Acizi Nucleici

STRUCTURA ACIZILOR NUCLEICI Acizii nucleici erau considerati de două tipuri: acizi timonucleici (acizi nucleici animali) acizi zimonucleici (acizi nucleici vegetali). Ulterior denumirile lor au fost înlocuite cu denumirile de: acizi dezoxiribonucleici (ADN) acizi ribonucleici (ARN).

Secvente: oligonucleotidice polinucleotidice ( acizii nucleici) Unitatea de structura a acizilor nucleici este NUCLEOTIDUL alcatuit din : baza azotata pentoza ( zahar, glucid) radical fosfat.

Bazele azotate - purinice : adenina(A),6-amino purina si guanina(G),2-amino-6-oxipurina - pirimidinice : citozina(C), timina(T) si uracilul(U)

Bazele azotate prezintă fenomenul de tautomerie

Zaharul este o pentoza, în formă furanozică, cu 5 atomi de C. Radicalul fosfat(P) formeaza legaturi esterice cu pentozele. 5’ 5’ 4’ 1’ 3’ 2’ lipseşte 2’-OH

NUCLEOZIDUL SE LEAGA PRIN C5 AL DEZOXIRIBOZEI DE ACIDUL FOSFORIC

Legătură β-N-glicozidică

În stare liberă se găsesc şi formele di- şi trifosfat ale acestor nucleotide: ADP – adenozin-difosfat, GDP, CDP, UDP, ATP, GTP, CTP, UTP, respectiv dADP, dGDP, dCDP, dTDP, dATP, dGTP, dCTP, dTTP.

Baza Nucleotid Adenozina (A) Nucleozidul Adenina (A) Adenozin monofosfat (AMP) sau adenilat Adenozin difosfat (ADP) Adenozin trifosfat (ATP)

Terminologie Ribonucleozide/Ribonucleotide (cînd pentoza = riboză) Baza Nucleozidul Nucleotidul Adenina (A) Adenozina (A) Adenozin monofosfat (AMP) Adenozin difosfat (ADP) Adenozin trifosfat (ATP) Guanina (G) Guanozina (G) Guanozin monofosfat (GMP) Guanozin difosfat (GDP) Guanozin trifosfat (GTP) Citozina (C) Citidina (C) Citidin monofosfat (CMP) Citidin difosfat (CDP) Citidin trifosfat (CTP) Uracil (U) Uridina (U) Uridin monofosfat (UMP) Uridin difosfat (UDP) Uridin trifosfat (UTP)

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

Terminologie Dezoxiribo-nucleozide/nucleotide (cînd pentoza = dezoxiriboză) Baza Nucleozidul Nucleotidul Adenina (A) Dezoxiadenozina (A) Dezoxiadenozin monofosfat (dAMP) Dezoxiadenozin difosfat (dADP) Dezoxiadenozin trifosfat (dATP) Guanina (G) Dezoxiguanozina (G) Dezoxiguanozin monofosfat (dGMP) Dezoxiguanozin difosfat (dGDP) Dezoxiguanozin trifosfat (dGTP) Citozina (C) Dezoxicitidina (C) Dezoxicitidin monofosfat (dCMP) Dezoxicitidin difosfat (dCDP) Dezoxicitidin trifosfat (dCTP) Timina (T) Dezoxitimidina (T) Dezoxitimidin monofosfat (dTMP) Dezoxitimidin difosfat (dTDP) Dezoxitimidin trifosfat (dTTP)

Reprezentarea simplificată a catenei de ADN Prin convenţie o catenă de ADN se scrie în direcţia 5’- 3’. ex. GCT înseamnă 5’GCT 3’

Structura primara ADN Lantul unei catene de ADN este format prin insiruirea celor 4 tipuri de nucleotide care se unesc intre ele cu ajutorul acidului fosforic.

