintre perechile de baze complementare sunt importante pentru replicarea ADN-ului și toate celelalte funcții ale ADN-ului în organismele vii.
Deoarece legăturile de hidrogen sunt necovalente , ele sunt ușor rupte și restaurate. Lanțurile cu dublu helix pot diverge ca un fermoar sub acțiunea enzimelor ( helicaza ) sau la temperatură ridicată [27] . Perechile de baze diferite formează un număr diferit de legături de hidrogen. AT-urile sunt legate prin două, GC-urile prin trei legături de hidrogen, așa că este necesară mai multă energie pentru a rupe GC-urile. Procentul de perechi de HC și lungimea moleculei de ADN determină cantitatea de energie necesară pentru disocierea lanțurilor: moleculele de ADN lungi cu un conținut ridicat de HC sunt mai refractare [28] . Temperatura de topire a acizilor nucleici depinde de mediul ionic, iar o creștere a puterii ionice stabilizează ADN-ul împotriva denaturării. Când se adaugă clorură de sodiu la ADN, există o relație liniară între punctul de topire și logaritmul tăriei ionice a soluției. Se presupune că adăugarea unui electrolit duce la screening-ul sarcinilor din firele de ADN și, prin urmare, reduce forțele de repulsie electrostatice dintre grupările de fosfat încărcate, contribuind la rigiditatea structurii. În mod similar, punctul de topire al ADN-ului este crescut de ionii de mangan, cobalt, zinc și nichel, dar ionii de cupru, cadmiu și plumb, dimpotrivă, îl scad [29] .
Părțile moleculelor de ADN care, datorită funcției lor, ar trebui să fie ușor separabile, cum ar fi secvența TATA din promotorii bacterieni , conțin de obicei cantități mari de A și T.
Bazele azotate din ADN pot fi modificate covalent, ceea ce este utilizat în reglarea expresiei genelor. De exemplu, în celulele vertebratelor, metilarea citozinei pentru a forma 5-metilcitozină este utilizată de celulele somatice pentru a transmite profilul de expresie a genei către celulele fiice. Metilarea citozinei nu afectează împerecherea bazelor în dubla helix ADN. La vertebrate, metilarea ADN-ului în celulele somatice este limitată la metilarea citozinei în secvența CH [30] . Nivelul mediu de metilare diferă în diferite organisme, de exemplu, la nematodul Caenorhabditis elegans , metilarea citozinei nu este observată, în timp ce un nivel ridicat de metilare, de până la 1%, a fost găsit la vertebrate [31] . Alte modificări ale bazei includ metilarea adeninei în bacterii și glicozilarea uracilului pentru a forma o „bază J” în kinetoplaste [32] .
Metilarea citozinei cu formarea de 5-metilcitozină în partea promotoare a genei se corelează cu starea sa inactivă [33] . Metilarea citozinei este de asemenea importantă pentru inactivarea cromozomului X la mamifere [34] . Metilarea ADN-ului este utilizată în imprimarea genomică [35] . În timpul carcinogenezei apar tulburări semnificative în profilul de metilare a ADN-ului [36] .
În ciuda rolului său biologic, 5-metilcitozina își poate pierde spontan gruparea amino (deaminat), transformându-se în timină , astfel încât citozinele metilate sunt o sursă a unui număr crescut de mutații [37] .
ADN-ul poate fi deteriorat de o varietate de agenți mutageni , care includ substanțe oxidante și alchilante , precum și radiații electromagnetice de înaltă energie - ultraviolete și raze X. Tipul de deteriorare a ADN-ului depinde de tipul de mutagen. De exemplu, ultravioletele dăunează ADN-ului formând în el dimeri de timină, care apar în timpul formării legăturilor covalente între bazele adiacente [39] .
