Funcțiile acizilor nucleici
Acizii nucleici sunt molecule chimice extrem de dinamice care interacționează activ cu mediul înconjurător schimbându-și constant compoziția și forma. Acțiunile acizilor nucleici sunt baza chimică a menținerii vieții pe această planetă. ADN este acidul nucleic care are două funcții extrem de importante: funcția autocatalitică și funcția heterocatalitică. ARN are structură mai maleabilă și îndeplinește numeroase roluri care sprijină cele două procese amintite anterior.
Funcția autocatalitică a ADN
Reprezintă procesele prin care moleculele de ADN își mențin structura prin auto-copiere și sinteză pe seama nucleotidelor care există libere în citoplasmă. Auto-copierea ADN poartă numele de replicație. Replicația cea mai des întâlnită este replicația semiconservativă. Aceasta constă în desfacerea celor două catene ale moleculei ADN și sinteza unei noi catene complementare pe fiecare dintre ele.
Procesul începe prin intervenția unei enzime numită topoizomerază care aliniază cele două catene ale moleculei ADN începând dintr-un punct numit origine. Apoi enzima ADN helicază desface cele două catene ADN prin lizarea legăturilor de hidrogen dintre bazele azotate. Rezultă astfel două catene desfăcute, una în sensul 3'-5' (catena conducătoare), cealaltă în sensul 5'-3' (catena întârziată).
pe catena conducătoare enzima numită ADN polimeraza atașează nucleotidele în sensul 5'-3' prin complementaritatea bazelor azotate;
pe catena întârziată se atașează o moleculă de ARN numită ARN primer apoi, prin intervenția ADN polimerazelor sunt atașate la catena fragmente scurte de ADN preformat denumite fragmente Okazaki. Catena se va forma in sens invers, adică în sens 3'-5'. La procariote (bacterii) fragmentele Okazaki pot avea 1000-1500 de nucleotide, la eucariote sunt mai scurte, de 100-200 de nucleotide.
Funcția heterocatalitică a acizilor nucleici
Pe baza informațiilor deținute și vehiculate de acizii nucleici sunt sintetizate alte substanțe. Cel mai important aspect este sinteza proteinelor, substanțe macromoleculare înalt specializate cu specificitate deosebită.
Proteina este o macromoleculă alcătuită din aranjarea spațială în forme specifice a unor lanțuri denumite polipeptide. La rândul lor, polipeptidele sunt molecule filiforme formate prin policondensarea aminoacizilor. Un aminoacid este o substanță organică ce conține două grupări funcționale, gruparea carboxil (-COOH) și gruparea amino (-NH2): H2N-R-COOH. Datorită naturii lor, cele două grupări funcționale au caractere deosebite: gruparea carboxil are caracter acid, iar gruparea amino are caracter bazic. Din acest motiv aminoacizii au caracter amfoter și pot interacționa între ei formând dipeptide, tripeptide, tetrapeptide....polipeptide:
H2N-R1-COOH + H2N-R2-COOH => H2N-R1-CO-NH-R2-COOH + H2O [formarea unui dipeptid]
Ordinea în care apar aminoacizii în polipeptid (succesiunea aminoacizilor) este una dintre cheile specificității proteinelor.
Există în natură mai multe sute de tipuri distincte de aminoacizi, dar în proteine apar doar 20 de aminoacizi, din acest motiv au fost denumiți aminoacizi esențiali:
Informația legată de succesiunea aminoacizilor în polipeptid este deținută în ADN, codificată pe catene de succesiunea nucleotidelor. Polipeptidele sunt sintetizate în citoplasmă în formațiuni minuscule numite ribozomi pe baza informației aduse de ARNm de la ADN-ul din nucleu. Procesul de formare a polipeptidei are două faze:
Transcripția când informația unui fragment din catena ADN este copiată de o moleculă ARNm;
Translația când se formează polipeptidul pe baza informației aduse de ARNm din aminoacizi aduși de ARNt.
TRANSCRIPȚIA
Are loc în nucleu, unde un fragment dintr-o moleculă ADN este copiat de o moleculă ARNm. Procesul începe prin intervenția enzimei ARN polimeraza care desparte cele două catene ADN prin distrugerea legăturilor de hidrogen dintre bazele azotate. În același timp ARN polimeraza leagă ribonucleotidele libere din mediu de catena transcrisă formând molecula de ARN mesager precursor. Acesta se desprinde de catena ADN:
Urmează apoi, la eucariote, o etapă importantă a transcripției numită maturarea ARNm. Informația copiată de pe catena ADN cuprinde atât porțiuni cu valoare informațională numite exoni cât și porțiuni fără niciun fel de valoare informațională numite introni. Prin intervenția unui tip de ARN polimerază porțiunile non-informaționale sunt îndepărtate și exonii sunt sudați între ei formându-se astfel molecula de ARNm matur care iese din nucleu și pătrunde în citoplasmă pentru a fi translatată:
TRANSLAȚIA
Este procesul de formare a polipeptidului în ribozom pe baza informației aduse de ARNm și cu aminoacizii aduși de ARNt. În citoplasmă are loc activarea aminoacizilor, proces prin care, prin intermediul moleculelor ATP (acid adenozin trifosforic), moleculele de aminoacid se cuplează de moleculele ARNt:
aminoacid + ATP => aminoacid~AMP + ADP;
aminoacid~AMP + ARNt => aminoacid-ARNt + AMP.
În citoplasmă molecula de ARNm se cuplează de subunitatea mare a ribozomului. Aceasta are două locuri speciale: locusul aminoacil (A) și locusul peptidil (P). În locusul A moleculele de ARNt se cuplează de molecula ARNm prin intermediul buclei anticodon care conține trei nucleotide. Porțiunea de ARNm unde se cuplează molecula de ARNt se numește codon și reprezintă tipul de aminoacid care va ocupa un loc specific în molecula polipeptidului. Ribozomul glisează astfel încât molecula ARNt ajunge în locusul P și aminoacizii se cuplează între ei.
Orice sinteză începe cu un codon specific denumit codon START. Corespondența dintre succesiunea de trei nucleotide din codon și aminoacizi poartă numele de cod genetic. Există 64 de codoni, corespunzător celor patru tipuri de nucleotide (A, G, C, U) luate câte trei. Translația se oprește când ribozomul întâlnește pe catena ARNm unul dintre codonii STOP (codoni non-sens, care nu codifică niciun aminoacid).
CODUL GENETIC
Codul genetic este corespondența dintre nucleotidele ARNm și aminoacizi. Există 64 de codoni dintre care doar 61 codifică aminoacizi, iar 3 sunt codoni non-sens, care stopează sinteza proteinelor. Codul genetic are câteva caracteristici:
este universal - întâlnit la toate organismele;
este continuu - între doi codoni vecini nu există nucleotide fără sens;
este nesuprapus - doi codoni nu au nucleotide comune;
este degenerat - un aminoacid poate fi codificat de mai mulți codoni.
Codul genetic este prezentat în tabele unde se prezintă prima nucleotidă și ultima nucleotidă vertical, iar nucleotida mijlocie orizontal:
