ACIZI NUCLEICI (Bazele azotate, Nucleozidele, Nucleotidele)

ACIZI NUCLEICI

1. Generalitati

2. Compozitia

- Bazele azotate

- Pentozele

- Acidul fosforic

- Nucleozidele

- Nucleotidele

3. Structura

4. Localizare celulara si rol

1. Generalitati

Acizii nucleici sunt biomolecule de tip lant care au functia de a depozita si transfera informatia genetica. Ei sunt componente majore in toate celulele, reprezentand 5-15% din masa uscata a acestora.

Alaturi de proteine, ei reprezinta cei mai importanti biopolimeri care intra in alcatuirea celulei vii. Elementele structurale de baza ale acizilor nucleici sunt nucleotidele. Asa cum aminoacizii sunt elementele constitutive, unitatile monomere ale polipeptidelor, nucleotidele sunt unitatile monomere ale acizilor nucleici. Ducand mai departe analogia dintre proteine si acizii nucleici se poate spune ca asa cum un anumit tip de molecule proteice se deosebeste de altul prin secventa catenelor secundare si a radicalilor R caracteristici aminoacizilor, tot asa fiecare tip de acid nucleic se caracterizeaza prin secventa bazelor heterociclice ale nucleotidelor sale monomere.

Pe langa rolul fundamental de codificare si transmitere a informatiei genetice acizii nucleici au rolul de a participa la sinteza tuturor proteinelor respectiv a tuturor componentelor celulei vii care au compozitie proteica.

Nucleotidele sunt unitatile structurale ale acizilor nucleici cu rol in metabolismul intermediar, indeplinind functii coenzimatice.

Acizii nucleici sunt compusi macromoleculari cu masa foarte mare zeci de mii pana la milioane de a.m.u. si contin 15% azot si 10% fosfor.

Acizii nucleici se impart in doua clase:

- acizi dezoxiribonucleici ADN (DNA)

- acizi ribonucleici ARN (RNA)

Faptul ca DNA a fost izolat initial din nucleii celulari a determinat nomenclatura acestora, insa cercetarile ulterioare au demonstrat prezenta acizilor nucleici si in alte componente celulare (mitocondrii, cloroplaste).

Acizii nucleici se gasesc in organisme inferioare, procariote (bacterii, virusi) sau inclusi in componente nucleoproteice la organismele superioare, eucariote.

Acizii nucleici sunt substante solide, incolore sau slab colorate in galben, greu solubile in apa, solubile in solutii bazice; sunt substante puternic acide, cu sarcina electrica negativa foarte mare.

2. Compozitia

Mononucleotidele reprezinta unitatea de baza a acizilor nucleici si sunt alcatuite din trei componente principale:

- o baza azotata - purinica sau purinidinica;

- o componenta glucidica - pentoza;

- radical fosfat.

Bazele azotate

Confera acizilor nucleici individualitate chimica.

Bazele azotate care intra in structura nucleotidelor sunt de natura purinica si pirimidinica.

Bazele purinice deriva de la purina sI sunt adenina si guanina:

adenina guanina

Acestea intra in constitutia ADN si ARN.

Adenina se gaseste in constitutia unor nucleotide sau in stare libera in ceai, cafea, tutun; guanina se gaseste in constitutia tuturor acizilor nucleici si in stare libera in guano al pasarilor de mare.

Bazele pirimidinice

Acestea deriva de la pirimidina sI sunt citozina, uracilul, timina:

citozina uracilul timina

In RNA se gasesc citozina si uracilul, iar in DNA citozina si timina.

Prin analiza de difractie a razelor X s-a putut stabili precis structura tridimensionala a bazelor azotate. Pirimidinele sunt molecule plane, iar purinele se abat usor de la planitate.

Bazele pirimidinice si purinice libere sunt aproape insolubile in apa si prezinta spectre de absorbtie la 250-280 nm(UV) datorita dublelor legaturi conjugate. Aceasta proprietate prezinta importanta pentru detectarea si analiza cantitativa a bazelor libere precum si a acizilor nucleici si nucleotidelor. Bazele purinice si pirimidinice se pot separa prin metode cromatografice sau electroforetice; ele formeaza precipitate cu sarurile de argint, cupru, magneziu, cu acidul picric sau fosfowolframic.

Bazele azotate au caracter slab bazic si cele continand oxigen se gasesc in mai multe forme tautomere in functie de pH: o forma cetonica si o forma enolica.