Oxidanții precum radicalii liberi sau peroxidul de hidrogen provoacă mai multe tipuri de leziuni ale ADN-ului, inclusiv modificări ale bazelor, în special guanozina, precum și rupturi duble catenare în ADN [40] . Conform unor estimări, aproximativ 500 de baze sunt deteriorate zilnic de compușii oxidanți din fiecare celulă umană [41] [42] . Dintre diferitele tipuri de daune, cele mai periculoase sunt rupturile dublu-catenare, deoarece sunt dificil de reparat și pot duce la pierderea secțiunilor cromozomiale ( deleții ) și la translocații .
Multe molecule mutagene se inserează ( intercalate ) între două perechi de baze adiacente. Majoritatea acestor compuși, de exemplu: bromură de etidio , daunorubicin , doxorubicină și talidomidă , au o structură aromatică . Pentru ca un compus intercalat să se potrivească între baze, acestea trebuie să se separe, desfășurând și rupând structura dublei helix. Aceste modificări ale structurii ADN-ului interferează cu replicarea , provocând mutații și transcripție . Prin urmare, compușii care se intercalează sunt adesea cancerigeni , dintre care cei mai cunoscuți sunt benzopirenul , acridinele , aflatoxina și bromura de etidio [43] [44] [45] . În ciuda acestor proprietăți negative, datorită capacității lor de a inhiba transcripția și replicarea ADN-ului, intercalatorii sunt utilizați în chimioterapie pentru a suprima celulele canceroase cu creștere rapidă [46] .
Unele substanțe ( cisplatină [47] , mitomicina C [48] , psoralen [49] ) formează legături încrucișate între firele de ADN și inhibă sinteza ADN-ului, datorită căruia sunt utilizate în chimioterapia anumitor tipuri de cancer (vezi Chimioterapia malignelor ). neoplasme ).
Dacă luați capetele frânghiei și începeți să le răsuciți în direcții diferite, aceasta devine mai scurtă și se formează „super bobine” pe frânghie. ADN-ul poate fi, de asemenea, supercoilat. În starea normală, lanțul de ADN face o tură la fiecare 10,4 perechi de baze, dar în starea supraînvăluită, elica poate fi înfășurată mai strâns sau desfăcută [50] . Există două tipuri de supertwistare: pozitivă - în direcția virajelor normale, în care bazele sunt situate mai aproape una de cealaltă; și negativ în sens invers. În natură, moleculele de ADN se află de obicei în supraînfăşurare negativă, care este introdusă de enzime, topoizomeraze [51] . Aceste enzime îndepărtează răsucirea suplimentară care apare în ADN ca urmare a transcripției și replicării [52] .
La capetele cromozomilor liniari se află structuri ADN specializate numite telomeri . Funcția principală a acestor regiuni este de a menține integritatea capetelor cromozomilor [54] . Telomerii protejează, de asemenea, capetele ADN-ului de degradarea de către exonucleaze și împiedică activarea sistemului de reparare [55] . Deoarece ADN-polimerazele convenționale nu pot replica capetele 3’ ale cromozomilor, o enzimă specială, telomeraza , face acest lucru .
În celulele umane, telomerii sunt adesea reprezentați de ADN monocatenar și constau din câteva mii de unități repetate ale secvenței TTAGGG [56] . Aceste secvențe bogate în guanină stabilizează capetele cromozomilor, formând structuri foarte neobișnuite numite G-quadruplexuri , care constau din patru, mai degrabă decât două baze care interacționează. Patru baze guanine, ai căror atomi sunt toți în același plan, formează o placă stabilizată prin legături de hidrogen între baze și chelarea unui ion metalic în centrul acesteia (cel mai adesea potasiu ). Aceste plăci sunt stivuite una peste alta [57] .
La capetele cromozomilor se pot forma și alte structuri: bazele pot fi situate într-un singur lanț sau în diferite lanțuri paralele. În plus față de aceste structuri „stiva”, telomerii formează structuri mari asemănătoare buclei numite bucle T sau bucle telomerice. La acestea, ADN-ul monocatenar este situat sub forma unui inel larg stabilizat de proteinele telomerice [58] . La sfârșitul buclei T, ADN-ul telomeric monocatenar se unește cu ADN-ul dublu catenar, perturbând împerecherea catenelor din această moleculă și formând legături cu una dintre catene. Această formațiune cu trei șuvițe se numește D-loop (din engleză displacement loop ) [57] .
