Acizii nucleici (ADN si ARN) – ce sunt si ce rol au in organism

Acidul dezoxiribonucleic (ADN-ul) si acidul ribonucleic (ARN-ul), macromolecule cunoscute sub denumirea de acizi nucleici, sunt absolut fundamentale pentru existenta vietii. In organism, aceste molecule stocheaza si transfera informatia genetica, dirijeaza sinteza proteinelor si, mai mult decat atat, regleaza o multitudine de procese biologice esentiale. Odata cu descoperirea si intelegerea acestor acizi nucleici, biologia moleculara si medicina au fost revolutionate, si s-au pus bazele geneticii moderne. Intr-un fel, moleculele de acizi nucleici, ADN-ul si ARN-ul, sunt insasi „moleculele vietii” – ele ne dau atat caracteristicile fizice, cat si cognitive si emotionale.

Istoria cercetarii acizilor nucleici incepe in secolul al XIX-lea, cand Friedrich Miescher a reusit sa izoleze pentru prima data o substanta bogata in fosfor din nucleele celulelor, pe care ulterior a denumit-o „nucleina” (1969). In anii 1940 Oswald Avery si colaboratorii au demonstrat faptul ca ADN-ul este „purtatorul informatiei genetice”. In 1953, James Watson si Francis Crick, care s-au bazat pe datele obtinute de Rosalind Franklin, au propus modelul structurii de dublu helix al ADN-ului. Ulterior, s-a demonstrat ca moleculele de acizi nucleici au roluri critice in procese precum transcrierea si traducerea informatiei genetice, revolutionand astfel medicina moderna.

Ce este si ce rol are ADN-ul?

Acidul dezoxiribonucleic (ADN) este o molecula in care se stocheaza informatia genetica care este necesara dezvoltarii, functionarii si reproducerii tuturor organismelor vii. Acesta se gaseste in principal in nucleul celulelor eucariote, dar si in organitele numite mitocondrii (asa-zis ADN-mitocondrial). In celulele procariote, ADN-ul este localizat in citoplasma.

Structura moleculei de acid dezoxiribonucleic

Structura moleculei de ADN este de dublu helix, formata din doua catene polinucleotidice care sunt complementare, antiparalele. Componentele fundamentale ale structurii moleculei de acid dezoxiribonucleic sunt:

1. Nucleotidele –  unitatile de baza ale moleculei de acid dezoxiribonucleic, formate, la randul lor, din trei componente:

• Baza azotata: adenina (A), timina (T), citozina (C) si guanina (G);
• O monozaharida pentoza: dezoxiriboza;
• Grupare fosfat.

2. Legaturile fosfodiesterice: leaga nucleotidele situate pe aceeasi catena;
3. Legaturile de hidrogen: stabilizeaza structura de dublu helix prin interactiunea dintre bazele complementare (situate pe catene diferite) – A-T si C-G.

Cele doua catene sunt orientate antiparalele (una are orientare 5’-3’, cealalta 3’-5’). Chiar daca ar putea parea ca aceasta structura este intamplatoare, de fapt ii permite moleculei sa se replice cu fidelitate si precizie maxima si, de asemenea, protejeaza informatia genetica impotriva mai multor procese de degradare.

Functiile moleculei de acid dezoxiribonucleic in organism

Molecula de ADN indeplineste o serie de functii esentiale, printre care se numara:

• Stocarea informatiei genetice: secventa de nucleotide (3 nucleotide formeaza un asa-numit codon) codifica genele, care contin informatii pentru sinteza proteinelor („piatra de temelie a vietii”). Toate moleculele de acizi nucleici contin insiruiri de nucleotide (codoni).
• Replicarea ADN-ului: in timpul diviziunii celulare, molecula de acid dezoxiribonucleic este copiata astfel incat fiecare celula-fiica sa primeasca o copie identica din genom (totalitatea materialului genetic dintr-un organism);
• Controlul expresiei genice: molecula de acid dezoxiribonucleic regleaza activitatea genelor prin intermediul mai multor structuri specifice acestor acizi nucleici (cum ar fi promotorii);
• Repararea ADN-ului: sistemele enzimatice corecteaza mutatiile care apar la nivelul acestor molecule si mentin, astfel, integritatea genetica;
• Transmiterea ereditara: ADN-ul este transmis de la parinti la descendenti, asigurandu-se in acest fel continuitatea speciei si a informatiei genetice.

Functiile acestei molecule sunt deosebit de complexe – de fapt, se crede ca indeplineste multe alte functii in organism, insa acestea nu au fost descoperite inca.

Ce este si ce rol are ARN-ul?

Acidul ribonucleic (ARN) este o macromolecula implicata in doua procese esentiale, si anume procesarea si transferul informatiei genetice din molecula de ADN catre ribozomi, unde are loc sinteza proteinelor. Spre deosebire de molecula de acid dezoxiribonucleic, ARN-ul este in cele mai multe cazuri monocatenar si are o structura mai flexibila.