Esentiale pentru functia biologica a bazelor azotate sunt dimensiunile acestora, secventa lor in nucleotide si capacitatea de a forma legaturi de hidrogen.

Legaturile de hidrogen se formeaza intre gruparile - NH₂ din adenina, guanina, citozina, gruparile -NH- din pozitia 1 a adeninei si guaninei sau pozitia 3 din ciclul pirimidinic (timina, citozina) si respectiv atomii de oxigen din pozitia 2 a citozinei, 4 a timinei, uracilului si 6 a guaninei, contribuind la stabilitatea moleculeui de ADN.

Pentozele

Pentozele care intra in constitutia acizilor nucleici sunt: D riboza si D dezoxiriboza, ambele avand configuratii furanozice.

Pentozele sunt larg raspandite in regnul vegetal, mai putin in stare libera, mai mult sub forma de poliglucide, glicozide, esteri. Au rol in constitutia peretilor celulari si a acizilor nucleici, intra in structura unor coenzime si vitamine. In stare libera se gasesc in forma piranozica, iar in acizii nucleici in stare furanozica

Riboza si dezoxiriboza se pot separa prin metode cromatografice. Ele dau numeroase reactii caracteristice:

a) cu difenilamina - coloratie albastra;

b) cu solutia decolorata de fuxina o recolorare in rosu( metoda de evidentiere a cromozomilor)

c) cu cisteina si acid sulfuric dau o coloratie galben - rosiatica.

Acidul fosforic

Acidul fosforic reprezinta 8-14% din compozitia acizilor nucleici, acesta le imprima caracter acid si capacitatea de a forma saruri cu bazele.

In structura acizilor nucleici, acidul fosforic este dublu esterificat cu molecule de riboza sau dezoxiriboza, prin intermediul gruparilor hidroxilice de la 3' si 5' (2'). In acest fel acidul fosforic uneste monocleotidele prin legaturi fosfodiesterice si lantul polinucleotidic apare ca o succesiune de resturi de dezoxiriboza sau riboza unite prin intermediul acidului fosforic. Bazele azotate se leaga numai de pentoze, prin legaturi N glicozidice si nu de acidul fosforic.

1' 2; 3' 4' 5'

C C C C C

O

OH

O = P

O

C C C C C

1' 2' 3' 4' 5'

Esterii fosforici rezultati au proprietati mai apropiate de ale eterilor decat de ale esterilor minerali si reprezinta o clasa particulara de compusi cu o importanta biochimica exceptionala. Acestia pot fi: mono, di si trifosforici si maresc cu mult reactivitatea pentozelor care, libere, sunt foarte stabile.

Nucleozidele si nucleotidele

Nucleozidele sunt N-glicozide formate din o baza azotata si o pentoza unite prin legaturi N bglicozidice. Legatura glicozidica se stabileste la atomul de azot (N-3 sau N-9 in functie de natura bazei) si hidroxidul de la atomul C₁'al pentozei.

In functie de natura pentozei exista doua serii de nucleozide: ribonucleozidele si dezoxiribonucleozidele.

Denumirea nucleozidelor provine din numele bazei azotate la care se adauga sufixul idina pentru derivatii pirimidinici si ozina pentru cei purinici.

Nucleozidele libere se gasesc in celule doar in urme, ca produsi de hidroliza a nucleotidelor. Nucleozidele sunt mult mai stabile in apa decat in bazele corespunzatoare, sunt relativ stabile in alcalii si usor hidrolizate de acizi formand baze libere si pentoze. Nucleozidele pirimidinice sunt mai rezistente la hidroliza acida. Nucleozidele pot fi hidrolizate enzimatic de catre nucleozidaze.

Nucleotidele sunt unitati structurale de baza ale acizilor nucleici. Sunt formate dintr-o baza azotata (purinica sau pirimidinica), o pentoza (riboza sau dezoxiriboza) si acidul fosforic. In acelasi timp, nucleotidele sunt esteri fosforici ai nucleozidelor, formati prin esterificarea gruparilor OH ale ribozei (3', 2', 5') sau dezoxiribozei (3', 5') cu acidul fosforic.

Denumirea nucleotidelor ce contin riboza se formeaza din numele bazei azotate, utilizand sufixul ilic sau din denumirea nucleozidului la care se adauga termenul de monofosforic, astfel acidul citidilic se denumeste si acidul citidin monofosforic, prescurtat CMP. In cazul nucleotidelor care contin dezoxiriboza, se adauga prefixul dezoxiribozo, iar in fata numelor prescurtate litera d (dCMP).

