Biochimie - Capitolul 5 - PDF

5. ACIZI NUCLEICI 5.1. Caracteristici generale Acizii nucleici sunt biomolecule de importanţă biologică fundamentală. Acizii nucleici codifică informaţia genetică şi datorită lor, această informaţie se transmite. Prin participarea nemijlocită a acizilor nuc...

5. ACIZI NUCLEICI 5.1. Caracteristici generale Acizii nucleici sunt biomolecule de importanţă biologică fundamentală. Acizii nucleici codifică informaţia genetică şi datorită lor, această informaţie se transmite. Prin participarea nemijlocită a acizilor nucleici se realizează sinteza tuturor proteinelor, în consecinţă şi a enzimelor existente în celula vie. Totodată, multe nucleotide – elemente structurale ale acizilor nucleici – au un rol important în metabolismul substanţelor şi energetic, îndeplinind funcţii coenzimatice. Acizii nucleici se pot împărţi în două clase: ribonucleici (ARN) care conţin riboză şi dezoxiribonucleici (ADN), în compoziţia cărora intră dezoxiriboza. Ambele tipuri reprezintă polimeri liniari ai nucleotidelor care se formează cu ajutorul legăturilor esterfosforice între 5’– fosfatul unui nucleotid şi grupa 3’-hidroxilică a pentozei nucleotidului vecin. 5.2. Componenţii acizilor nucleici Molecula unui acid nucleic reprezintă un polinucleotid alcătuit dintr-un număr mare de mononucleotide. Mononucleotidele, la rândul lor, sunt constituite din trei componente: o bază azotată (purinică sau pirimidinincă) legată de un glucid (riboză sau dezoxiriboză) şi fosfat care esterifică glucidul la atomii C-2’, C-3’ sau C-5’. Esterificarea la C-5’ este cea mai răspândită. 5.2.1. Baze azotate Bazele azotate care intră în constituţia acizilor nucleici sunt de natură purinică şi pirimidinică. Cele mai importante baze purinice sunt adenina (A) şi guanina (G) – derivaţi ai heterociclului purina. 1  Bazele azotate pirimidinice conţinute în acizi nucleici sunt citozină (C), uracil (U) şi timină (T) – care reprezintă derivaţi de la heterociclul pirimidină: NH2 O N1 6 5 N HN CH3 2 3 4 N O N O N H H Citozina (C) Timina (T) Pirimidina (2-oxi-6-aminopirimidina) (2,6-dioxi-5-metilpirimidina) 5.2.2. Nucleozide Combinarea unei baze azotate purinice sau pirimidinice cu o pentoză conduce la un nucleozid (prin analogie cu glicozidele). Adenina legată cu riboza se numeşte adenozină, guaninribonucleozidul – guanozină şi respectiv ribonucleozidele pirimidinice, citidină şi uridină. Nucleozide analoge se formează şi cu dezoxiriboza: adenindezoxiribonucleozid (sau dezoxiadenozină), dezoxicitidină etc.. Trebuie subliniat că dezoxiribonucleozidul timinei, care se găseşte cu precădere în ADN se numeşte timidină şi nu dezoxitimidină. 5.2.3. Nucleotide Prin esterificarea nucleozidelor cu o moleculă de acid fosforic se obţin substanţe mai complexe care poartă denumirea de nucleotide şi care joacă un rol extrem de important în metabolismul celular. Importanţa deosebită a nucleotidelor constă nu numai în faptul că din ele sunt construite moleculele gigant ale acizilor nucleici, ci şi aceea că ele intră în structura unor enzime, iar unele din ele sunt compuşi în care se acumulează energie necesară pentru desfăşurarea proceselor vitale. Nucleotidele ce intră în constituţia acizilor nucleici: 2  Nucleotide difosfat şi trifosfat. Acidul adenilic poate lega la restul său de fosfat încă una sau două resturi de acid fosforic cu formarea adenozindifosfatului (ADP) sau adenozintrifosfatului (ATP). În molecula de adenozintrifosfat, trei resturi de acid fosforic se leagă succesiv una de alta, în următoarea structură: NH2 legături macroergice N N Adenina N N OH OH OH HO P ~ O P~ O P O CH2 O O O O H H Riboza legătură esterică H H normală OH OH Adenozina Adenozinmonofosfat (AMP) Adenozindifosfat (ADP) Adenozintrifosfat (ATP) Se observă că ADP şi ATP sunt compuşi ce conţin legături macroergice, adică posedă o cantitate mare de energie pe care o eliberează la descompunerea lor hidrolitică. Prin hidroliza unei legături esterice obişnuite se formează aproape 2-3 kcal, iar prin hidroliza unei legături macroergice din ATP - aproximativ 7 kcal. Această eliberare de energie are loc prin defosforilarea ATP-ului cu formare de ADP sau AMP, iar energia produsă este utilizată în celule pentru diferite