ADN-ul este purtătorul de informații genetice , scris ca o secvență de nucleotide folosind codul genetic . Două proprietăți fundamentale ale organismelor vii sunt asociate cu moleculele de ADN - ereditatea și variabilitatea . În timpul unui proces numit replicare ADN-ului , se formează două copii ale lanțului original, care sunt moștenite de celulele fiice în timpul diviziunii , ceea ce înseamnă că celulele rezultate sunt identice genetic cu cele originale.
Informația genetică este realizată în timpul expresiei genelor în procesele de transcripție (sinteza moleculelor de ARN pe un șablon de ADN) și de translație (sinteza de proteine pe un șablon de ARN ).
Secvența de nucleotide „codifică” informații despre diferite tipuri de ARN: informațional sau șablon ( ARNm ), ribozomal ( ARNr ) și transport ( ARNt ). Toate aceste tipuri de ARN sunt sintetizate din ADN prin procesul de transcripție . Rolul lor în biosinteza proteinelor ( procesul de traducere ) este diferit. ARN-ul mesager conține informații despre secvența de aminoacizi dintr-o proteină , ARN-ul ribozomal servește ca bază pentru ribozomi (complexe de nucleoproteine complexe, a căror funcție principală este de a asambla o proteină din aminoacizi individuali pe baza ARNm), ARN-ul de transfer eliberează aminoacizi. acizi la locul de asamblare a proteinei - la centrul activ al ribozomului, „târâindu-se” de-a lungul ARNm.
Majoritatea ADN-ului natural are o structură dublu catenară, fie liniară ( eucariote , unii viruși și anumite genuri de bacterii ) fie circulară ( procariote , cloroplaste și mitocondrii ). Unii virusuri și bacteriofagi conțin ADN monocatenar liniar . Moleculele de ADN sunt in vivo într-o stare densă, condensată [59] . În celulele eucariote, ADN-ul este localizat în principal în nucleu, iar în stadiul de profază, metafază sau anafaza mitozei , este disponibil pentru observare folosind un microscop cu lumină sub forma unui set de cromozomi . ADN-ul bacterian (procariote) este de obicei reprezentat de o singură moleculă circulară de ADN situată într-o formațiune de formă neregulată în citoplasmă numită nucleoid [60] . Informația genetică a genomului este alcătuită din gene. O genă este o unitate de transmitere a informațiilor ereditare și o secțiune a ADN-ului care afectează o anumită caracteristică a unui organism. Gena conține un cadru de citire deschis care este transcris, precum și secvențe de reglare, cum ar fi promotorul și amplificatorul , care controlează expresia cadrelor de citire deschise.
La multe specii, doar o mică parte din secvența totală a genomului codifică proteine. Astfel, doar aproximativ 1,5% din genomul uman constă din exoni care codifică proteine , iar mai mult de 50% din ADN-ul uman constă din secvențe ADN repetitive necodificatoare [61] . Motivele prezenței unei cantități atât de mari de ADN necodificant în genomurile eucariote și diferența uriașă în dimensiunea genomului (valoarea C) este unul dintre misterele științifice nerezolvate [62] ; cercetările în acest domeniu indică, de asemenea, un număr mare de fragmente de virusuri relicve în această parte a ADN-ului.
