Organizarea structurala a acizilor nucleici si dispunerea acizilor nucleici in cromozomii diverselor tipuri de organisme

ORGANIZAREA STRUCTURALA A ACIZILOR NUCLEICI SI DISPUNEREA ACIZILOR NUCLEICI IN CROMOZOMII DIVERSELOR TIPURI DE ORGANISME

STRUCTURA ACIZILOR NUCLEICI

Alcatuirea chimica

In alcatuirea acizilor nucleici participa trei substante chimice : baze azotate, glucide de tip pentozic si radicalii ai acidului fosforic.

Bazele azotate nsunt de doua tipuri:

• Purinice - adenina guanina ;
• Pirimidice - citozina timina, timina, uracilul ;

Bazele purinice sunt identice la ARN si ADN - adenina si guanina, pe cand cele pirimidice la ADN sunt reprezentate de citozina si timina, iar la ARN in locul timinei intra uracilul.

Pentozele se prezinta sub forma ciclica furazonica (heterociclu pentagonal. In componenta ARN-ului intra riboza, air ADN-ul se formeaza cu dezoxiriboza.

Citozina                                                                         Uracil

Pentozele care intra in componenta acizilor nucleici sunt riboza si dezoxiriboza

O

OH

CH₂ OH

HH

OHH

OH H

RIBOZADEZOXIRIBOZA

Baza azotata legata de pentozaprin lagatura azola C₁ , alcatuieste o nucleozida. Prin esterificarea nucleozidei cu acid ortofosforic in pozitia C₅ a pentozei se formeaza o nucleotida.

In cadrul macromoleculelor de acizi nucleici incatenarea nucleotidelor se realizeaza prin esterificarea cu acid ortofosforic la C₃ al pentozelor.

STRUCTURA MOLECULARA A ADN

Desi acizii nucleici au fost identificati inca din anul 1869 de catre F Miescher si izolati in 1899 de R altmann, prima ipoteza asupara alcatuirii lor moleculare a fost formulata abia in anul 1931 de catre Levene (ipoteza tetranucleotidica). Structura moleculara reala a acizilor nucleici, in primul rand al ADN-ului, a fost stabilita de catre Watson si Crick, care au alcatuit un model potrivit caruia ADN-ul nativ poseda o structura primara, monocatenara si una secundara, bicatenara.

ADN bicatenarADN monocatenar

Structura primara monocatenara a ADN-ului rezulta ca urmare a esterificarii monodezoxi-ribonucleotidelor 5 cu acid fosforic la C₃ al pentozei si se prezinta sub forma unui ,lant molecular lung glucido-fosforic.

Complexitatea structurii primare a ADN este data de natura secventei bazelor azotate, deoarece unitatile glucido-fosforice sunt identice si se succed invariabil.

Fiecare oraganuism viu poseda un ADN cu secventionalitate a bazelor azotate caracteristica lui. Cu cat dou organisme sunt mai indepartate genetic, cu atat diferentele de secventionalitate bazelor azotate din moleculele lorde ADN sunt tot mai mari. Tocmai aceasta distributie specifica a bazelor azotate are un rol essential si o semnificatie determinate de functionare a ADN ca substrat material al ereditatii.

Structura secundara bicatenara a ADN-ului este starea in care se gaseste in mod obisnuit, molecula de ADN, la organismele vii.

Macromolecula bicatenara de ADN este alcatuita din doua monocatene complementare. Legaturile dintre cele 2 catene se datoresc puntilor de hydrogen care se realizeaza intre bazele azotate complementare ale celor 2 catene. Aceasta complementaritate se realizeaza intre o baza purinica si una pirimidica; dar nu oricom intotdeauna adenina se leaga de timina prin doua punti de H, iar guanina de citozina prin 3 punti de H. Legaturile de H, de natura electrostatica, sunt mai labile decat celelalte legaturi chimice care realizeaza structura primara a ADN.

Legaturile de H sunt slabe dar numarul lor foarte mare realizeaza o coeziune suficienta intre catenele complementare asigurand stabilirea ADN.

Greutatea moleculara a ADN variaza de la o specie la alta. Astfel, ADN-ul fagului T₂ are o greutate moleculara de 130 milioane , iar macromolecula de ADN de E.coli are o greutate moleculara de aproximativ 2 miliaarde .

