Acizi nucleici, biopolimeri, constând din reziduuri de acid fosforic, zaharuri și baze azotate (purine și pirimidine). Acestea sunt de importanță biologică fundamentală deoarece conțin în formă codificată toate informațiile genetice ale oricărui organism viu, de la om la bacterii și viruși, transmise de la o generație la alta.
Acizii nucleici au fost izolate mai întâi din celule umane și puroi din spermă de somon medic elvețian și biochemist F.Misherom între 1869 și 1871. A fost, ulterior, a constatat că există două tipuri de acizi nucleici: ribonucleic (ARN) și dezoxiribonucleic (ADN), cu toate acestea funcțiile lor să rămână mult timp necunoscut.
În 1928, bacteriologul englez F. Griffith a constatat că uciderea pneumococilor patogeni poate schimba proprietățile genetice ale pneumococilor nepatogeni care trăiesc, transformându-i în cei patogeni. In 1945 microbiolog O.Everi de la Institutul Rockefeller din New York, el a făcut o descoperire importantă: ea a arătat că abilitatea de transformare genetică datorită transferului de ADN de la o celulă la alta și, în consecință, materialul genetic este ADN. În 1940-1950 J. Beadle și E.Teytum de la Universitatea Stanford (California) au descoperit că sinteza proteinelor, în special a enzimelor, este controlată de gene specifice. În 1942, T. Casperson în Suedia și J. Brashe din Belgia au descoperit că acizii nucleici sunt în special abundenți în celulele care sintetizează activ proteinele. Toate aceste date au sugerat că materialul genetic este un acid nucleic și că participă cumva la sinteza proteinelor. Cu toate acestea, la acea vreme, mulți au crezut că moleculele de acid nucleic, în ciuda lungimii lor mari, aveau o structură periodică prea simplă pentru a transporta suficiente informații și a servi drept material genetic. Dar, la sfârșitul anilor 1940 în Statele Unite și în Canada E.Chargaff Dzh.Uayatt, folosind metoda de distribuire a cromatografiei de hârtie a arătat că structura ADN-ului nu este atât de simplu, iar aceasta molecula poate servi ca purtător al informației genetice.
Structura ADN a fost înființată în 1953 de către M. Wilkins, J. Watson și F. Crick în Anglia. Această descoperire fundamentală a făcut posibilă înțelegerea modului în care apare dublarea (replicarea) acizilor nucleici. La scurt timp după aceea, cercetătorii americani A.Dauns Dzh.Gamov și a sugerat că structura proteinei este oarecum codificată în acizi nucleici, și prin 1965, această ipoteză a fost confirmată de mulți cercetători: F.Krikom în Anglia și M.Nirenbergom S.Ochoa în SUA, H. Korana în India. Toate aceste descoperiri, rezultatul unui secol de studiu al acizilor nucleici, a produs o adevărată revoluție în biologie. Ei au făcut posibilă explicarea fenomenului vieții în cadrul interacțiunii dintre atomi și molecule.
Bacteriile și cianobacteriile (algele albastru-verzui) conțin în loc de cromozomi una sau două molecule ADN mari asociate cu o cantitate mică de proteine și adesea molecule de ADN mai mici numite plasmide. Plasmidele conțin informații genetice utile, de exemplu, ele conțin gene de rezistență la antibiotice, dar ele sunt nesemnificative pentru viața celulei în sine.
O anumită cantitate de ARN este prezentă în nucleul celular, masa sa principală fiind în citoplasmă - conținutul lichid al celulei. Cea mai mare parte a acestuia este formată de ARN ribozomal (rRNA). Ribozomii sunt cele mai mici corpuri pe care are loc sinteza proteinelor. O cantitate mică de ARN este reprezentată de ARN de transport (tRNA), care participă, de asemenea, la sinteza proteinelor. Cu toate acestea, ambele clase de ARN nu conțin informații despre structura proteinelor - astfel de informații sunt conținute în matrice sau informații, ARN (mRNA), care reprezintă doar o mică parte a ARN-ului celular total.