procese de sinteză sau alte scopuri. La rândul său, ADP se fosforilează în ATP pe seama energiei care se eliberează prin oxidarea compuşilor organici. În celulele organismelor are loc permanent procesul de defosforilare a ATP şi de fosforilare a ADP sau AMP. Reacţia: ATP ↔ ADP + Pi reprezintă baza bioenergeticii şi reflectă dinamica fluxului de energie în cadrul celulei; prin această reacţie se asigură transferul energiei chimice utilizată în metabolismul celular al tuturor organismelor. Energetica sistemului ATP ↔ ADP + Pi implică două aspecte fundamentale şi anume: - conservarea energiei chimice rezultată din metabolizarea alimentelor: ADP + Pi →ATP - eliberarea şi utilizarea energiei stocate: 3  ATP → ADP + Pi Analog cu ADP şi ATP, sunt alcătuite uridindifosfatul (UDP) şi uridintrifosfatul (UTP) care sunt necesari pentru activitatea unor enzime ce catalizează transformarea şi sinteza multor zaharuri (glucoză, fructoză, galactoză, zaharoză, amidon, celuloză). Compuşii macroergici ai acidului citidilic sunt citidindifosfatul (CDP) şi citidintrifosfatul (CTP). Ultimul intră în constituţia enzimelor ce iau parte la sinteza fosfatidelor. Ca rezultat al legării unui rest de acid fosforic la acidul guanilic, se formează guanozindifosfat (GDP), iar dacă la acesta se mai leagă încă un rest de ortofosfat se obţine guanozintrifosfat (GTP). Toţi aceşti compuşi, joacă în organism un rol deosebit de important în metabolismul substanţelor şi în special, în biosinteza lipidelor şi glucidelor. Un rol esenţial în procesele metabolice îl au, de asemenea, şi alte nucleotide şi derivaţii lor. Nicotinamidadenindinucleotidul (NAD+) şi nicotinamidadenindinucleotid fosfatul (NADP+), flavinmononucleotidul (FMN) şi flavinadenindinucleotidul (FAD) sunt transportori de hidrogen în reacţiile de oxidoreducere. Coenzima A (CoA), alcătuită după principiul nucleotidelor, joacă un rol important în procesele de activare a transferului şi metabolismului acizilor graşi. 5.3. Structura acizilor nucleici 5.3.1. Structura primară Acizii nucleici sunt polimeri ai nucleotidelor. Indiferent de tipul de care aparţin (ARN sau ADN), molecula lor este constituită din lungi lanţuri polinucleotidice, în care resturile de acid fosforic formează legături diesterice cu câte două molecule de pentoză la atomul C-3’ din una şi C-5’ din cealaltă. Astfel iau naştere catene lungi în care resturile de acid fosforic alternează cu resturi pentozice la care, la atomii C-1’ sunt legate baze azotate. Acest schelet este comun tuturor acizilor nucleici, cu deosebire că în ADN pentoza este dezoxiriboza, iar în ARN - riboza şi a faptului că ADN conţine adenină, guanină, citozină şi timină, iar în ARN sunt prezente adenina, guanina, citozina şi uracilul. Toate aceste legături simple, covalente, alcătuiesc structura primară a acizilor nucleici, adică compoziţia şi secvenţa resturilor de nucleotide în lanţul polinucleotidic al acizilor nucleici. Cu alte cuvinte, nivelul primar de organizare structurală a ADN şi ARN indică natura, proporţia şi secvenţa bazelor azotate ale nucleotidelor care constituie macromolecula lor. 4  5.3.2. Structura secundară Alături de legăturile simple, covalente, în moleculele acizilor nucleici există legături de hidrogen care joacă un rol important în conformaţia lor spaţială. Structura secundară a fost propusă iniţial pentru ADN de către Watson şi Crick în 1953, iar mai târziu (1963) şi pentru ARN. La baza organizării acestei structuri secundare stau următoarele reguli stabilite pe baza datelor experimentale privind compoziţia chimică a ADN: Macromolecula de ADN este alcătuită din două lanţuri polinucleotidice antiparalele sub formă de spiră, răsucite unul cu altul. Fiecare lanţ reprezintă în sine un polinucleotid în care o legătură diesterică leagă mononucleotidele una cu alta. În lanţ, mononucleotidele sunt astfel dispuse încât bazele azotate se găsesc în interior, iar pentoza şi acidul fosforic în afară. Cele două lanţuri paralele sunt înfăşurate în jurul unei axe comune şi sunt legate unul de altul prin bazele lor azotate de-a lungul întregii molecule de ADN, cu ajutorul legăturilor de hidrogen care menţin şi stabilizează o arhitectură spaţială. Se formează legături de hidrogen şi