[P – 5dR - N]n STRUCTURA PRIMARĂ U.M.F IAŞI STRUCTURA PRIMARĂ ADN este un macro-polimer de dezoxiribonucleotide; [P – 5dR - N]n Grup fosfat (ac.ortofosforic) Bază azotată: Pur – A, G Pir – T, C Pentoză D-2-dezoxiriboza

Se formează o catenă (lanţ): - continuă, - lineară (neramificată!) U.M.F IAŞI Polimerizarea nucleotidelor: legături covalente (puternice) fosfodiesterice Se formează o catenă (lanţ): - continuă, - lineară (neramificată!) o parte "constantă" (ax) → fosfo-glucidică şi o parte “variabilă” → bazele azotate

A-T-G-C-A-T-G-C-A-T-G-C-A. Periodiocitate celor 4 nucleotide, adica o ordonare regulata: A-T-G-C-A-T-G-C-A-T-G-C-A. Chargaff a demonstra prin metode fizico-chimice ordinea aperiodica a nucleotidelor din monocatena de AND : .. A-T-T-A-G-C-G-A-T-C-C-A-C-A-T…. Informaţia genetică codificată = secvenţa (ordinea) nucleotidelor → determină ordinea aminoacizilor în proteine. 5'- ATGCCTAGATCA - 3' aa1- aa2-aa3- aa4 “alfabet nucleic” = patru "litere": A, T, G, C "cuvinte" de trei litere = triplet sau codon → aminoacid ATG → Met asamblate într-o "frază" = o genă = unitatea de informaţie genetică; secvenţa nucleotide → secvenţa AA în proteină. ATG TGT AAA CCA Met cis lys pro

Structura secundara ADN Bazele azotate se leaga complementar : A-T si G-C (formand un cuplu sau o pereche de baze pb). Analizele chimice ale ADN au dus la stabilirea regulii lui Chargaff (1951) conform careia : A+G=T+C A/T si G/C =1 si A+T/G+C este diferit de 1 si caracteristic fiecarei specii (la om e de 1,7)

Intotdeauna adenina se leaga de timina prin 2 legaturi de hidrogen si guanina se leaga de citozina prin 3 legaturi de hidrogen.

Forma clasica de ADN descrisa de Watson si Crick reprezinta tipul B Forma clasica de ADN descrisa de Watson si Crick reprezinta tipul B. Cele două catene se răsucesc de la stanga la dreapta deci sunt elice drepte. AND de tip B Diametrul este de 20 A, pasul elicei (distanta pentru o rotatie completa de 360) este de 34 A si cuprinde o spira cu 10 perechi de nucleotide. Deci distanta dintre 2 nucleotide este de 3,4 A.

In configuratia ei spatiala, molecula de ADN prezinta doua santuri laterale (incizuri) : unul mai mic si altul mai mare, cu rol in recunoasterea si fixarea histonelor pe ADN la nivelul santului mic sau a moleculelor proteice reglatoare la nivelul santului mare.

TIPURI DE ADN Tipul A – caracterizat printr-un helix larg, prezinta bazele azotate orientate puternic spre interior. Duplexurile hibride ADN-ARN apartin structural formei A. Tipul B – reprezinta structura generala a macromoleculei de ADN in celulele active metabolic. Tipul Z, singurul cu rasucire la stanga, este in contrast cu forma clasica, respectiv tipul B. ADN – A ADN – B ADN – Z

Caracteristicile moleculare ale diferitelor tipuri de ADN Tipul de ADN Perechi de baze/ pas elice Rotatia pe perechi baze Cresterea verticala pe perechi baze (Å) Diametrul moleculei (Å) A 11 + 34,7 2,56 23 B 10 + 34,0 3,38 20 Z 12 - 30,0 5,71 18 + = rotatie stanga; - = rotatie dreapta

TIPURI DE ARN Exista 3 tipuri importante de ARN: ARN mesager (ARNm) ARN de transfer (ARNt) ARN ribozomal (ARNr).

ARN MESAGER-ARNm -reprezinta sub 5% din ARN celular, este monocatenar, spiralat este heterogen, cu masa moleculara mica -are 150-12000 nucleotide - transcris in prezenta ARN polimerazei sub forma de ARN m precursor care prin maturare trece in ARNm matur. -poarta informatia genetica ce va specifica sinteza unui lant polipeptidic ARNm aduce la nivelul ribozomilor mesajul genetic copiat din ADN, mesaj care va fi folosit la sinteza unei proteine specifice.

