ADN (acidul dezoxiribonucleic) este una dintre cele mai importante componente ale materiei vii. Prin intermediul acestuia se realizează conservarea și transmiterea informațiilor ereditare din generație în generație cu posibilitatea de variabilitate în anumite limite. Sinteza tuturor proteinelor necesare unui sistem viu ar fi imposibilă fără o matrice ADN. Mai jos vom lua în considerare structura, formarea, funcționarea de bază și rolul ADN-ului în biosinteza proteinelor.
Structura moleculei de ADN
Acidul dezoxiribonucleic este o macromoleculă formată din două catene. Structura sa are mai multe niveluri de organizare.
Structura primară a lanțului ADN este o secvență de nucleotide, fiecare conținând una dintre cele patru baze azotate: adenină, guanină, citozină sau timină. Lanțurile apar atunci când zahărul dezoxiriboză al unei nucleotide se unește cu reziduul de fosfat al alteia. Acest proces este realizat cu participarea unui catalizator proteic - ADN ligaza
- Structura secundară a ADN-ului este așa-numita spirală dublă (mai precis, un șurub dublu). Terenurile sunt capabilese conectează între ele astfel: adenina și timina formează o legătură dublă de hidrogen, iar guanina și citozina formează o legătură triplă. Această caracteristică stă la baza principiului complementarității de bază, conform căruia lanțurile sunt conectate între ele. În acest caz, are loc o răsucire elicoidală (mai des la dreapta) a lanțului dublu.
- O structură terțiară este o conformație complexă a unei molecule uriașe care apare prin legături suplimentare de hidrogen.
- Structura cuaternară se formează în combinație cu proteine specifice și ARN și este modul în care ADN-ul este împachetat în nucleul celulei.
funcții ADN
Să luăm în considerare rolul pe care îl joacă ADN-ul în sistemele vii. Acest biopolimer este o matrice care conține o înregistrare a structurii diferitelor proteine, ARN-ul necesar organismului, precum și diferite tipuri de situsuri de reglare. În general, toate aceste componente alcătuiesc programul genetic al organismului.
Prin biosinteza ADN-ului, programul genetic este transmis generațiilor următoare, asigurând ereditatea informațiilor fundamentale vieții. ADN-ul este capabil să sufere mutații, din cauza căreia apare variabilitatea organismelor vii ale unei specii biologice și, ca urmare, procesul de selecție naturală și evoluția sistemelor vii este posibil.
În timpul reproducerii sexuale, ADN-ul unui organism-descendent se formează prin combinarea informațiilor ereditare paterne și materne. Când sunt combinate, există diverse variații, care contribuie și la variabilitate.
Cum este reprodus programul genetic
Datorită structurii complementare, este posibilă auto-reproducția matriceală a moleculei de ADN. În acest caz, informațiile conținute în acesta sunt copiate. Dublarea unei molecule pentru a forma două „helix duble” fiice se numește replicare ADN. Acesta este un proces complex care implică multe componente. Dar, cu o anumită simplificare, poate fi reprezentat ca o diagramă.
Replicarea este inițiată de un complex special de enzime în anumite zone ale ADN-ului. În același timp, lanțul dublu se desfășoară, formând o furcă de replicare, unde are loc procesul de biosinteză a ADN-ului - acumularea de secvențe de nucleotide complementare pe fiecare dintre lanțuri.
Caracteristici ale complexului de replicare
Replicarea are loc, de asemenea, cu participarea unui set complex de enzime - replizomi, în care ADN polimeraza joacă rolul principal.
Unul dintre lanțurile în cursul biosintezei ADN-ului este lider și se formează continuu. Formarea unui fir întârziat are loc prin atașarea unor secvențe scurte - fragmente Okazaki. Aceste fragmente sunt legate folosind ADN ligaza. Un astfel de proces se numește semi-continuu. În plus, este caracterizat ca fiind semi-conservator, deoarece în fiecare dintre moleculele nou formate unul dintre lanțuri este părintele, iar al doilea este fiica.
Replicarea ADN-ului este unul dintre pașii cheie în diviziunea celulară. Acest proces stă la baza transferului de informații ereditare către noua generație, precum și creșterea organismului.
Ce sunt proteinele
Proteina estecel mai important element funcțional din celulele tuturor organismelor vii. Îndeplinesc funcții catalitice, structurale, de reglare, de semnalizare, de protecție și multe alte funcții.
O moleculă de proteină este un biopolimer format dintr-o secvență de resturi de aminoacizi. El, ca și moleculele de acid nucleic, se caracterizează prin prezența mai multor niveluri de organizare structurală - de la primar la cuaternar.
Există 20 de aminoacizi (canonici) diferiți utilizați de sistemele vii pentru a construi o mare varietate de proteine. De regulă, proteinele nu sunt sintetizate de la sine. Rolul principal în formarea unei molecule de proteine complexe aparține acizilor nucleici - ADN și ARN.
Esența codului genetic
Așadar, ADN-ul este o matrice de informații care stochează informații despre proteinele necesare organismului să crească și să trăiască. Proteinele sunt construite din aminoacizi, ADN (și ARN) din nucleotide. Anumite secvențe de nucleotide ale moleculei de ADN corespund anumitor secvențe de aminoacizi ale anumitor proteine.