Stabilitatea ADN-ului bicatenar este asigurata si de faptul ca cele 2 monocatene se rasu cesc una in jurul celeilalte, formand o dubla spirala (dublu helix). Datorita acestei rasuciri a catenelor complementare structura macromoleculei de ADN este cunoscuta sub denumirea debicatenara plectonemicala. Plectonemicalitatea este o rezultanta a complementaritatii catenelor, aceasta stare reprezentatnd configuratia optima pentru asigurarea celei mai bune stabilitati a structurii bicatenare a ADN.

STRUCTURA MOLECULARA A ARN

In lumea vie sunt cunoscute 4 tipuri de ARN si anume : ARN viral, ARN mesager, Arn ribosomal si ARN de transport.

Strucutura ARN viral reprezinta o serie de virusi, materialul lor genetic. Aceste ARNv are o structura monocatenara, cu acelasi tip de organizare ca si Arn monocatenar, cu precizarile deja cunoscute, ca pentoza este reprezentata de riboza, iar in cadrul bazelor pirimidice in locul timinei intra uracilul. La un virus ARN este reprezentat de o singura macromolecula.

Structura ARN mesager sau de informatie. Se numeste astfel intrucat , transporta mesajul, informatia continuta in ADN. Ca atare ARNm este deplasat din nucleu in citoplasma la locul sintezei proteice, unde se ataseaza de ribozomi alcatuind polisosomi activi. In deplasare in citoplasma ARNm este insotit de proteine care ii asigura stabilitatea. Formeaza cu aceste proteine complexe nucleoproteice numite informozomi. ARNm are o durata scurta de viata. Cu toate ca se distruge repede, elk este dintetizat mereu la nivelul cromozomilor in functie de necesitatile celulei.

Structura ARN ribosomal este monocatenara ca si ARNv. Exista mai multe feluri de ARN in functie de unitatile sau subunitatile ribozomale in care intra..

Desi toate tipurile de ARNr sunt monocatenare, ele prezinta numeroase portiuni fals bicatenare, numite "agrafe de par". Aceste portiuni se realizeaza pe seama bazelor azotate complementare din segmentele vecine ale aceleiasi monocatene.

Bazati pe cunoasterea structurii ARNr si a proteinelor ribozomale precum si pe observatia ca la suprafata ribizomilor se afla o mare cantitate de ARNr, au propus un model de distributie spatiala a celor 2 tipuri de substante la nivelul ribozomului.

ARNr nu se poate prezenta ca o structura bicatenara complementara, ci numai portiuni fals bicatenare, realizate pe seama aceleasi catene.

Implicatiile ARNr in realizarea mecanismelor ereditare nu sunta inca pe deplin elucidate.

Structura ARN de transport (ARNt) sau solubil (ARNs) este tot monocatenara, dar are o forma specifica de trifoi cu 4 foi si o structura tridimensiunala ce aminteste structura proteinlor. Rolo ARNt este de a se cupla cu aminoacizii si de a-I transporta la locul sintezei proteice. In general o molecula de ARNt cuprinde un numar mic de nucleotide, avand o greutate moleculara relativ mica.

Acizii ribonucleici de transport prezinta acelasi plan general de structura, determinate de felul succesiunii nucleotidelor sale

ARNt prezinta in structura monocatenara baze minore (inozina, pseudouiridina, dihidrouridina, baze de sulf - tiouridina), baze care nu prezinta o specificitate de complementaritate cu bazele obisnuite, precum si usoara neconcordanta cantitativa intre bazele obisnuite, complementare, determina structura specifica a ARNt.

Monocatena se infasoara secundare prin imperecherea bazelor azotate complementare din diverse zone, rezultand in final , 4 portiuni de pseudohelix, numite tulpini (tulpina acceptor, anticodon, D si T), separate de 4 bucle

