Acizi nucleici

Acizii nucleici sunt polimeri de nucleotide. Un nucleotid are bază azotată, pentoză și grupă fosfat. ADN conține dezoxiriboză și bazele A, T, G, C; ARN conține riboză și A, U, G, C. Nucleotidele unui lanț se unesc prin legături fosfodiesterice. În dublul helix ADN, A se împerechează cu T, iar G cu C; lanțurile sunt antiparalele. ARN participă la exprimarea informației genetice, inclusiv prin ARN mesager, de transfer și ribozomal.

Nucleotidul. Un nucleotid are trei componente: o bază azotată, o pentoză (riboza sau dezoxiriboza) și o grupă fosfat. Baza se leagă de atomul C1′ al pentozei, formând un nucleozid, iar acidul fosforic esterifică grupa –OH de la C5′. Adenozina (adenină + riboză) este un nucleozid; acidul adenilic (AMP, adenozin-5′-monofosfat) este un nucleotid, cu formula ${\mathrm{C}}_{10}{\mathrm{H}}_{14}{\mathrm{N}}_5{\mathrm{O}}_7\mathrm{P}$ și $M=347$ g/mol.

Lanțul polinucleotidic. Nucleotidele se unesc prin legături fosfodiesterice: fosfatul de la C5′ al unui nucleotid esterifică grupa –OH de la C3′ a nucleotidului vecin. Fiecare legătură se formează prin condensare, cu eliminarea unei molecule de apă, deci un lanț de $n$ nucleotide pierde $n-1$ molecule de apă. Scheletul pentoză–fosfat este același pentru orice secvență; informația stă în ordinea bazelor. Un capăt al lanțului are fosfat liber la C5′, celălalt are –OH liber la C3′.

ADN și ARN. ADN are două catene antiparalele, răsucite într-un dublu helix (Watson și Crick, 1953); bazele stau în interior și se asociază complementar, A cu T și G cu C, prin punți de hidrogen. Replicarea este semiconservativă: fiecare moleculă-fiică păstrează o catenă veche și are una nouă. ARN este monocatenar și există în trei forme: ARN mesager (ARNm) copiază informația unei gene, ARN de transfer (ARNt) aduce aminoacizii la ribozom, iar ARN ribozomal (ARNr) intră în alcătuirea ribozomilor. Informația trece de la ADN la ARNm prin transcriere, iar secvența ARNm este tradusă în proteină. Trei baze consecutive formează un codon: există 64 de codoni, dintre care 61 codifică aminoacizi (AUG este și codonul de start), iar UAA, UAG și UGA opresc sinteza.

Deosebiri între ADN și ARN. ADN conține dezoxiriboză și bazele A, T, G, C, are două catene și se află în nucleu, în cromozomi, dar și în mitocondrii și cloroplaste. ARN conține riboză și bazele A, U, G, C, are o singură catenă și se formează în nucleu, apoi acționează în citoplasmă. Ca și proteinele și polizaharidele, acizii nucleici sunt polimeri naturali, dar monomerii lor sunt nucleotidele.

Exemplu rezolvat 1. Într-un ADN bicatenar, guanina reprezintă $27\%$ dintre baze. Aflăm procentele celorlalte baze.

1. Citozina este complementară guaninei, deci $\mathrm{C}=27\%$.
2. Împreună G și C ocupă $54\%$, deci A și T ocupă $100-54=46\%$.
3. Adenina și timina sunt în cantități egale: $\mathrm{A}=\mathrm{T}=23\%$.

Exemplu rezolvat 2. Calculăm masa dinucleotidului format din AMP ($M=347$ g/mol) și GMP ($M=363$ g/mol), unite printr-o legătură fosfodiesterică.

1. Formarea legăturii elimină o moleculă de apă, $M({\mathrm{H}}_2\mathrm{O})=18$ g/mol.
2. $M=347+363-18=692$ g/mol.
3. Un lanț de $10$ nucleotide ar pierde $9$ molecule de apă; fiecare legătură din lanț elimină exact o moleculă de apă.

Exemplu rezolvat 3. Un fragment de ADN bicatenar are $12$ perechi de baze: $5$ perechi A–T și $7$ perechi G–C. Numărăm legăturile.

1. Fiecare catenă are $12$ nucleotide și $11$ legături fosfodiesterice, deci $22$ în total.
2. Perechea A–T are $2$ punți de hidrogen, iar perechea G–C are $3$.
3. Numărul punților de hidrogen este $5\cdot 2+7\cdot 3=31$.