cu participarea grupelor –NH existente în structura bazelor azotate din cele doua lanțuri diferite. Ca urmare, adenina unui lanţ polinucleotidic se va uni întotdeauna prin două legături de hidrogen cu timina celuilalt lanţ (A===T) iar guanina va forma întotdeauna trei legături de hidrogen cu citozina (GC). Aceasta însemnă că succesiunea distribuţiei (secvenţa) bazelor azotate în unul din cele două lanţuri poate fi oricare, dar succesiunea distribuţiei bazelor azotate în celălalt lanţ trebuie să se găsească în strânsă legătură cu succesiunea lor în primul lanţ. Perechile adenină- timină şi guanină-citozină sunt complementare una faţă de cealaltă. Ca urmare, macromolecula de ADN este constituită din două lanţuri complementare între ele, adică este vorba de o deplină reflectare a secvenţei nucleotidelor unui lanţ în secvenţa celuilalt. Spre deosebire de ADN, majoritatea tipurilor de ARN au o structură monocatenară (fac excepţie ARN al unor microorganisme şi virusuri), însă împerecherea bazelor azotate poate avea loc şi în acest caz. Firul de ARN se înfăşoară singur, formând legături de hidrogen între adenină - uracil şi guanină - citozină. Molecula de ARN este capabilă să-şi modifice reversibil forma, dimensiunea, numărul legăturilor de hidrogen în funcţie de puterea ionică, pH-ul, temperatura soluţiei etc.. 5  5.4. Proprietăţile, localizarea şi funcţiile acizilor nucleici Structura acizilor nucleici determină proprietăţile lor fizico-chimice şi funcţionale. Acizii nucleici sunt substanţe de culoare albă, cu aspect filiform, care se dizolvă greu în apă când sunt în stare liberă dar bine – atunci când sunt sub formă de săruri cu metale alcaline. De asemenea, se dizolvă în soluţii de săruri: ARN - în diluate, iar ADN - în mult mai concentrate. ARN nu este stabil în mediu alcalin. Masa moleculară a ADN variază de la 5∙105 până la 2∙107 şi mai mult, iar molecula sa este alcătuită din mii de mononucleotide. Masa moleculară a ARN este cuprinsă între 3∙104 până la 2∙106, iar mononucleotidele dintr-o moleculă sunt până la 4-6 mii. Soluţiile acizilor nucleici posedă o mare viscozitate. Având un număr mare de sarcini negative, moleculele lor se deplasează în câmpul electric. O caracteristică a acizilor nucleici o constituie capacitatea lor de a absorbi lumina în zona radiaţiilor ultraviolete la 260 nm. Preparatele de ADN izolate din diferite organisme se caracterizează printr-un raport cantitativ diferit între bazele azotate purinice şi pirimidinice. Compoziţia nucleotidică a ADN este caracteristică pentru un anumit organism, pentru o anumită specie biologică. Altfel vorbind, ADN are o specificitate de specie. Pe aceste proprietăţi ale acizilor nucleici au fost elaborate principiile genosistemicii organismelor vii. În diferite celule şi ţesuturi ale unuia şi aceluiaşi organism, ADN are o compoziţie nucleotidică identică sau într-o mare măsură foarte apropiată care nu este influenţată nici de factorii fiziologici, nici de condiţiile de mediu. Totuşi, la unele organisme conţinutul diferitelor baze ce intră în ADN variază în condiţii largi. Indicele de variabilitate pentru o anumită specie se exprimă prin raportul: care a primit denumirea de coeficient de specificitate al acizilor nucleici. În limitele fiecărui tip de ADN există o infinitate de posibilităţi de variaţie a gradului de predominare a uneia sau alteia din perechile de baze azotate (A + T şi G + C). Aceasta creează posibilitatea existenţei unei mari diversităţi a ADN în lumea organismelor vii. Compoziţia nucleotidică a ARN variază cu mult mai puţin decât cea a ADN. Specificitatea de specie a ARN constă în diferita succesiune de distribuţie a nucleotidelor în moleculele sale. ADN şi ARN sunt localizaţi în diferite organite celulare. ADN se găseşte preponderent în nucleul celular (în compoziţia cromozomilor), însă un mic procent din cantitatea totală de ADN din celulă este concentrat în mitocondrii şi cloroplastele vegetalelor. ARN se găseşte atât 6 în nucleu cât şi în citoplasmă; deosebit de bogaţi în ARN sunt nucleolul şi fracţiunea ribozomală a microzomilor. În afară de aceasta, ARN se găseşte în cromozomi şi sub formă solubilă în lichidul citoplasmatic Particularităţile funcţionale ale ADN şi ARN