• Tulpina acceptor are capetele inegale, capatul mai lung incepe cu nucleotidul esterificat la capatul C₃. Ek prezinta aceeasi secventa initiala de bazele azotate libere pentru toate varietatile de ARNt - ACC, respective adenil-citidil-citidil nucleotid. La acest capat se leaga aminoacidul activat sub forma de ester - amino-acil-ARNt. Esterificarea se realizeaza la riboza adeninei. Capatul C₅ este mai scurt si incepe cu guanina. Aceasta nu mai este libera ci realizeaza prima legatura complementara cu citozina de pe bratul lung aflat sub secventa ACC.
• Bucla T (ribitimidinica), format spre capatul C₃, contine intotdeuan 7 baze azotate libere. Aceasta bucla , prin secventa bazelor sale azotate , este responsabila de legarea complexului aminoacil ARNt de ribozom, prin interactiuni cu segmentele de ARNr
• Bucla D (dihidrourinica,. Format mai aprope de captul 5 contin 8 - 12 baze azotate libere, printer care se afla dihidrouridina. Aceasta bucla este implicata in legarea in mod specific, a ARNt de enzima activatoare a aminoacidului care urmeaza sa fie transportat la locul sintezei proteice.
• Bucla anticodonala cuprinde 7 baze azotate libere, dintre care 3 formeaza o secventa diferita pentru fiecare varietate de ARNt. Aceasta secventa de baze permite fixarea complecului de amino-acil-ARNt. Deci secventa celor 3 baze azotate contribuie la daptarea si respective incatenarea aminoacizilor intr-o anumita succsiune la locul sintezei proteice. Aceasta sinteza este cunoscuta sub numele de anticodon. Anticodonul este cuprins intotdeauna intre o baza purinica dinspre captul C₅. In unele segmente anticodonale pot aparea si baze minore. Locul de dispunere a bazelor azotate minore de-a lungul acizilor ribonucleici de transport contribuie la asigurarea soecificitatii acestora, fara a se modifica planul general de structura spatiala. ARNt are o structura asemanatoare literei L, iar in zona dintre cele 2 brate sse gaseste un fel de articulatie ce permite miscare necesare in cursul transferului aminoacidului de pe lantul polipeptidic in ribozom. Regiunile fals bicatenare asigura molecului o mare stabilitate, in timp ce structura anticodonului si distanta fata de locusul de legare a aminoacidului ii confera ARNt o anumita polivalenta.

DENATURAREA SI RENATURAREA ACIZILOR NUCLEICI; FORMAREA DE HIBRIZI MOLECULARI

DENATURAREA prin caldura Daca ADN-ul este suficient de incalzit, portiunile sale dublu-catenare se desfac datorita ruperii legaturilor de H intre bazele azotate complementare. In acest caz ARN devine monocatenar pe intreaga sa lungime. Prin acest tratament poate fi denaturata si molecula dublu catenara a ADN-ului. La o racire treptata a solutiei bazele azotate isi pot reface legaturile de H si ADN-ul devin din nou bicatenar numin-du-se ADN renaturat. Si in cazul ARN-ului, la o racire treptata a solutiei pot reaparea portiuni dublu catenare.

Acest fenomen de denaturare-renaturare este utilizat pentru formarea de hibrizi moleculari, cat si pentru cercetarea secventionalitatii bazelor azotate, de-a lungul macromoleculelor de acizi nucleici.

Caracteristici fizico-chimice a ADN monocatenar nativ si/sau denaturat:

profilul de denaturare sau punctul de topire a ADN-ului

Fenomenul de renaturare asigura formarea de hibrizi moleculari atat intre 2 ccatene de AND cat si intre o catena de ARN si una de ADN. Conditia este ca cele doua catene care hibrideaza, sa prezinte suficiente portiuni complementare. Astfel de experiente de hibridari moleculare au demonstrat ca ARN-ul unui organism este in totalitate complementar cu ADN-ul organismul respective. Posibilitatea de realizarea a hibrizilor moleculari ADN-ARN sau ADN-ADN intre specii, este cu atat mai mare cu cat speciile respective sunt mai apropiate din punct de vedere filogenetic.

Daca doua catene de ADN apartinand la specii diferite sunt complementare, inseamna ca prima catena este identica cu complementara celei de a doua. Pe aceasta baza se pot stabili deci portiunile de ADN de la specii diferite care porta aeeasi informatie ereditara. Portiunile renaturate pot fi decelate nu numai prin tehnica elctronico-microscopica, ci si prin tehnica radiugrafiei. In acest caz una din catenele utilizate in experiment, trebuie sa detina un izotop radioactive. In acest fel zonele unde s-a realizat renaturarea , vor imprima placa fotgrafica.

ORGANIZAREA ARN SAU ADN IN CROMOZOMUL VIRAL

Materialul genetic al ARN-virusurilor prezinta diverse aspecte de organizare si condensare. Astfel ARN-ul VMT este monocatenar prezentand un aspect linear. Unele forme foarte mici de ARNv poseda tot o macromolecula monocatenara de ARN, dar aceasta pe unele portiuni, devine secundar fals dublu-catenara.acidul nucleic prezentand o forma spatiala cu mai multe brate duble.

In cazul virusurilor ADN, materialul genetic se prezinta de asemenea, sub diverse aspecte. De exmplu molecula de ADN a virusului phiM13 este monocatenara liniara, iar a virusului phi X174 este tot monocatenara dar circulara.