Mononucleotidele joaca un rol exceptional de mare in metabolismul celular. Importata deosebita a nucleotidelor consta nu numai in faptul ca din ele sunt construite macromoleculele de acizi nucleici ci si in aceea ca ele intra in structura unor enzime, iar unele dintre ele sunt compusi in care se acumuleaza energia necesara pentru desfasurarea proceselor vitale.

Nucleotidele reprezinta niste acizi puternici, ei se numesc corespunzator bazei azotate constitutive.

Mononucleotidele se gasesc in natura esterificate cu o molecula de acid fosforic care le confera caracterul acid.

Ele absorb puternic in UV la 250-280 mm, maximul de absorbtie depinzand de natura bazei azotate.

Separarea lor se poate face prin cromatografie sau prin schimb ionic.

Cu toate ca ciclurile bazelor azotate si ale pentozelor sunt aproape plane, structura rezultata nu este coplanara, cele doua cicluri fiind aranjate aproape perpendicular unul pe celalalt. Aceasta conformatie se pastreaza si in macromolecula de acid nucleic.

Ribonucleotide Dezoxiribonucleotide

Acid 5'adenilic     Acid 5' dezoxiadenilic

Adenozin 5' monofosfat Dezoxiadenozin5'monofosfat AMP dAMP

In mod similar se formeaza GMP, CMP, UMP, dGMP, dCMP, TMP.

Unele mononucleotide pot contine mai mult decat un radical de acid fosforic, astfel apar acizi nucleozid difosforici (NDP) sau nucleozidtrifosforici (NTP), respectiv dezoxinucleozid difosforic (dNDP) si dezoxinucleozid trifosforic (dNTP). Legaturile formate cu a doua si a treia molecula de acid fosforic inmagazineaza energie sub forma legaturilor macrologice, notate cu semnul ≈. Daca o legatura fosfoesterica simpla elibereaza 2-3 kcal/mol fosfat, o legatura macroenergica elibereaza 7-12 kcal/mol fosfat. Aceste legaturi prezinta importanta in acumularea energiei chimice in celula.

Gruparile fosfat aflate in NDP si NTP formeaza complecsi cu cationi bivalenti ca Mg si Ca.

Dintre complecsii NTP, ATP/Mg²⁺ are functii importante in celula si anume de transportor de grupari fosfat implicate in transferul enzimatic al energiei chimice. ADP-ul rezultat este refosforilat la ATP in procesul respiratiei. Asemenea sistemului ADP - ATP si alti nucleozidtrifosfati (GTP, UTP, CTP) au rol in canalizarea energiei chimice pe cai biosintetice specifice.

O alta functie importanta a NDP si NTP e cea de transportor macroergic al unor glucide in biosinteza polizaharidelor (UDP) sau de donor al gruparii fosfat in biosinteza fosfogliceridelor (CDP).

O a treia functie majora a NTP si dNTP e aceea de precursori bogati in energie, utili in biosinteza enzimatica a ADN si ARN. Prin eliberarea a doua grupari fosforice rezulta NMP, elemente constitutive ale acizilor nucleici.

Un rol esential in procesele metabolice il au si alte nucleotide care intra in constitutia unor coenzime. Asa sunt nicotinamid dinucleotidele (NAD, NADH + H⁺, NADP⁺) sau flavin adenin dinucleotidele (FAD, FADH₂) implicate in procesele de oxido-reducere ale respiratiei celulare.

Structura acizilor nucleici

DNA este format din lanturi de dezoxiribonucleotide legate covalent, iar RNA din lanturi de ribonucleotide. DNA si RNA au o serie de proprietati comune rezultate din faptul ca, in ambele molecule, nucleotidele succesive sunt legate covalent prin punti fosfodiesterice intre gruparea 5' hidroxil a unei nucleotide si gruparea 3' hidroxil a urmatoarei nucleotide. Deci catena principala a acizilor nucleici este formata din grupari fosforice alternand cu radicali de pentoza, legaturile fosfodiesterice asigurand continuitatea covalenta. Bazele azotate nu fac parte din catena principala, ele sunt legate la atomul C₁' la resturile pentozice prin legaturi N glicozidice.

In compozitia DNA pentoza este dezoxiriboza, iar bazele azotate sunt: adenina, guanina, citozina, timina, iar in compozitia RNA pentoza este riboza, iar bazele azotate sunt: adenina, guanina, citozina si uracilul.