În prezent, se acumulează din ce în ce mai multe date care contrazic ideea secvențelor necodante ca „junk DNA” ( ing. junk DNA ). Telomerii și centromerii conțin puține gene, dar sunt importante pentru funcționarea și stabilitatea cromozomilor [55] [63] . O formă comună de secvențe umane necodante sunt pseudogenele , copii ale genelor inactivate ca urmare a mutațiilor [64] . Aceste secvențe seamănă cu fosilele moleculare , deși uneori pot servi drept material de pornire pentru duplicarea genelor și divergența ulterioară [65] . O altă sursă de diversitate a proteinelor în organism este utilizarea intronilor ca „linii de tăiere și lipire” în splicing alternativ [66] . În cele din urmă, secvențele care nu codifică proteine pot codifica ARN-uri de ajutor celular , cum ar fi ARNsn [67] . Un studiu recent de transcripție al genomului uman a arătat că 10% din genom dă naștere ARN poliadenilat [68] și un studiu al genomului șoarecelui a arătat că 62% din acesta este transcris [69] .
Informația genetică codificată în ADN trebuie citită și în cele din urmă exprimată în sinteza diferiților biopolimeri care alcătuiesc celulele. Secvența de baze dintr-o catenă de ADN determină direct secvența de baze din ARN , la care este „rescrisă” într-un proces numit transcripție. În cazul ARNm , această secvență definește aminoacizii proteinei. Relația dintre secvența de nucleotide ARNm și secvența de aminoacizi este determinată de regulile de translație , care se numesc cod genetic . Codul genetic este format din „cuvinte” de trei litere numite codoni , constând din trei nucleotide (adică ACT, CAG, TTT etc.). În timpul transcripției, nucleotidele unei gene sunt copiate pe ARN-ul sintetizat de către ARN polimerază . Această copie, în cazul ARNm, este decodificată de ribozom , care „citește” secvența ARNm prin împerecherea ARN-ului mesager cu ARN-ul de transfer , care este atașat la aminoacizi. Deoarece 4 baze sunt utilizate în combinații de 3 litere, există 64 de codoni în total (4³ combinații). Codonii codifică 20 de aminoacizi standard, fiecare dintre care corespunde în majoritatea cazurilor la mai mult de un codon. Unul dintre cei trei codoni care se află la capătul ARNm nu înseamnă un aminoacid și determină sfârșitul proteinei, aceștia sunt codoni „stop” sau „prostii” - TAA, TGA, TAG.
Diviziunea celulară este necesară pentru reproducerea unui organism unicelular și creșterea unui organism multicelular, dar înainte de diviziune, o celulă trebuie să dubleze genomul, astfel încât celulele fiice să conțină aceeași informație genetică ca și celula originală. Dintre câteva mecanisme teoretic posibile de dublare (replicare) ADN-ului, se realizează unul semi-conservator. Cele două catene sunt separate și apoi fiecare secvență de ADN complementară lipsă este reprodusă de enzima ADN polimeraza . Această enzimă sintetizează un lanț de polinucleotide prin găsirea nucleotidei corecte prin împerecherea bazelor complementare și adăugarea acesteia la lanțul în creștere. ADN polimeraza nu poate începe un lanț nou, ci poate construi doar unul existent, așa că are nevoie de un lanț scurt de nucleotide - ( primer ) sintetizat de primază . Deoarece ADN-polimerazele pot sintetiza o catenă numai în direcția 5’ --> 3’, catenele de ADN antiparalele sunt copiate în moduri diferite: o catenă este sintetizată continuu, în timp ce a doua catenă este discontinuă [70] .
Toate funcțiile ADN-ului depind de interacțiunea acestuia cu proteinele. Interacțiunile pot fi nespecifice, atunci când proteina se atașează la orice moleculă de ADN sau depind de prezența unei anumite secvențe. De asemenea, enzimele pot interacționa cu ADN-ul, dintre care cele mai importante sunt ARN polimerazele , care copiază secvența de baze ADN în ARN în transcripție sau în sinteza unui nou lanț de replicare a ADN-ului .