Printre virusurile ce poseda ADN dublu-catenar se disting mai multe variante:

1. ADN linear, fara extremitati redudante (virusul herpesului)-Herpesviridae sp.
2. ADN cu redundanta terminala -virusul phiT₇
3. ADN cu redudanta terminala pentru diferitele secvente obtinute in urma unor permutari circulare , ca la fagul T-rotund.
4. Inelul de AND prezinta superrasuciri ca in cazul virusului poliomei.

ORGANIZAREA ADN LA CELULELE PROCARIOTE

Ca si virusurile, organismele cu structura celulara prezinta diverse modalitati de impachetare a materialului genetic. La procariote, la E.coli , uriasa molecula circulara de ADN prezinta 12-80 de bucle, fiecare bucla prezentand numeroase superrasuciri, fiecare alcatuite din aproximativ 400 de perechi de nucleotide.

Bacteriile mai detin in afara cromozomului circular, material genetic sub forma de plasmide. Aceasta sunt structuri circulare de ADN cu capacitate de autoreproducere. Ele sunt structuri circulare de ADN cu capacitate de reproducere. Ele reprezinta aproximativ 1% din lungimea cromozomului bacterioan.

ORGANIZAREA ADN LA EUCARIOTE

Celulele eucariote detin materialul genetic nuclear sub forma de cromozomi. Cromozomii celulelor tinere (inainte de faza de autoreplicare a ADN-ului), detin o singura macromolecula de ADN bicatenar alcatuind cromozomii unicromatidici. Dupa faza S de replicare a ADN-ului, cromozomii devin bicromatidici posendand doua macromolecule de ADN bicatenar.

Macromolecule de ADN sunt strans plicaturate la nivelul cromozomilor datorita interactiunii cu proteinele histonice formand complexe nucleo-proteice. Aceste complexe se datoresc interactiunilor dintre sarcinile negative ale radicalilor fosforici ai ADN-ului sai sarcinile positive ale aminoacizilor din proteinele histonice de natura bazica. Plicatura fibrei, poate fi transversala, longitudinala sau combinata.

Picaturarea combinata determina superrasuciri asigurand condensarea materialului genetic in timpul diviziunii celulare, atat a cromozomilor cromatidici, cat si la cei unicromatidici. In urma cercetarilor s-a stability ca fibra de cromatina este alcatuita din nucleozomi dispusi cap la cap.

Nucleozomul este unitatea fundamentala de organizare a fibrei de cromatina. El are forma unui cilindru turtit. Fiind format din proteine histonice. Aceste proteine au greutati moleculare mici. La toate organismele eucariote ele se impart in 5 clase :

Miezul nucleozomului este format din 8 molecule histomice. Molecula de ADN infasoara de doua ori cilindrul histonic, apoi trece in urmatorul cilindru realizand din nou 2 infasurari.

PROBLEMA ORGANIZARII SUPRACROMOZOMIALE A MATERIALULUI GENETIC IN NUCLEUL CELULELOR EUCARIOTE

Daca fiecare cromozom unicromatidic are o singura molecula de ADN, iar unul bicromatidic are doua , ar insemna ca in nucleul eucariotelor exista atatea molecule de ADN cate cromatide sunt. O serie de cercetari vin sa infirme acest punct de vedere. Astfel, s-a remarcat ca 12 din cei 14 cromozomi de la Oenothera lamarkiana sunt legati intre ei formand un mare. Cercetarile electronomicroscopice au confirmat aceasta supozitie. Astfel de cercetari au permis sustinerea ipotezei ca celulele eucariote detin in nucleul lor o singura macromolecula de ADN, iar dupa faza de replicare a ADN-ului ar exista doua astfel de molecule.

CONCLUZII

Strucutra moleculara a tuturor tipurilor de ARN este monocatenara, unele tipuri prezentand si portiuni fals bicatenare, datorate bazelor azotate.

ADN-ul detine riboza ca zahar, iar bazele azotate sunt A, T, G, C. Structura sa este de obicei bicatenara, cele doua catene fiind antiparalele.

Natura informatiei genetice este data de secventa si numarul perechilor de baze azotate.

BIBLIOGRAFIE

1.  Aberts B, Bray D, Lewis, Watson (1985) - Molecular Biology of the cell, Garland Pub , New York

2.  Nicolae Coman (2003) - Genetica Volumul 1, BCU, Cluj - Napoca

3.  Bahr, G.F> (1977) - Chromosomes and Cromatin Structure, Acad, Pres, New York

4.  Benzer S (1955), Fine Structure of a Gene Region in Bacteriophage, Proc..Nat. Acad. Of Sciene New York

5.  Sursa imaginilor www.google.com