Acidul dezoxiribonucleic reprezinta materialul genetic universal care studiaza informatia genetica, o transcrie prin secventa specifica a bazelor azotate intr-o molecula RNA care face posibila traducerea mesajului in moleculele proteice.

Acidul dezoxiribonucleic

A fost descoperit de F. Miescher in anul 1869 in sperma de somon. Ulterior, cercetarile efectuate de Avery, T. Casspecson si J. Branchet demonstreaza rolul DNA in stocarea informatiei genetice si existenta acestuia in toate celulele: animale, vegetale, virusi, bacterii. Cantitatea de ADN raportata la nucleul celular este o constanta a fiecarei specii ca si procentajul molar al bazelor azotate. Moleculele de DNA se deosebesc prin raportul dintre monomerii nucleotidici, prin secventa nucleotidelor si prin masa moleculara.

Structura primara:

Schematic s-ar putea reprezenta astfel: bazele azotate: A, G, C, U, T si P - radical fosforic:

5'P

P

T

C

G

3'OH

Toate mononucleotidele sunt dispuse intr-o ordine strict determinata specifica polinucleotidului respectiv.

Structura secundara

Se refera la stabilirea legaturilor de hidrogen dintre lanturile de nucleotide. Aceasta structura a fost propusa de Watson si Crick in 1953, iar in 1963 s-a acordat premiul Nobel pentru aceasta descoperire.

Macromolecula de DNA este alcatuita din 2 lanturi polinucleotidice antiparalele sub forma helicoidala, rasucite unul cu altul. Lanturile au o axa comuna, in fiecare lant bazele azotate sunt dispuse in interior, iar pentoza si acidul fosforic in exterior. Cele doua lanturi sunt legate intre ele prin legaturi de hidrogen create intre gruparea - NH₂ a adeninei si = 0 a timinei, de la gruparea- NH₂ a guaninei la gruparea = 0 a citozinei si de la gruparea - NH₂ a citozinei la gruparea = 0 a guaninei. In acelasi timp se formeaza legaturi de hidrogen si cu participarea gruparilor - NH existente in guanina si timina. Asadar adenina unui lant se va uni cu timina celuilalt si guanina unui lant cu citozina celuilalt.

La baza organizarii acestei structuri stau urmatoarele reguli stabilite pe baza datelor experimentale privind compozitia chimica a DNA:

1) Continutul molar de purine este egal cu continutul molar de pirimidine. Continutul de adenina este egal cu continutul de timina (A/T = 1), continutul de guanina cu cel de citozina (G/C = 1), iar suma cantitatilor aderina + guanina este egala cu suma citozina + timina.

2) Cantitatea de grupari 6 aminice care intra in compozitia bazelor azotate (adenina si citozina) este egala cu cantitatea de grupari 6 cetonice. (guanina + timina).

(G+T)/(A+C) = 1

Rezulta ca in structura secundara a DNA, in cadrul dublului helix, in lungul axei, la fiecare 34 A⁰ se gaseste un mononucleotid, unghiul dintre 2 nucleotide alaturate este de 36⁰, diferenta dintre doua plane corespunzatoare a doua perechi de baze este 3,4A⁰.

Secventa bazelor azotate in unul din cele doua lanturi poate fi oricare, dar succesiunea distributiei bazelor azotate la celalalt lant trebuie sa fie complementar. Deci molecula DNA este constituita din doua lanturi complementare observandu-se o deplina reflectare a celui de al doilea lant in secventa primului.

Ambele lanturi sunt spirale la dreapta, diametrul helixului este de 2,0 nm, iar fiecare spira contine zece baze azotate.

Structura secundara si tertiara a DNA este stabila nu numai datorita legaturilor de hidrogen dintre catene ci si datorita gruparilor OH libere ale acidului fosforic care poate stabili interactiuni electrostatice cu proteine bazice (histone) care contin aminoacizi incarcati pozitiv.

Structura secundara a DNA ii imprima si proprietatile fizico-chimice si functionale: ei sunt substante albe, filiforme, se dizolva greu in apa, dar usor cand sunt sub forma de saruri cu metale alcaline; se dizolva in solutii de saruri; au masa moleculara de 5.10⁵ - 2.10⁷a.m.u. ; solutiile lor sunt vascoase ca urmare a numeroaselor sarcini negative. Absoarbe lumina in zona UV - 260 nm.