Materialul genetic al virusurilor este reprezentat fie de ADN, fie de ARN, dar niciodată în același timp.
Moleculele de acid nucleic conțin o mulțime de grupări fosfatice încărcate negativ și formează complexe cu ioni metalici; sărurile lor de potasiu și sodiu sunt ușor solubile în apă. Soluțiile concentrate ale acizilor nucleici sunt foarte vâscoase și ușor opalescente, iar în formă solidă aceste substanțe sunt albe. Acizii nucleici absoarbe puternic lumina ultravioletă, iar această proprietate stă la baza determinării concentrației lor. Cu aceeași proprietate, efectul mutagen al luminii ultraviolete este, de asemenea, asociat.
Moleculele lungi de ADN sunt fragile și se rup ușor, de exemplu, când soluția este presată printr-o seringă. Prin urmare, lucrul cu ADN molecular ridicat necesită o atenție deosebită.
Structura chimică. Acide nucleice # 61485; Acestea sunt lanțuri lungi, constând din patru unități repetate multiple (nucleotide). Structura lor poate fi reprezentată după cum urmează:
Simbolul Φ reprezintă o grupare fosfat. Alternante reziduurile de zahăr și acid fosforic pentru a forma coloana vertebrala de zahar-fosfat a moleculei, toate la același ADN, iar diversitatea lor enormă datorită faptului că cele patru baze azotate pot fi plasate de-a lungul lanțului de secvență foarte diferite.
Zaharurile din acizii nucleici sunt pentoza; patru dintre cei cinci atomi de carbon împreună cu un atom de oxigen formează un inel. Atomii de carbon ai pentozelor sunt numerotați de la 1 # 61602; până la 5 # 61602; În ARN, zahărul este riboză și în ADN # 61485; deoxiriboză, conținând un atom de oxigen mai puțin. Fragmente de lanțuri de ADN și ARN polinucleotidice sunt prezentate în Fig.
Deoarece grupările fosfat sunt atașate la zahăr asimetric, la pozițiile 3 # 61602; și 5 # 61602; molecula de acid nucleic are o anumită direcție. Legăturile complexe dintre unitățile monomere ale acizilor nucleici sunt sensibile la clivajul hidrolitic (enzimatic sau chimic), ceea ce duce la eliberarea de componente individuale sub formă de molecule mici.
Bazele azotului sunt compuși heterociclici plate. Ele sunt atașate la inelul de pentoză în poziția 1 # 61602; Bazele mai mari au două inele și se numesc purine: adenina (A) și guanina (D). Baze de dimensiuni mai mici au un inel și se numesc pirimidine: sunt citozină (C), timină (T) și uracil (Y). ADN-ul cuprinde o bază A, G, T și U în ARN T este prezent în loc de W. Acestea din urmă diferă de timină în care îi lipsește o grupare metil (CH3). Uracilul se găsește în ADN-ul anumitor virusuri, unde are aceeași funcție ca și timina.
Structura tridimensională. O caracteristică importantă a acizilor nucleici este regularitatea aranjamentului spațial al atomilor lor constituenți, stabilită prin metoda difracției cu raze X. Molecula ADN constă din două lanțuri direcționate opus (uneori conținând milioane de nucleotide) ținute împreună prin legături de hidrogen între baze:
Ambele fire de ADN sunt răsucite într-o spirală în raport cu axa imaginară, ca și cum ar fi înfășurate pe un cilindru. Această structură se numește dublă helix. Există zece perechi de baze pe rană spirală.
Regula de complementaritate. Watson și Crick au arătat că formarea de legături de hidrogen, și un dublu helix regulat este posibilă numai atunci când o adenină bază purinică mare (A) într-un singur circuit are ca partener în celălalt lanț chiar timina bază pirimidinică mai mici (T) și guanina (G) este asociat cu citozina (C). Acest model poate fi reprezentat după cum urmează:
Structura ARN este mai puțin ordonată. Aceasta este, de obicei, o moleculă mono-catenară, deși ARN-ul anumitor virusuri este format din două lanțuri. Dar chiar și un astfel de ARN este mai flexibil decât ADN-ul. Unele secțiuni din molecula ARN sunt reciproc complementare și, atunci când lanțul este îndoit, pereche pentru a forma structuri dublu-catenare (hairpins). Acest lucru se aplică în primul rând la ARN de transport (tRNA). Unele baze din tARN suferă modificări după sinteza moleculei. De exemplu, uneori se alătură grupurilor de metil.
