Acidul dezoxiribonucleic - ADN - servește ca purtător al informațiilor ereditare transmise de organismele vii generațiilor următoare, și ca matrice pentru construcția proteinelor și a diferiților factori reglatori necesari organismului în procesele de creștere și viață. În acest articol, ne vom concentra pe care sunt cele mai comune forme de structură a ADN-ului. De asemenea, vom acorda atenție modului în care sunt construite aceste forme și sub ce formă se află ADN-ul în interiorul unei celule vii.
Niveluri de organizare a moleculei de ADN
Există patru niveluri care determină structura și morfologia acestei molecule uriașe:
- Nivelul primar, sau structura, este ordinea nucleotidelor din lanț.
- Structura secundară este celebra „helix dublă”. Această expresie s-a așezat, deși, de fapt, o astfel de structură seamănă cu un șurub.
- Structura terțiară se formează datorită faptului că legăturile slabe de hidrogen apar între secțiuni individuale ale catenei răsucite dublu-catenar de ADN,dând moleculei o conformație spațială complexă.
- Structura cuaternară este deja un complex complex de ADN cu unele proteine și ARN. În această configurație, ADN-ul este împachetat în cromozomi din nucleul celulei.
Structura primară: Componentele ADN
Blocurile din care este construită macromolecula acidului dezoxiribonucleic sunt nucleotide, care sunt compuși, fiecare dintre care include:
- baza azotata - adenina, guanina, timina sau citozina. Adenina și guanina aparțin grupului de baze purinice, citozina și timina aparțin pirimidinei;
- monozaharidă cu cinci atomi de carbon dezoxiriboză;
- Rezidu de acid ortofosforic.
În formarea unui lanț polinucleotidic, un rol important îl joacă ordinea grupărilor formate din atomii de carbon într-o moleculă circulară de zahăr. Reziduul de fosfat din nucleotidă este conectat la grupa 5’ (a se citi „cinci prime”) a dezoxiribozei, adică la al cincilea atom de carbon. Extinderea lanțului are loc prin atașarea unui reziduu fosfat al următoarei nucleotide la grupul 3’ liber al dezoxiribozei.
Astfel, structura primară a ADN-ului sub formă de lanț de polinucleotide are capete 3’ și 5’. Această proprietate a moleculei de ADN se numește polaritate: sinteza unui lanț poate merge doar într-o singură direcție.
Formarea structurii secundare
Următorul pas în organizarea structurală a ADN-ului se bazează pe principiul complementarității bazelor azotate - capacitatea acestora de a se conecta în perechi între eleprin legături de hidrogen. Complementaritatea - corespondența reciprocă - apare deoarece adenina și timina formează o legătură dublă, iar guanina și citozina formează o legătură triplă. Prin urmare, atunci când formează un lanț dublu, aceste baze stau una față de alta, formând perechile corespunzătoare.
Secvențele de polinucleotide sunt situate în structura secundară antiparalelă. Deci, dacă unul dintre lanțuri arată ca 3' - AGGZATAA - 5', atunci opusul va arăta astfel: 3' - TTATGTST - 5'.
Când se formează o moleculă de ADN, lanțul polinucleotidic dublat este răsucit, iar concentrația de săruri, saturația cu apă și structura macromoleculei în sine determină ce forme poate lua ADN-ul la o anumită etapă structurală. Sunt cunoscute mai multe astfel de forme, notate cu literele latine A, B, C, D, E, Z.
Configurațiile C, D și E nu se găsesc la fauna sălbatică și au fost observate doar în condiții de laborator. Ne vom uita la principalele forme de ADN: așa-numitele A și B canonice, precum și configurația Z.
A-ADN este o moleculă uscată
A-shape este un șurub din dreapta cu 11 perechi de baze complementare în fiecare tură. Diametrul său este de 2,3 nm, iar lungimea unei spire a spiralei este de 2,5 nm. Planurile formate din bazele pereche au o pantă de 20° față de axa moleculei. Nucleotidele învecinate sunt dispuse compact în lanțuri - există doar 0,23 nm între ele.
Această formă de ADN apare cu hidratare scăzută și cu o concentrație ionică crescută de sodiu și potasiu. Este tipic pentruprocese în care ADN-ul formează un complex cu ARN, deoarece acesta din urmă nu este capabil să ia alte forme. În plus, forma A este foarte rezistentă la radiațiile ultraviolete. În această configurație, acidul dezoxiribonucleic se găsește în sporii fungici.
ADN-B umed
Cu un conținut scăzut de sare și un grad ridicat de hidratare, adică în condiții fiziologice normale, ADN-ul își asumă forma principală B. Moleculele naturale există, de regulă, în forma B. Ea este cea care stă la baza modelului clasic Watson-Crick și este cel mai adesea descrisă în ilustrații.