ARN RIBOZOMAL-ARNr 80-85% din ARN celular are zone monocatenare alternand cu zone dublu catenare este constituentul major al subunităţilor ribozomale, în care are rol atât structural, cât şi funcţional catalitic (catalizează reacţii din procesul de sinteză a proteinelor care se realizează la nivelul ribozomului) masa moleculara mare: 106 - 104 daltoni,

ARNt de transfer - 8-10% din totalul ARN, este scurt: 70 - 90 nucleotide - fixeaza un aminoacid specific si apoi amplaseaza acest aminoacid in polipeptid folosind informatia din ARNm - modelul structurii spatiale de “ frunza de trifoi” transfera aminoacidul specific pe lantul polipeptidic la situsul ribozomal al sintezei proteice - are 2 situsuri : 1. o extremitate se termina cu secventa CCA- unde se va fixa aminoacidul specific; 2. a doua polaritate este bucla centrala cu o secventa de 3 nucleotide (ANTICODON), complementara codonului de pe ARNm . -

ARN t : - bucla 1 prezinta o secventa specifica cu rol de situs pt fixarea temporara a ARNt la ribozom in timpul sintezei proteice - bucla 4 (bucla dihidrouracilului) - bucla 3 ( bucla anticodonului) prezinta o tripleta de nucleotide (3-5) care recunoaste codonul din ARNm (5-3) cu care formeaza leg de H in timpul fixarii ARNt pe complexul ARNm-ribozom.

FUNCTIILE ACIZILOR NUCLEICI ADN autocatalitica (autoreplicare)-conserva informatia genetica; heterocatalitica-datorita structurii primare aperiodice transcrie informatia genetica in ARN- proteine-caracter. variabilitate- asigura posibilitatea de recombinare sau de mutatie a ADN ARN ARNm-in transcriptie ARNr-cupleaza ribozomii in procesul de translatie. ARNt-transporta aminoacizii la locul sintezei proteice.

Funcţia heterocatalitică a ADN ARN Proteine ADN Informaţia genetică ARN-m Informaţia genetică Proteine

Funcţia autocatalitică a ADN autoreplicare semiconservativa Ca urmare a sintezei ADN-ului, prin diviziunea celulara informatia genetica (parentala) se conserva si apoi se transmite (in mare parte nemodificata) celulelor fiice

Schematic, dubla spirală a ADN se separă în cele două catene componente formând o structură în formă de Y numită “furcă de replicare”.

G G C G C C G C AATATTAATATTTATAA C C G G C G C C ‌ ‌||| ||| ||| ||| ||| ||| ||| ||| || || || || || || || || || || || || || || || || || ||| ||| ||| ||| ||| ||| ||| ||| C C G C G G C G TTATAATTATAAATATT G G C C G C G G Replicarea ADN la eucariote debuteză în mai multe puncte de origine, ce corespund unor mici unităţi de replicare numite repliconi.

Replicarea progresează bidirecţional pentru fiecare replicon şi, după ce se termină, repliconii fuzionează treptat până ce întreagul AND este duplicat.

REPLISOM : HELICAZE GIRAZE (topoizomeraze) Proteinele de replicare A (RPA) numite şi proteine SSB (de la single-strand binding proteins) PRIMAZE POLIMERAZE LIGAZE

La nivelul originii replicării se ataşează o enzimă şi desface dublul helix separând cele două monocatene . Această enzimă este helicaza.

Topoizomerazele relaxează dublul helix permiţând helicazei să avanseze Topoizomerazele relaxează dublul helix permiţând helicazei să avanseze. Topoizomeraza taie una dintre catene unul dintre capete se răsuceşte de câteva ori în jurul catenei, tensiunea acumulată în dublul helix ADN ca urmare a avansării helicazei este anulată; ulterior, topoizomeraza reuneşte covalent cele două capete libere, refăcând continuitatea catenei. În absenţa topoizomerazei, la un moment dat, prin intervenţia helicazei, dublul helix ar deveni supratensionat, iar helicaza nu ar mai putea să avanseze.