Exemple bine studiate de interacțiune dintre proteine și ADN, care nu depinde de secvența de nucleotide a ADN-ului, este interacțiunea cu proteinele structurale. Într-o celulă, ADN-ul este legat de aceste proteine pentru a forma o structură compactă numită cromatină . La eucariote, cromatina se formează prin atașarea unor proteine alcaline mici, histonele, la ADN; cromatina procariotă mai puțin ordonată conține proteine asemănătoare histonelor [71] [72] . Histonele formează o structură proteică în formă de disc - nucleozom , în jurul fiecăreia dintre care se potrivește două spire ale helixului ADN. Legăturile nespecifice între histone și ADN se formează datorită legăturilor ionice ale aminoacizilor alcalini ai histonelor și a reziduurilor acide din coloana vertebrală zahăr-fosfat a ADN [73] . Modificările chimice ale acestor aminoacizi includ metilarea, fosforilarea și acetilarea [74] . Aceste modificări chimice modifică puterea interacțiunii dintre ADN și histone, afectând disponibilitatea secvențelor specifice factorilor de transcripție și modificând rata de transcripție [75] . Alte proteine din cromatina care se atașează la secvențe nespecifice sunt proteine cu mobilitate ridicată în geluri care se asociază mai ales cu ADN-ul pliat [76] . Aceste proteine sunt importante pentru formarea structurilor de ordin superior în cromatina [77] .
Un grup special de proteine care se atașează de ADN sunt proteinele care se asociază cu ADN-ul monocatenar. Cea mai bine caracterizată proteină din acest grup la om este proteina de replicare A, fără de care majoritatea proceselor în care se desfășoară dubla helix, inclusiv replicarea, recombinarea și repararea , nu pot avea loc . Proteinele din acest grup stabilizează ADN-ul monocatenar și previn formarea buclei stem sau degradarea de către nucleaze [78] .
În același timp, alte proteine recunosc și se atașează de secvențe specifice. Cel mai studiat grup de astfel de proteine sunt diferite clase de factori de transcripție , adică proteinele care reglează transcripția . Fiecare dintre aceste proteine recunoaște o secvență, adesea într-un promotor , și activează sau reprimă transcripția genei. Aceasta se întâmplă prin asocierea factorilor de transcripție cu ARN polimeraza , fie direct, fie prin proteine intermediare. Polimeraza se asociază mai întâi cu proteinele și apoi începe transcripția [79] . În alte cazuri, factorii de transcripție se pot atașa la enzimele care modifică histonele situate pe promotori , ceea ce modifică accesibilitatea ADN-ului la polimeraze [80] .
Deoarece secvențele specifice apar în multe locații ale genomului , modificările activității unui tip de factor de transcripție pot modifica activitatea a mii de gene [81] . În consecință, aceste proteine sunt adesea reglate ca răspuns la schimbările de mediu, dezvoltarea organismului și diferențierea celulară . Specificitatea interacțiunii factorilor de transcripție cu ADN-ul este asigurată de numeroasele contacte dintre aminoacizi și bazele ADN, ceea ce le permite să „citească” secvența ADN. Majoritatea contactelor de bază apar în canalul principal, unde bazele sunt mai accesibile [25] .
Într-o celulă, ADN-ul este situat într-un format compact, așa-zis. într-o stare super răsucită , altfel nu s-ar putea încadra în ea. Pentru ca procesele vitale să aibă loc, ADN-ul trebuie să fie nerăsucit, care este produs de două grupe de proteine - topoizomeraze și helicaze.
Topoizomerazele sunt enzime care au atât activități nuclează, cât și ligază . Ele modifică gradul de supraînfăşurare în ADN. Unele dintre aceste enzime taie spirala ADN-ului și permit uneia dintre catenele să se rotească, reducând astfel nivelul de supraînfăşurare, după care enzima închide golul [51] . Alte enzime pot tăia una dintre fire și pot trece cea de-a doua șuviță prin rupere, iar apoi pot lega ruptura din prima șuviță [82] . Topoizomerazele sunt esențiale în multe procese legate de ADN, cum ar fi replicarea și transcripția [52] .