sunt strâns legate de localizarea lor. ADN reprezintă materialul de bază al genelor în care sub o formă codificată, se păstrează informaţia genetică a organismului care se traduce prin biosinteza proteinelor. Dubla elice şi complementaritatea structurii bicatenare constituie baza moleculară a fenomenului de autoduplicare sau autoreplicare a ADN în momentul diviziunii celulare şi explică faptul că ADN, prin structura sa, reprezintă unicul substrat al eredităţii. Prin mecanismul de replicare se asigură constanţa conservării şi transmiterii caracterelor ereditare, deoarece cele două molecule fiice ale ADN nou sintetizate sunt perfect identice cu molecula mamă de ADN. În felul acesta se asigură perpetuarea celulei prin procesul ADN→ ADN. ADN conţine o vastă cantitate de informaţii şi constituie baza moleculară a conservării şi transmiterii din generaţie în generaţie a informaţiei genetice. ARN are o altă funcţie: de a informa citoplasma asupra caracteristicilor înscrise în codul genetic. Acest lucru se manifestă, înainte de toate, în responsabilitatea ARN în sinteza proteinelor şi specificitatea moleculelor ce se sintetizează. În celulă există trei specii moleculare distincte de ARN: mesager (m-ARN) sau informaţional, ribozomal (r-ARN) şi de transfer (t- ARN). Aceste trei tipuri de ARN rezultă prin copierea integrală sau parţială a secvenţei ADN, pe baza unui mecanism molecular denumit transcripţie şi participă la procesul de biosinteză a proteinelor, având fiecare o funcţie specifică. ARN mesager reprezintă 5-10% din ARN celular. Este prezent în nucleu (unde se sintetizează) şi în citoplasmă. Reprezintă o moleculă monocatenară şi conţine patru baze azotate: adenină, guanină, citozină şi uracil a căror secvenţă este similară cu cea a uneia din cele două catene ale ADN. Sinteza m-ARN are loc în nucleul celular şi se efectuează printr-un proces enzimatic de transcriere a secvenţei nucleotidice de pe ADN, cu deosebire că timina din ADN este înlocuită cu uracil în m-ARN. Procesul de sinteză a m-ARN poartă denumirea de transcripţie; prin acest proces, informaţia genetică codificată în secvenţa de nucleotide a ADN este transcrisă în secvenţa de nucleotide a m-ARN prin participarea enzimei ARN-polimeraza ADN-dependentă. După terminarea transcripţiei, m-ARN trece la ribozomi unde serveşte cu matrice (tipar) pentru sinteza proteinelor; fiecare proteină sintetizată de celulă este codificată de un m-ARN specific care transmite la nivelul ribozomilor „mesajul” preluat de la ADN. Acest mesaj se traduce în secvenţa aminoacizilor din structura proteinelor sintetizate. 7  Transmiterea informaţiei genetice se reprezintă prescurtat sub forma următoare, numită „dogma centrală a biologiei moleculare”: transcriptie translatie autoreplicare ADN ARN proteine ARN de transfer reprezintă 10 – 15% din ARN total al celulei, intră în constituţia citoplasmei unde se găseşte în stare solubilă şi neasociat cu proteinele. t-ARN conţine 75-90 mononucleotide şi prezintă o structură monocatenară de tip ordonat cu conformaţie pliată. Funcţia t-ARN constă în transportul din citoplasmă în ribozomi a aminoacizilor ce intră în constituţia unei anumite proteine: prin aceasta t-ARN îndeplineşte rol de „adaptor” molecular, care ordonează fiecare aminoacid într-o secvenţă precisă în lanţul polipeptidic, pe baza recunoaşterii mesajului genetic conţinut în m-ARN ataşat la ribozomi şi provenit de la ADN. Pentru fiecare aminoacid există un t-ARN specific. ARN ribozomal se găseşte în constituţia ribozomilor (până la 65% din masa lor) – organite unde are loc sinteza proteinelor. Acest tip de ARN reprezintă 75 – 80% din totalul ARN celular. În general, r-ARN reprezintă molecule monocatenare liniare, dar se pot prezenta şi într- o formă elicoidală care rezultă dintr-o retrospiralare a aceleiaşi catene polinucleotidice. Această spiralare apare numai în regiuni limitate şi anume acolo unde este posibilă stabilirea de legături de hidrogen între bazele azotate ale aceleiaşi catene. r-ARN îndeplineşte un rol structural: în combinaţie cu proteinele corespunzătoare formează structura ribozomilor. Material preluat din: Segal R. 2006. Biochimia produselor alimentare, Editura Academica, Galaţi (pag. 130-145) 8