Proteine SSB (de la single-strand binding proteins) împiedică reîmperecherea bazelor.

Sub acţiunea primazei se sintetizează amorse scurte = primeri..

ADN polimerazele prezinta două caracteristici generale: toate ADN polimerazele sintetizează ADN numai în direcţia 5’→3 “nu ştiu” să înceapă sinteza unei catene ci numai să o alungească, adăugând un nucleotid la extremitatea 3’OH

Sinteza nu poate fi sincrona pe ambele catene deoarece acestea sunt antiparalele, iar ADN polimeraza III lucreaza numai in directia 5’ -3’ Sinteza ADN se face diferit pe cele 2 catene : pe catena CONDUCATOARE se face direct, in sensul de actiune a ADN polimerazei-5’-3’ pe catena DECALATA se face pe segmente scurte – fragmente OKAZAKI in prezenta primerului.

3’ 5’ Primerul primului fragment Okazaki Primerul celui de-al doilea fragment Okazaki 3’ 5’ Primul fragment Okazaki Al doilea fragment Okazaki Al treilea fragment Okazaki Fragment deoxiribonucleotidic sintetizat de ADN-polimeraza I în locul primerului excizat 3’ 5’ 5’ 3’ 5’ 3’ ADN-ligaza – realizează legătura covalentă între capătul 3’-OH al fragmentului de ADN sintetizat de polimeraza I şi capătul 5’-fosfat al fragmentului Okazaki precedent, stabilind astfel continuitatea covalentă a catenei replică.

Replicarea se încheie prin fuzionarea tuturor ochiurilor de replicare şi prin desprinderea enzimelor de pe moleculele-fiice de ADN rezultate.

ETAPELE REPLICARII ADN Desfacerea ( derularea ) helixului in prezenta ADN helicazei SSB- proteinele nu permit monocatenelor sa se apropie Replicarea incepe simultan pe ambele catene in directia 5’-3’: - pe catena conducatoare este continua in prezenta ADN polimerazei. - pe catena decalata sinteza se face discontinuu in prezenta ADN polimerazei + primaza +primer  fragmentele Okazaki (unite prin ligaze, dupa indepartarea si inlocuirea primer-ului cu ADN) Cele 2 molecule nou formate se rasucesc

Modele care explica replicarea ADN: 1) Modelul dispersiv – la finalul replicării toate cele 4 catene ADN reprezintă un amestec, un mozaic de ADN nou şi ADN vechi. 2) Modelul conservativ – molecula parentală, după replicare, se reasamblează, iar cele 2 catene replică se asamblează între ele, formând o moleculă fiică de ADN cu totul nouă. (molecula parentală se conservă). 3) Modelul semiconservativ –fiecare din cele 2 molecule fiice va conţine o catenă veche (provenită din molecula parentală) şi o catenă nou sintetizată, deci molecula parentală se păstrează sau conservă pe jumătate („semi”) în fiecare din cele două molecule fiice rezultate.

DOVEZI ale replicarii semiconservative a ADN EXPERIMENTUL MESELSOHN si STAHL

Denaturarea şi hibridizarea ADN U.M.F IAŞI Denaturarea şi hibridizarea ADN În condiţii experimentale (tratare termică sau chimică) → ruperea (desfacerea) legăturilor de hidrogen = denaturare→ monocatene *. monocatenele de ADN răcite lent se pot reasocia pe baza complementarităţii = renaturare sau hibridizare. răcire bruscă – monocatene separate

DENATURAREA ŞI HIBRIDIZAREA ADN U.M.F IAŞI DENATURAREA ŞI HIBRIDIZAREA ADN Monocatenele ADN separate se pot uni, pe bază de complementaritate, cu alte monocatene de ADN sau ARN – formând hibrizi moleculari; HM folosiţi în diagnostic şi tratament: hibridizare între o monocatenă de ADN nativ şi o "sondă“ de ADN (secvenţă de ADN obţinută artificial) ce corespunde unei gene, marcată fluorescent: hibridizarea sondei → prezenţa semnalului → prezenţa genei; absenţa semnal = deleţia genei del