Raportul (A+T)/(G+C) reprezinta coeficientul de specificitate; specificitatea de specie nu este influentata de conditiile de mediu si nici de diversi factori fiziologici.

Structura tertiara a DNA

Se refera la modul superior de aranjare a dublului helix, fie in super helixuri circulare, in molecule ciclice deschise sau in forme combinate.

In virusuri si bacterii DNA are structuri liniare sau ciclice dar in org. .are o structura mult mai complexa dupa cum urmeaza:

La eucariote ADN-ul nucleal este impachetat cu proteine, compusii rezultati fiind cromatina care in timpul diviziunii celulare poarta numele de cromozom.

Numarul de cromozomi din nucleu variaza de la o specie la alta: 14 la mazare, 20 la porumb, 46 la om.

Particularitatile functionale ale DNA sunt strans legate de localizarea lor. DNA reprezinta materialul de baza al genelor care pastreaza informatia genetica a organismului care se traduce prin biosinteza proteinelor. Dubla elice si complementaritatea lanturilor polinucleotidice constituie baza moleculara a fenomenului de replicare adica formarea de DNA in momentul diviziunii celulare care asigura transmiterea din generatie in generatie a informatiei genetice.

Acidul ribonucleic RNA

Acizii ribonucleici sunt polinucleotide monocatenare cu rol in sinteza proteinelor. Bazele azotate care intra in RNA sunt adenina, guanina, citozina si uracilul. In lantul RNA A/U si G/C au valori diferite de 1 deoarece nu mai exista un lant complementar.

Structura primara

Monocatena ribonucleotidica este formata prin legaturi fosfodiesterice intre C3' al unei ribonucleotide si C5' al alteia (in locul timinei se gaseste uracilul). Datorita OH al ribozei se pot face esterificari cu acidul fosforic si la aceasta grupare dar mai rar.

Acidul ribonucleic este solubil datorita OH din 2' in saruri diluate, nu este stabil in mediul alcalin, masa sa moleculara variaza de la 3.10⁴ la 2.10⁶ a.m.u.

Solutiile sunt vascoase si absorb lumina la 260 nm, ca si DNA.

Specificitatea de specie a RNA este mult mai mica si depinde de succesiunea nucleotidelor.

Rolul RNA depinde de localizarea lor, astfel ca esista trei tipuri de RNA: mesager, de transport si ribozomal.

Structura primara si secundara a RNA depinde de tipul de ARN si acestea ii imprima: masa moleculara, stabilitatea, coeficientii de sedimentare, rolul in biosinteza proteinelor.

Majoritatea celulelor contin de 2-8 ori mai mult RNA decat DNA, mai ales in citoplasm

RNA mesager reprezinta 2-4% din acizii ribonucleici celulari, contine doar bazele majore, el copiaza enzimatic catena de DNA; RNA mesager transfera informatia in citoplasma si serveste ca matrita pentru biosinteza proteinelor. Fiecare proteina sintetizata este codificata de RNA mesager; acesata are o viata de cateva minute.

RNA ribozomal reprezinta 65% din masa ribozomilor si 80-90% din RNA total; este localizat in citoplasma; in ribozomi are loc sinteza proteinelor. RNA reprezinta molecule monocatenare liniare, dar se pot reprezenta helicoidal prin rasucirea lantului nucleotidic. Spiralarea este posibila numai in regiuni limitate si anume acolo unde este posibila stabilirea de legaturi de hidrogen intre bazele azotate ale aceleiasi catene. RNA ribozomal are si rol structural deoarece in combinatie cu proteinele corespunzatoare formeaza structura ribozomilor.

RNA de transfer este localizat in citoplasma si are rolul de a transporta aminoacizii activati la ribozomi, unde interactioneaza cu RNA mesager depunand aminoacizii potrivit codului copiat de la matrita de RNA mesager; au masa moleculara mai mica (zeci de mii) si reprezinta 8-10% din RNA total. Structura primara este asemanatoare la toate speciile. Dupa transportul aminoacidului specific din citoplasma ARN t il fixeaza pe ribozom, unde are loc interactiunea cu RNA mesager; structura sa secundara are portiuni mono si bicatenare de forma frunza de trifoi. Zona monocatenara reactioneaza cu ARN mesager astfel incat fiecare RNA mesager are un RNA de transfer specific care contine anticodonul cu baze complementare. Nr. de molecule RNA t este mult mai mare decat al aminoacizilor; un aminoacid poate fi transportat de mai multi RNA t.