Compoziție. Bazele purinice sunt adenina și guanina; cele pirimidinice sunt citozina, timina (în ADN) și uracilul (în ARN). Pentozele sunt dezoxiriboza (${\mathrm{C}}_5{\mathrm{H}}_{10}{\mathrm{O}}_4$) și riboza (${\mathrm{C}}_5{\mathrm{H}}_{10}{\mathrm{O}}_5$). Hidroliza completă a ADN dă acid fosforic, dezoxiriboză și patru baze; hidroliza completă a ARN dă acid fosforic, riboză și patru baze. Un nucleozid este bază + pentoză; un nucleotid este nucleozid + fosfat (ATP este un nucleotid cu trei grupe fosfat). Baza se leagă de C1′ al pentozei, iar fosfatul de C5′.

Regulile lui Chargaff. În ADN bicatenar: $A=T$, $G=C$, deci $A+G=T+C$, iar $\%A+\%G=50\%$. Perechea $A=T$ are două legături de hidrogen, iar $G\equiv C$ are trei; de aceea un ADN bogat în $G+C$ are punct de topire mai ridicat.

Exemplu: un fragment de $1000$ nucleotide cu $30\%$ adenină are $300$ $A$, $300$ $T$, $200$ $G$ și $200$ $C$ (cu 500 perechi de baze). Numărul legăturilor de hidrogen este $300\cdot 2+200\cdot 3=1200$.

Exemplu: un ADN bicatenar de $2000$ nucleotide are $28\%$ guanină. Atunci $G=C=560$, iar $A=T=\frac{2000-2\cdot 560}{2}=440$. Legăturile de hidrogen sunt $440\cdot 2+560\cdot 3=2560$.

Dimensiuni. O pereche de baze măsoară $0,34$ nm, iar o tură de helix are $10$ perechi de baze ($3,4$ nm). Un ADN de $1000$ perechi de baze are lungimea $340$ nm.

Orientare. Catenele sunt antiparalele; secvența complementară se citește 5′→3′: complementul lui 5′-ATGC-3′ este 3′-TACG-5′, adică 5′-GCAT-3′. ARNm se sintetizează pe catena matriță: matrița 3′-TACGGT-5′ dă 5′-AUGCCA-3′.

Complement grupat. Se dau afirmațiile despre acizii nucleici:

1. Perechea A–T are două punți de hidrogen, iar perechea G–C are trei.
2. ARN conține timină, alături de adenină, guanină și citozină.
3. Un nucleotid este alcătuit dintr-o bază azotată, o pentoză și o grupă fosfat.
4. Cele două catene ale ADN se țin prin legături covalente fosfodiesterice.

Variante de răspuns:

• A. Numai 1, 2 și 3 sunt corecte.
• B. Numai 1 și 3 sunt corecte.
• C. Numai 2 și 4 sunt corecte.
• D. Numai 4 este corectă.
• E. Toate sunt corecte sau toate sunt false.

Rezolvare, afirmație cu afirmație:

• (1) Adevărată: A–T are 2 punți de hidrogen, G–C are 3.
• (2) Falsă: ARN conține uracil; timina există numai în ADN.
• (3) Adevărată: baza și pentoza formează nucleozidul, iar grupa fosfat îl face nucleotid.
• (4) Falsă: între catene sunt punți de hidrogen; legăturile fosfodiesterice leagă nucleotidele din aceeași catenă.

Răspuns corect: B.

Greșeli frecvente

• Greșit: ARN conține timină în loc de uracil.
  Corect: ARN are uracil; timina există numai în ADN.
• Greșit: Dacă A=30% în ADN bicatenar, G=30%.
  Corect: T=30%, iar G=C=20%.
• Greșit: Cele două catene ale ADN se țin prin legături covalente.
  Corect: Între catene există punți de hidrogen între bazele complementare; legăturile covalente (fosfodiesterice) leagă nucleotidele din aceeași catenă.
• Greșit: ADN conține riboză.
  Corect: ADN conține dezoxiriboză, iar riboza se află în ARN.
• Greșit: Un nucleotid este alcătuit numai din bază azotată și pentoză.
  Corect: Baza și pentoza formează nucleozidul; nucleotidul are în plus o grupă fosfat.

Înainte și după