Există 20 de tipuri de unități structurale proteice - aminoacizi canonici - într-o celulă și 4 tipuri de nucleotide în ADN. Deci, fiecare aminoacid este scris pe matricea ADN-ului ca o combinație de trei nucleotide - un triplet, ale cărui componente cheie sunt bazele azotate. Acest principiu de corespondență se numește cod genetic, iar tripleții de bază sunt numiți codoni. Gene esteo secvență de codoni care conține o înregistrare a unei proteine și unele combinații de servicii de baze - un codon de pornire, un codon de oprire și altele.
Unele proprietăți ale codului genetic
Codul genetic este aproape universal - cu foarte puține excepții, este același în toate organismele, de la bacterii la oameni. Aceasta mărturisește, în primul rând, relația dintre toate formele de viață de pe Pământ și, în al doilea rând, vechimea codului în sine. Probabil, în primele etape ale existenței vieții primitive, diferite versiuni ale codului s-au format destul de repede, dar numai una a primit un avantaj evolutiv.
În plus, este specific (neambiguu): diferiți aminoacizi nu sunt codificați de același triplet. De asemenea, codul genetic este caracterizat prin degenerare sau redundanță - mai mulți codoni pot corespunde aceluiași aminoacid.
Înregistrarea genetică este citită continuu; funcţiile semnelor de punctuaţie sunt îndeplinite şi de triplete de baze. De regulă, nu există înregistrări suprapuse în „textul” genetic, dar și aici există excepții.
unități funcționale ale ADN
Totalitatea întregului material genetic al unui organism se numește genom. Astfel, ADN-ul este purtătorul genomului. Compoziția genomului include nu numai gene structurale care codifică anumite proteine. O parte semnificativă a ADN-ului conține regiuni cu diferite scopuri funcționale.
Deci, ADN-ul conține:
- de reglementaresecvențe care codifică ARN-uri specifice, cum ar fi comutatoare genetice și regulatori ai expresiei genice structurale;
- elemente care reglează procesul de transcripție - etapa inițială a biosintezei proteinelor;
- pseudogenele sunt un fel de „gene fosile” care și-au pierdut capacitatea de a codifica o proteină sau de a fi transcrise din cauza mutațiilor;
- elemente genetice mobile - regiuni care se pot mișca în interiorul genomului, cum ar fi transpozonii („genele săritoare”);
- telomerii sunt regiuni speciale de la capetele cromozomilor, datorită cărora ADN-ul din cromozomi este protejat împotriva scurtării cu fiecare eveniment de replicare.
Implicarea ADN-ului în biosinteza proteinelor
ADN-ul este capabil să formeze o structură stabilă, al cărei element cheie este compusul complementar al bazelor azotate. Dubla catenă de ADN asigură, în primul rând, reproducerea completă a moleculei și, în al doilea rând, citirea secțiunilor individuale de ADN în timpul sintezei proteinelor. Acest proces se numește transcriere.
În timpul transcripției, o secțiune a ADN-ului care conține o anumită genă este deztorsionată, iar pe unul dintre lanțuri - cel șablon - este sintetizată o moleculă de ARN ca o copie a celui de-al doilea lanț, numit cel codant. Această sinteză se bazează și pe proprietatea bazelor de a forma perechi complementare. La sinteza iau parte regiunile de serviciu necodante ale ADN-ului și enzima ARN polimeraza. ARN-ul servește deja ca șablon pentru sinteza proteinelor, iar ADN-ul nu este implicat în procesele ulterioare.
Trascriere inversă
Mult timp s-a crezut că matriceacopierea informației genetice poate merge doar într-o singură direcție: ADN → ARN → proteină. Această schemă a fost numită dogma centrală a biologiei moleculare. Cu toate acestea, în cursul cercetărilor, s-a constatat că în unele cazuri este posibilă copierea de la ARN la ADN - așa-numita transcripție inversă.
Abilitatea de a transfera material genetic de la ARN la ADN este caracteristică retrovirusurilor. Un reprezentant tipic al unor astfel de virusuri care conțin ARN este virusul imunodeficienței umane. Integrarea genomului viral în ADN-ul unei celule infectate are loc cu participarea unei enzime speciale - transcriptază inversă (revertaza), care acționează ca un catalizator pentru biosinteza ADN-ului pe un șablon de ARN. Revertaza este, de asemenea, parte a particulei virale. Molecula nou formată este integrată în ADN-ul celular, unde servește la producerea de noi particule virale.
Ce este ADN-ul uman
ADN-ul uman, conținut în nucleul celulei, este împachetat în 23 de perechi de cromozomi și conține aproximativ 3,1 miliarde de nucleotide perechi. Pe lângă ADN-ul nuclear, celulele umane, ca și alte organisme eucariote, conțin ADN mitocondrial, un factor în ereditatea organelelor celulelor mitocondriale.
Genele de codificare ale ADN-ului nuclear (există între 20 și 25 de mii dintre ele) alcătuiesc doar o mică parte din genomul uman - aproximativ 1,5%. Restul ADN-ului era numit anterior „junk”, dar numeroase studii dezvăluie rolul semnificativ al regiunilor necodante ale genomului, despre care s-a discutat mai sus. De asemenea, este extrem de important să studiem proceseletranscriere inversă în ADN-ul uman.
Știința și-a format deja o înțelegere destul de clară a ceea ce este ADN-ul uman în termeni structurali și funcționali, dar munca ulterioară a oamenilor de știință în acest domeniu va aduce noi descoperiri și noi tehnologii biomedicale.