Această formă (este și dreptaci) se caracterizează printr-o poziție mai puțin compactă a nucleotidelor (0,33 nm) și un pas mare al șurubului (3,3 nm). O tură conține 10,5 perechi de baze, rotația fiecăreia dintre ele față de cea anterioară este de aproximativ 36 °. Planurile perechilor sunt aproape perpendiculare pe axa „dublei helix”. Diametrul unui astfel de lanț dublu este mai mic decât cel al formei A - atinge doar 2 nm.
Z-ADN non-canonic
Spre deosebire de ADN-ul canonic, molecula de tip Z este un șurub pentru stânga. Este cel mai subțire dintre toate, având un diametru de doar 1,8 nm. Bobinele sale, lungi de 4,5 nm, par a fi alungite; această formă de ADN conține 12 baze pereche pe tură. Distanța dintre nucleotidele adiacente este, de asemenea, destul de mare - 0,38 nm. Deci, forma Z are cea mai mică răsucire.
Se formează dintr-o configurație de tip B în acele zone unde purinăși baze pirimidinice, cu modificarea conținutului de ioni în soluție. Formarea Z-ADN este asociată cu activitatea biologică și este un proces pe termen foarte scurt. Această formă este instabilă, ceea ce creează dificultăți în studiul funcțiilor sale. Până acum, acestea nu sunt tocmai clare.
Replicarea ADN și structura sa
Atât structurile primare, cât și cele secundare ale ADN-ului apar în timpul unui fenomen numit replicare - formarea a două „helix duble” identice din macromolecula părinte. În timpul replicării, molecula originală se desfășoară, iar bazele complementare se acumulează pe lanțurile unice eliberate. Deoarece jumătățile de ADN sunt antiparalele, acest proces se desfășoară pe ele în direcții diferite: în raport cu lanțurile părinte de la capătul 3’ la capătul 5’, adică noile lanțuri cresc în direcția 5’ → 3’. Șuvița principală este sintetizată continuu spre furca de replicare; pe firul rămas, sinteza se realizează de la furculiță în secțiuni separate (fragmente Okazaki), care sunt apoi cusute împreună de o enzimă specială, ADN ligaza.
În timp ce sinteza continuă, capetele deja formate ale moleculelor fiice sunt supuse răsucirii elicoidale. Apoi, înainte ca replicarea să fie completă, moleculele nou-născute încep să formeze o structură terțiară într-un proces numit supraînfăşurare.
Moleculă super răsucită
Forma supercoiled a ADN-ului apare atunci când o moleculă dublu catenară face o răsucire suplimentară. Poate fi în sensul acelor de ceasornic (pozitiv) saucontra (în acest caz se vorbește de supercoiling negativ). ADN-ul majorității organismelor este supraîncolăcit negativ, adică împotriva rotațiilor principale ale „dublei helix”.
Ca urmare a formării unor bucle suplimentare - superbobine - ADN-ul capătă o configurație spațială complexă. În celulele eucariote, acest proces are loc cu formarea de complexe în care ADN-ul se înfășoară negativ în jurul complexelor de proteine histone și ia forma unui fir cu mărgele nucleozomale. Secțiunile gratuite ale firului se numesc linkeri. Proteinele non-histone și compușii anorganici participă, de asemenea, la menținerea formei supercoilate a moleculei de ADN. Așa se formează cromatina - substanța cromozomilor.
Firmele de cromatina cu margele nucleozomale sunt capabile să complice în continuare morfologia într-un proces numit condensare a cromatinei.
Compactarea finală a ADN
În nucleu, forma macromoleculei de acid dezoxiribonucleic devine extrem de complexă, compactându-se în mai multe etape.
- În primul rând, filamentul este înfăşurat într-o structură specială de tip solenoid - o fibrilă de cromatină de 30 nm grosime. La acest nivel, ADN-ul se pliază și își scurtează lungimea de 6-10 ori.
- În plus, fibrila formează bucle în zig-zag cu ajutorul unor proteine specifice de schelă, care reduce dimensiunea liniară a ADN-ului deja de 20-30 de ori.
- Domeniile de bucle dens împachetate sunt formate la nivelul următor, cel mai adesea având o formă numită în mod convențional „perie pentru lămpi”. Se atașează de proteina intranuclearămatrice. Grosimea unor astfel de structuri este deja de 700 nm, în timp ce ADN-ul este scurtat de aproximativ 200 de ori.
- Ultimul nivel de organizare morfologică este cromozomial. Domeniile buclei sunt compactate în așa măsură încât se realizează o scurtare totală de 10.000 de ori. Dacă lungimea moleculei întinse este de aproximativ 5 cm, atunci după împachetarea în cromozomi scade la 5 microni.
Cel mai în alt nivel de complicație a formei ADN-ului ajunge în starea de metafază a mitozei. Atunci capătă un aspect caracteristic - două cromatide legate printr-un constricție-centromer, care asigură divergența cromatidelor în procesul de divizare. Interfaza ADN-ului este organizată până la nivel de domeniu și este distribuit în nucleul celulei fără o ordine anume. Astfel, vedem că morfologia ADN-ului este strâns legată de diferitele faze ale existenței sale și reflectă caracteristicile funcționării acestei cele mai importante molecule pentru viață.