Helicazele sunt proteine care sunt unul dintre motoarele moleculare . Ei folosesc energia chimică a trifosfaților de nucleotide , cel mai frecvent ATP , pentru a rupe legăturile de hidrogen dintre baze, desfășurând dublu helix în catene separate [83] . Aceste enzime sunt esențiale pentru majoritatea proceselor în care proteinele au nevoie de acces la bazele ADN.
Nucleaze și ligazeÎn diferite procese care au loc în celulă, cum ar fi recombinarea și repararea , sunt implicate enzime care pot tăia și restabili integritatea catenelor de ADN. Enzimele care taie ADN-ul se numesc nucleaze. Nucleazele care hidrolizează nucleotidele de la capetele moleculei de ADN sunt numite exonucleaze, în timp ce endonucleazele taie ADN-ul în interiorul catenei. Cele mai frecvent utilizate nucleaze în biologia moleculară și inginerie genetică sunt endonucleazele de restricție (enzime de restricție), care taie ADN-ul în jurul unor secvențe specifice. De exemplu, enzima EcoRV (enzima de restricție #5 din „ E. coli ” ) recunoaște secvența de șase nucleotide 5’-GAT|ATC-3’ și taie ADN-ul în locația indicată de linia verticală. În natură, aceste enzime protejează bacteriile de infecția cu bacteriofagi prin tăierea ADN-ului fagului atunci când este introdus în celula bacteriană. În acest caz, nucleazele fac parte din sistemul de modificare-restricție [84] . ADN-ligazele „cosă” capetele fragmentelor de ADN împreună, catalizând formarea unei legături fosfodiester folosind energia ATP . Nucleazele și ligazele de restricție sunt utilizate în clonare și amprentare .
PolimerazeExistă și un grup de enzime, importante pentru metabolismul ADN-ului, care sintetizează lanțuri de polinucleotide din nucleozide trifosfați - ADN polimeraza. Ele adaugă nucleotide la gruparea 3’- hidroxil a nucleotidei anterioare din catena ADN, astfel încât toate polimerazele lucrează în direcția 5’-->3’ [85] . În centrul activ al acestor enzime, substratul - nucleozid trifosfat - se asociază cu o bază complementară ca parte a unui lanț polinucleotidic monocatenar - un șablon.
În timpul replicării ADN-ului, ADN polimeraza dependentă de ADN sintetizează o copie a secvenței ADN originale. Precizia este foarte importantă în acest proces, deoarece erorile de polimerizare vor duce la mutații , atât de multe polimeraze au capacitatea de a „edita” - corecta erorile. Polimeraza recunoaște erorile de sinteză prin lipsa de împerechere între nucleotide incorecte. Odată ce nu este determinată nicio împerechere, activitatea exonucleazei 3’-->5’ a polimerazei este activată și misbaza este îndepărtată [86] . În majoritatea organismelor, ADN-polimerazele funcționează ca un complex mare numit replizom , care conține numeroase subunități suplimentare, cum ar fi helicazele [87] .
ADN-polimerazele dependente de ARN sunt un tip specializat de polimeraze care copiază o secvență de ARN pe ADN. Acest tip include transcriptaza inversă , care este conținută în retrovirusuri și este utilizată în timpul infecției celulare, precum și telomeraza , care este necesară pentru replicarea telomerilor [88] . Telomeraza este o enzimă neobișnuită deoarece conține propriul său ARN mesager [55] .
Transcripția este efectuată de ARN polimerază dependentă de ADN , care copiază secvența de ADN a unei catene pe ARNm . La începutul transcripției unei gene, ARN polimeraza se atașează la o secvență de la începutul genei, numită promotor , și desfășoară helixul ADN. Apoi copiază secvența genei pe ARN mesager până când ajunge în regiunea ADN-ului de la capătul genei, terminatorul , unde se oprește și se desprinde de ADN. Ca și ADN-polimeraza umană dependentă de ADN, ARN polimeraza II, care transcrie majoritatea genelor din genomul uman , funcționează ca parte a unui complex proteic mare care conține unități de reglare și suplimentare [89] .