Structura moleculei de acid ribonucleic

Cele doua tipuri de acizi nucleici au o structura similara, dar prezinta diferente care, in aparenta sensibile, sunt esentiale in indeplinirea functiilor lor. De exemplu, spre deosebire de molecula de acid dezoxiribonucleic, structura moleculei de acid ribonucleic prezinta urmatoarele:

1. Nucleotide – unitatile de baza, formate tot din trei componente:

• Baza azotata: adenina (A), uracilul (U), citozina (C) si guanina (G);
• Monozaharida pentoza: riboza (fata de dezoxiriboza, aceasta contine o grupare hidroxil, -OH, suplimentara);
• Grupare fosfat.

2. Legaturi fosfodiesterice: leaga nucleotidele de pe aceeasi catena.

Spre deosebire de acidul dezoxiribonucleic, cel ribonucleic este format dintr-o singura catena polipeptidica, dar poate forma structuri secundare complexe (bucle, spre exemplu), ca urmare a procesului de imperechere a bazelor complementare de pe aceeasi catena. Structura flexibila ii permite acestei molecule de acizi nucleici sa indeplineasca diferite functii moleculare.

Functiile moleculei de acid ribonucleic in organism

ARN-ul indeplineste o gama variata de functii, insa este foarte important de mentionat ca exista mai multe tipuri de acizi ribonucleici. Implicit, acestia indeplinesc functii specifice, cum ar fi:

• ARN-ul mesager: transporta informatia genetica de la ADN la ribozomi, unde va avea loc sinteza proteinelor. Acest proces este foarte discret dictat si are loc printr-un mecanism care va fi prezentat, pe scurt, in randurile care urmeaza.
• ARN-ul de transfer: asigura transportul aminoacizilor corespunzator la ribozomi, participa la asamblarea lanturilor polipeptidice (din care se formeaza proteinele). Proteinele, la nivel structural, sunt formate din insiruirea mai multor aminoacizi.
• ARN-ul ribozomal: este componenta structurala si functionala a ribozomilor, fiind implicat in formarea legaturilor peptidice. Acesti acizi nucleici sunt abundenti in ribozomi (80%);
• ARN-ul micro: regleaza expresia genelor prin blocarea traducerii sau degradarea ARN-ului mesager. Mai exista si alte tipuri de acizi nucleici de tip ribonucleici, dar cei mentionati se considera a fi cei mai importanti.

Pentru a se forma proteinele, cele doua molecule de acizi nucleici trec prin doua procese foarte complexe, si anume:

• Transcriptia (expresia genelor): informatia din moleculele de acizi nucleici ADN se copiaza sub forma de ARN mesager, sub actiunea ARN-polimerazei. Procesul se desfasoara la nivel nuclear (in nucleul celulei) si implica etape precum initierea, elongarea si finalizarea. Dupa transcriere, ARN-ul mesager este procesat si transportat in citoplasma, la nivel ribozomal;
• Translatia („traducerea”): ARN-ul mesager este „tradus” intr-un lant polipeptidic la nivelul ribozomilor. ARN-ul de transfer transporta aminoacizii corespunzatori la nivelul lantului si ARN-ul ribozomal catalizeaza formarea legaturilor peptidice. In urma translatiei se obtin, printr-un proces complex si atent dictat, proteine functionale.

Cele doua molecule de acizi nucleici stau, literalmente, la baza formarii vietii, cu tot ce aceasta inseamna. Macromolecula de acid dezoxiribonucleic, in raport cu cea de acid ribonucleic si cu proteinele, are o pozitie specifica, ceea ce constituie dogma centrala a geneticii (numita uneori si dogma centrala a biologiei moleculare), pe care Crick a propus-o in 1956. Conform acesteia, informatia genetica are un flux unidirectional, iar acest flux poate fi redat printr-o schema care include cele doua molecule de acizi nucleici:

ADN (transcriptie) → ARN (translatie) → Proteine

Totusi, in unele cazuri moleculele de acizi nucleici par sa nu respecte aceasta „dogma”. Vorbim despre fenomenul de revers-transcriptie: in anumite cazuri, spre exemplu la retrovirusuri (cum ar fi HIV), informatia genetica din acizi nucleici poate fi copiata in sens invers, asadar nu de la ADN la ARN, ci de la ARN la ADN. Acest proces are loc sub actiunea enzimei numita revers-transcriptaza. Prin urmare, moleculele de acizi nucleici stau la baza vietii si, mai mult, chiar la baza perpetuarii caracteristicilor catre urmasi. Genotipul (totalitatea genelor din acizi nucleici, a materialului genetic din organism) defineste fenotipul (infatisarea fizica a unei persoane).

Surse:

https://www.britannica.com/science/nucleic-acid

https://www.genome.gov/genetics-glossary/Nucleic-Acids

https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6822018/

https://www.sciencedirect.com/topics/biochemistry-genetics-and-molecular-biology/nucleic-acid

https://www.khanacademy.org/test-prep/mcat/biomolecules/dna/a/nucleic-acids