Funcția de acizi nucleici
Replicarea și transcripția. Din punct de vedere chimic, sinteza acidului nucleic - o polimerizare, adică fixarea consecutivă a blocurilor. Astfel de blocuri sunt trifosfati nucleozidici; reacția poate fi reprezentată după cum urmează:
Energia necesară pentru sinteză se eliberează atunci când se elimină pirofosfatul și enzimele specifice, ADN-polimerazele, catalizează reacția.
Ca rezultat al unui astfel de procedeu sintetic, am obține un polimer cu o succesiune aleatorie de baze. Totuși, majoritatea polimerazelor funcționează numai în prezența unei matrice de acid nucleic deja existent, dictând ce nucleotidă se va alătura capătului lanțului. Această nucleotidă trebuie să fie complementară nucleului corespunzător al șablonului, astfel încât noul lanț să fie complementar celui original. Folosind lanțul complementar ca matrice, obținem o copie exactă a originalului.
ADN-ul este format din două lanțuri complementare. În timpul replicării, acestea diferă și fiecare servește ca o matrice pentru sinteza unui lanț nou:
Astfel se formează două noi elici duble cu aceeași secvență de baze ca ADN-ul original. Uneori apare procesul de "replicare" și apar mutații.
Ca urmare a transcrierii ADN-ului, se formează ARN-uri celulare (mRNA, rRNA și tARN):
Acestea sunt complementare la una dintre componentele ADN-ului și sunt o copie a unui alt lanț, cu excepția faptului că locul timinei este ocupat de uracil. În acest fel, este posibil să se obțină mai multe exemplare de ARN ale unuia dintre toroanele ADN.
Într-o celulă normală, informațiile sunt transmise numai în direcția ADN-ului # 61614; ADN și ADN # 61614; ARN. Cu toate acestea, în celulele infectate cu virusul, alte procese sunt posibile: ARN # 61614; ARN și ARN # 61614; ADN-ul. Materialul genetic al multor viruși este reprezentat de o moleculă ARN, de obicei monocatenară. După ce a pătruns în celula gazdă, acest ARN se replică cu formarea unei molecule complementare pe care, la rândul său, se sintetizează multe copii ale ARN-ului viral original:
Viral ARN poate fi transcris de o enzimă # 61485; revers transcriptază # 61485; în ADN, care este uneori inclus în ADN-ul cromozomial al celulei gazdă. Acum, acest ADN conține gene virale, iar după transcriere, poate apărea un ARN viral în celulă. Astfel, după o lungă perioadă de timp în care nu se găsește niciun virus în celulă, acesta va apărea din nou în el fără re-infectare. Virușii, a căror material genetic este inclus în cromozomul celulei gazdă, este adesea cauza cancerului.
Traducerea acizilor nucleici în proteine. Informatiile genetice sunt codificate în secvența de nucleotide a ADN este transferată nu numai la secvența de nucleotide a limbii ARN, dar, de asemenea, în limba de aminoacizi - unitățile monomere ale proteinelor.
O moleculă de proteină este un lanț de aminoacizi. Fiecare aminoacid conține o grupare carboxilică acidă -COOH și o grupare amino bazică
-NH2. O grupare carboxil dintr-un aminoacid se leagă la gruparea amino a alteia pentru a forma o legătură amidică și acest procedeu continuă până când se formează un lanț conținând până la 1000 de aminoacizi.
În proteine sunt prezenți 20 de aminoacizi diferiți, în ordinea cărora depind natura și funcțiile lor. Această secvență este determinată de secvența nucleotidică a genei corespunzătoare - regiunea ADN care codifică proteina. Totuși, ADN-ul în sine nu este o matrice în sinteza proteinelor. Mai întâi este transcrisă în nucleu pentru a forma un ARN mesager (ARNm), care difuzează în citoplasmă și pe ea ca proteină șablon sintetizat. Procesul este accelerat datorită faptului că pe fiecare moleculă de mRNA se pot sintetiza simultan o mulțime de molecule de proteine.