Helixul dublu ADN nu interacționează în mod normal cu alte segmente de ADN, iar în celulele umane diferiții cromozomi sunt separați spațial în nucleu [90] . Această distanță dintre diferiți cromozomi este importantă pentru capacitatea ADN-ului de a acționa ca un purtător stabil de informații. În procesul de recombinare cu ajutorul enzimelor , două catene de ADN se rup, schimbă secțiuni, după care se restabilește continuitatea elicelor, astfel încât schimbul de secțiuni de cromozomi neomologi poate deteriora integritatea materialului genetic.
Recombinarea permite cromozomilor să facă schimb de informații genetice, având ca rezultat formarea de noi combinații de gene, ceea ce crește eficiența selecției naturale și este important pentru evoluția rapidă a noilor proteine [91] . Recombinarea genetică joacă, de asemenea, un rol în reparare , în special în răspunsul celulei la ruperea ambelor catene de ADN [92] .
Cea mai comună formă de încrucișare este recombinarea omoloagă , când cromozomii implicați în recombinare au secvențe foarte asemănătoare. Uneori, transpozonii acționează ca regiuni de omologie . Recombinarea non-omoloagă poate duce la deteriorarea celulelor, deoarece translocațiile rezultă dintr-o astfel de recombinare . Reacția de recombinare este catalizată de enzime numite recombinaze, cum ar fi Cre. În prima etapă a reacției, recombinaza face o rupere într-una dintre catenele de ADN, permițând acestei catene să se separe de catena complementară și să se unească cu una dintre catenele celei de-a doua cromatide . O a doua ruptură a șuviței celei de-a doua cromatide îi permite să se separe și să unească șirul nepereche de prima cromatidă, formând structura Holliday . Structura Holliday se poate deplasa de-a lungul perechii de cromozomi conectate, schimbând lanțurile pe alocuri. Reacția de recombinare este finalizată când enzima taie joncțiunea și cele două catene sunt legate [93] .
ADN-ul conține informația genetică care face posibilă viața, creșterea, dezvoltarea și reproducerea tuturor organismelor moderne. Cu toate acestea, nu se știe cât timp, în timpul celor patru miliarde de ani din istoria vieții pe Pământ, ADN-ul a fost principalul purtător de informații genetice. Există ipoteze că ARN -ul a jucat un rol central în metabolism , deoarece poate atât transporta informații genetice, cât și cataliza cu ajutorul ribozimelor [94] [95] [96] . În plus, ARN-ul este una dintre componentele principale ale „fabricilor de proteine” - ribozomii . Lumea antică a ARN-ului, în care acidul nucleic a fost folosit atât pentru cataliză, cât și pentru transferul de informații, ar putea servi drept sursă a codului genetic modern cu patru baze. Acest lucru s-ar putea datora faptului că numărul de baze din organism a fost un compromis între un număr mic de baze, care a crescut fidelitatea de replicare , și un număr mare de baze, care a crescut activitatea catalitică a ribozimelor [97] .
Din păcate, sistemele genetice antice nu au supraviețuit până în zilele noastre. ADN-ul din mediu persistă în medie 1 milion de ani, degradându-se treptat în fragmente scurte. Extragerea ADN-ului din sporii bacterieni prinși în cristale de sare acum 250 de milioane de ani și determinarea secvenței genei ARNr 16S [98] este subiectul unei discuții aprinse în comunitatea științifică [99] [100] .
![]() | ||||
---|---|---|---|---|
|
de acizi nucleici | Tipuri||||
---|---|---|---|---|
Baze azotate | ||||
Nucleozide | ||||
Nucleotide | ||||
ARN | ||||
ADN | ||||
Analogii | ||||
Tipuri de vectori |
| |||
|
Genetica | ||
---|---|---|
Concepte cheie | ||
Domeniile geneticii | ||
modele | ||
subiecte asemănătoare |