Fiecare tARN conține o secvență specifică de trei baze, un anticodon care este complementar unui grup de trei baze, codon, în mARN. Anticodonele interacționează cu codonii conform regulii de complementaritate, în aproximativ același mod în care două interacțiuni ADN interacționează. Astfel, secvența de bază în ARNm determină ordinea atașării tARN care transportă aminoacizii. Transferul schematic al informațiilor de la ADN la proteine poate fi reprezentat după cum urmează:
Secvența de baze în ADN specifică ordinea de aminoacizi în secvența de proteină, așa cum fiecare aminoacid este atașat numai la o enzimă specifică anumite ARNt, iar cei care, la rândul lor - doar anumiți codoni din ARNm. Complexele tARN-aminoacid se leagă la matricea una câte una. Principalele etape ale sintezei proteinelor sunt enumerate mai jos (a se vedea și figura).
1. Enzimele, numite sintetaze aminoacil-tRNA, atașează aminoacizii la tARN corespunzător. Astfel de enzime sunt de 20, câte unul pentru fiecare aminoacid.
2. Molecula mARN se unește cu primul său codon cu o particulă mică numită ribozom. Ribosomii constau din cantități aproximativ egale de rRNA și proteine. Structura și funcția ribozomilor sunt foarte complexe, însă principala lor sarcină este de a facilita interacțiunea ARNm și ARNm și de a accelera polimerizarea aminoacizilor asociați cu diferite tRNAs.
3. ARNm încărcat cu un aminoacid se leagă la codonul mRNA corespunzător, care, la rândul său, este în contact cu ribozomul. Se formează un complex de ARNm-tRNA-amino acid ribozom.
4. ARNm, ca o bandă pe un transportor, se deplasează de-a lungul ribozomului pentru un codon înainte.
5. Următorul tRNA încărcat cu un aminoacid se alătură celui de-al doilea codon.
6. Primii și alți doi aminoacizi sunt legați împreună.
7. Primul tRNA se detașează de complex, iar acum al doilea tRNA are doi aminoacizi legați împreună.
8. mARN din nou se deplasează înainte un codon și toate evenimentele se repetă și lanțul de aminoacizi în creștere se extinde cu un aminoacid. Procesul continuă până când se ajunge la ultimul codon "stop" și ultimul tARN nu se separă de lanțul proteic finit. În celulele bacteriene, un lanț de 100-200 aminoacizi este colectat în câteva secunde. În celulele animale, acest proces durează aproximativ un minut.
Codul genetic. Astfel, fiecare aminoacid într-o proteină determinată indirect de codon specific (grup de 3 baze) în ARNm și, eventual, în ADN. Deoarece acizii nucleici, există patru tipuri de baze, numărul de posibile codoni este 4 # 61620; # 61620 4 4 = 64. Corespondența între codonii și aminoacizi pe care le codifică, numit sursa genetică sau biologică. Această corespondență a fost stabilită empiric: celulele distruse a fost adăugat la polinucleotide sintetice de compoziție cunoscută și a urmărit orice aminoacid încorporat în proteine. Ulterior, a devenit posibilă compararea directă a secvențelor de aminoacizi în proteine și baze virale în acizi nucleici virali. Este extrem de interesant faptul că codul genetic, cu excepții rare, este același pentru toate organismele - de la virusuri la oameni. O astfel de excepție este schimbarea codului genetic utilizat de mitocondrii. mitocondriile # 61485; acestea sunt mici particule sub-celulare autonome (organele) prezente în toate celulele, cu excepția bacteriilor și celulelor roșii sanguine mature. Se presupune că
Articole similare
-
Comunicare verticală și orizontală, cursuri gratuite, rezumate și teze
-
Modernismul abstract - bancă de rezumate, eseuri, rapoarte, lucrări de curs și diplome
Trimiteți-le prietenilor: