¿Cuál es el papel biológico del ADN? Estructura y funciones. Estructura del ADN. Propiedades y funciones Propiedades y funciones del ADN en una célula.

Modelo de ADN espacial

Arroz. 5. Bases nitrogenadas que forman los ácidos nucleicos.

El bioquímico estadounidense Erwin Chargaff desarrolló métodos precisos para determinar el número de bases nitrogenadas y estableció las características de la composición química de los ácidos nucleicos. Esto jugó un papel importante en la comprensión de la estructura molecular del ADN. Descubrió que las bases nitrogenadas que forman el ADN (Figura 5.5) y aislado de células de varios organismos. (Fig. 5.8) obedecen las leyes. La suma de las bases purínicas (A + G) es siempre igual a la suma de las bases pirimidínicas (C + T).

Arroz. 5.6. La regla de Chargaff

Arroz. 5.7. Erwin Chargaff (1905-2002)

Arroz. 5.8. Bases nitrogenadas aisladas de células de varios organismos.

En 1953, el biólogo molecular estadounidense James Watson y el físico y genetista inglés Francis Crick (Figura 5.9), basado en datos de E. Chargaff y M. Wilkins, así como de Rosalind Franklin (Figura 5.10) construyó un modelo de la estructura espacial de la molécula de ADN. Este descubrimiento recibió el premio científico más importante: el Premio Nobel. .

Arroz. 5.9. James Watson y Francis Crick (1953)

Arroz. 5.10. Rosalind Franklin (1920-1958), biofísica y radiógrafa inglesa

Según el modelo de J. Watson y F. Crick, la molécula de ADN consta de dos largas cadenas de polinucleótidos complementarias retorcidas formando una doble hélice regular.

El diámetro de una doble hélice de ADN derecha es de aproximadamente 2 nm, una vuelta de la hélice (paso) es de 3,4 nm. Cada vuelta (paso) de la hélice contiene 10 pares de nucleótidos, la distancia entre nucleótidos es de 0,34 nm (Figura 5.11).

Arroz. 5.11. Estructura terciaria del ADN.

La columna vertebral esquelética de las cadenas de polinucleótidos contiene azúcares y fosfatos que se alternan regularmente unidos por enlaces covalentes. En el exterior de la molécula de ADN se encuentran dos cadenas de carbohidratos-fosfato, mientras que en su interior, perpendiculares al eje de la hélice, se encuentran las bases nitrogenadas.

La adenina de una cadena está conectada mediante dos enlaces de hidrógeno a la timina de la otra cadena.

Se forman tres enlaces de hidrógeno entre la guanina y la citosina.

Esta conexión de bases nitrogenadas asegura una fuerte conexión entre las dos cadenas y mantiene una distancia igual entre ellas en toda su longitud y se llama complementariedad (Figura 5.14).

Complementariedad - esta es la complementariedad espacial de las moléculas o sus partes, que conduce a la formación de enlaces de hidrógeno.

La complementariedad de cada par de bases individual crea la complementariedad de las dos cadenas de polinucleótidos en su conjunto.

Los enlaces de hidrógeno se producen entre la base purina de una cadena y la base pirimidina de otra cadena como resultado del apareamiento selectivo de bases.

Un compuesto de una de las purinas ( A o GRAMO) o pirimidinas ( C o t) con el resto del azúcar nucleósido.

Después de la adición de un grupo fosfato a un nucleósido, nucleótido, que contiene una base, un azúcar y un grupo fosfato. Se añade un grupo fosfato al nucleósido, reemplazando al grupo OH en la desoxirribosa (en la posición 5′). (Figura 5.12).

Arroz. 5.12. Formación de desoxirribonucleótido mediante combinación de fosfato, desoxirribosa y base nitrogenada.

Los nucleótidos son monómeros a partir de los cuales se construye una cadena de polinucleótidos. Al conectar dos nucleótidos entre sí se obtiene dinucleótidos, tres - trinucleótidos, entonces - tetranucleótidos, y así sucesivamente hasta una cadena de cientos de miles de nucleótidos en forma de largas cadenas lineales no ramificadas. polinucleótidos.

Las moléculas de ARN polinucleotídico tienen un peso molecular de 1,5 a 2,0 millones y constan de 4 a 6 mil nucleótidos. Los polinucleótidos de ADN suelen ser moléculas orgánicas gigantes con miles, millones o incluso miles de millones de nucleótidos. La secuencia de nucleótidos en una cadena molecular es estructura primaria moléculas de ADN (Figura 5.13).

Arroz. 5.13. Estructura primaria del ADN. Esquema de conectar nucleótidos en una cadena de polinucleótidos.

En las moléculas de ADN, dos cadenas de polinucleótidos tienen direcciones opuestas en relación con los enlaces 5"–3" y 3"–5", es decir Ellos antiparalelo (figura 5.14).

Así, en la organización estructural de la molécula de ADN existen tres niveles:
– estructura primaria– secuencia de nucleótidos en una cadena de polinucleótidos
– estructura secundaria - Dos cadenas de polinucleótidos complementarias y antiparalelas unidas por enlaces de hidrógeno. (Figura 5.14);

– estructura terciaria - espiral tridimensional con ciertas características espaciales (Figura 5.11).

Arroz. 5.14. Estructura secundaria del ADN.

Los enlaces de hidrógeno entre pares de nucleótidos complementarios (dos para un par A-T y tres para un par G-C) son relativamente débiles.

Por tanto, las hebras complementarias de una molécula de ADN pueden separarse y volverse a unir cuando cambian determinadas condiciones (por ejemplo, un cambio de temperatura o concentración de sal).

La separación del ADN de doble cadena se llama desnaturalización, y el proceso inverso es la formación de una estructura de ADN de doble cadena – hibridación.

La cadena antisentido es de gran importancia en la estabilización de la estructura de la doble hélice del ADN y participa en los procesos. replicación Y indemnización(restauración) de secciones de ADN dañadas.

Las moléculas de ADN son polímeros gigantes. Las unidades de medida de la longitud de una molécula son: pares de nucleótidos (pb). En humanos, el conjunto haploide contiene 3,2x10 9 pares de nucleótidos.

Casi todo el ADN de la célula está contenido en el núcleo en forma de 46 estructuras superenrolladas y muy compactas (cromosomas) debido a las interacciones con las proteínas nucleares. Una porción relativamente pequeña de ADN (alrededor del 5%) se localiza en las mitocondrias.

replicación del ADN

Durante la reproducción, el cigoto formado como resultado de la fusión de gametos da lugar a millones y miles de millones de células corporales. Cada molécula de ADN original da lugar a dos nuevas moléculas de ARN, manteniendo inalteradas todas las características de la molécula original.

El proceso de duplicación del ADN que ocurre entre procesos de división durante la etapa sintética de la interfase se llama replicación. Durante la replicación, la información codificada en la secuencia de bases nucleicas de la molécula de ADN original se transmite con la máxima precisión al ADN hijo.

En 1956, A. Kornberg aisló una enzima que era capaz de unir nucleótidos libres entre sí y le dio el nombre ADN polimerasa.

El método de replicación, característico de todos los eucariotas, incluido el humano, se conoce como replicación semiconservadora (Fig. 5.15).

Al comienzo del proceso de replicación, una enzima especial, la helicasa, desenrolla el ADN original en dos hebras, cada una de las cuales sirve como plantilla que determina la secuencia de una nueva hebra de ADN complementaria.

En la replicación semiconservativa, las células hijas de primera generación reciben sólo una de las cadenas de ADN de la célula madre.

La segunda cadena se sintetiza de nuevo y es complementaria a la cadena original. Por tanto, sólo dos de las cuatro células hijas de segunda generación contienen una hebra del ADN parental original. Dado que la ADN polimerasa cataliza la replicación en una sola dirección (5"®3"), sólo se completa continuamente una nueva hebra de la molécula de ADN (sentido). La segunda cadena (antisentido) es sintetizada por otra ADN polimerasa que se mueve en dirección opuesta, en forma de secciones cortas de ADN (fragmentos de Okazaki).

Estos fragmentos de ADN luego se unen en una sola cadena mediante la enzima ADN ligasa. Por lo tanto, la replicación del ADN garantiza la máxima precisión en la reproducción de la información genética contenida en la secuencia de bases del ADN y, por lo tanto, implementa las funciones principales del ADN: la preservación de la información genética y su reproducción precisa a lo largo de varias generaciones.

Arroz. 5.15. Mecanismo semiconservador de replicación del ADN.

Las propiedades del ADN están determinadas por su estructura:

1. Versatilidad- los principios de construcción del ADN son los mismos para todos los organismos.

2. Especificidad- determinado por la proporción de bases nitrogenadas: A+T,

que es específico de cada especie. Así, en humanos es 1,35, en bacterias – 0,39.

La especificidad depende de:

número de nucleótidos

tipo de nucleótidos

disposición de los nucleótidos en la cadena de ADN

2. Replicación o autoduplicación del ADN: ADN↔ADN. El programa genético de los organismos celulares está escrito en la secuencia de nucleótidos del ADN. Para preservar las propiedades únicas del organismo, es necesario reproducir con precisión esta secuencia en cada generación posterior. Durante la división celular, el contenido de ADN debe duplicarse para que cada célula hija pueda recibir el espectro completo de ADN, es decir. en cualquier célula somática humana en división, se deben copiar 6,4 * 10 9 pares de nucleótidos. El proceso de duplicación del ADN se llama replicación. La replicación se refiere a reacciones de síntesis de plantillas. Durante la replicación, cada una de las dos cadenas de ADN sirve como plantilla para la formación de una cadena complementaria (hija). Ocurre durante el período S de la interfase del ciclo celular. La alta fiabilidad del proceso de replicación garantiza una transmisión de información genética prácticamente sin errores a lo largo de varias generaciones. La señal desencadenante para el inicio de la síntesis de ADN en el período S es el llamado factor S (proteínas específicas). Conociendo la tasa de replicación y la longitud del cromosoma eucariota, podemos calcular el tiempo de replicación, que en teoría es de varios días, pero en la práctica la replicación se lleva a cabo en 6 a 12 horas. De esto se deduce que la replicación en eucariotas comienza simultáneamente en varios lugares de una molécula de ADN.

La unidad de replicación es el replicón. Un replicón es una sección de ADN donde ocurre la replicación. El número de replicones por cromosoma en interfase en eucariotas puede llegar a 100 o más. En una célula de mamífero puede haber entre 20 y 30 mil replicones, en una persona, aproximadamente 50 mil. A una velocidad fija de crecimiento de la cadena (en eucariotas, 100 nucleótidos por segundo), la iniciación múltiple garantiza una mayor velocidad del proceso y una reducción de la velocidad. el tiempo necesario para la duplicación de secciones extendidas de cromosomas, aquellos. en eucariotas se lleva a cabo polirreplicón replicación. (Figura 21)

El replicón contiene todos los genes y secuencias reguladoras necesarias que permiten la replicación. Cada replicón se activa una vez durante la división celular. La replicación se controla en la etapa de iniciación. Una vez que el proceso de duplicación ha comenzado, continuará hasta que se haya duplicado todo el replicón.

En los procariotas, todo el ADN es un replicón.

Fig.21. Replicación del ADN cromosómico eucariota. La replicación procede en dos direcciones desde diferentes orígenes de replicación (Ori) con la formación de vesículas. La "burbuja" u "ojo" es un área de ADN replicado dentro de ADN no replicado. (A. S. Konichev, G. A. Sevastyanova, 2005, p. 213)

Las enzimas involucradas en el proceso de replicación se combinan en un complejo multienzimático.. En la replicación del ADN participan 15 enzimas en procariotas y más de 30 en eucariotas, es decir. la replicación es un proceso enzimático de varios pasos extremadamente complejo y superpreciso. Los complejos enzimáticos incluyen las siguientes enzimas:

1) ADN polimerasas (I, III), catalizan la copia complementaria, es decir. son responsables del crecimiento de la cadena hija. (Fig. 22) Los procariotas se replican a una velocidad de 1000 nucleótidos por segundo y los eucariotas se replican a una velocidad de 100 nucleótidos por segundo. La tasa reducida de síntesis en eucariotas se asocia con una disociación difícil de las proteínas histonas, que deben eliminarse para que la ADN polimerasa avance a lo largo de la cadena de ADN en la horquilla de replicación.

2) ADN - primasa. Las ADN polimerasas pueden alargar una cadena de polinucleótidos uniendo nucleótidos existentes. Por lo tanto, para que la ADN polimerasa comience la síntesis de ADN, necesita un cebador (del inglés primer). La ADN primasa sintetiza dicho cebador, que luego es reemplazado por segmentos de ADN. (Figura 22).

3) La ADN ligasa conecta los fragmentos de Okazaki entre sí mediante la formación de un enlace fosfodiéster.

4) ADN – helicasa, desenrolla la hélice del ADN, rompe los enlaces de hidrógeno entre ellas. Como resultado, se forman dos ramas de ADN únicas con direcciones diferentes (Fig. 22).

5) SSB: proteínas que se unen al ADN monocatenario y lo estabilizan, es decir. crean las condiciones para el apareamiento complementario.

La replicación del ADN no comienza en ningún punto aleatorio de la molécula, sino en lugares específicos llamados región(es) de origen de replicación (Ori). Tienen secuencias de nucleótidos específicas, lo que facilita la separación de cadenas (Fig. 21). Como resultado del inicio de la replicación en el punto Ori, se forman una o dos horquillas de replicación, lugares donde se separan las cadenas de ADN originales. El proceso de copia continúa hasta que el ADN se duplica por completo o hasta que se fusionan las bifurcaciones de replicación de dos orígenes de replicación adyacentes. Los orígenes de la replicación en eucariotas se encuentran dispersos a lo largo del cromosoma a una distancia de 20.000 pares de nucleótidos (Fig. 21).

Fig.22. Replicación del ADN (explicación en el texto). (B. Alberts et al., 1994, vol. 2, p. 82)

enzima – helicasa– rompe los enlaces de hidrógeno, es decir desenrolla la doble cadena, formando dos ramas de ADN dirigidas de manera diferente (Fig. 22). Las regiones monocatenarias están unidas por medios especiales. Proteínas SSB, que se alinean fuera de cada cadena madre y las separan entre sí. Esto hace que las bases nitrogenadas estén disponibles para unirse a nucleótidos complementarios. En la convergencia de estos En las ramas en la dirección de la replicación del ADN, se encuentra la enzima ADN polimerasa, que cataliza el proceso y controla la precisión de la síntesis complementaria. La peculiaridad del trabajo de esta enzima es su unidireccionalidad, es decir. construcción cadena hija de ADN va en la dirección de 5" fin de 3" . En una cadena madre, se produce la síntesis de ADN hijo. continuamente(cadena líder). ella crece de 5" a 3" termina en la dirección del movimiento de la horquilla de replicación y por lo tanto requiere sólo un acto de iniciación. En otra cadena madre, la síntesis de la cadena hija se produce en forma de fragmentos cortos con el habitual 5" - 3" polaridad y con la ayuda de enzimas - ligasa están cosidos en una cadena retrasada continua. Por tanto, la síntesis de la cadena retrasada requiere varios actos (puntos) de iniciación.

Este método de síntesis se llama replicación intermitente. Las regiones de fragmentos sintetizadas en la cadena retrasada se denominan fragmentos en honor al descubridor. Okazaki. Se encuentran en todo el ADN que se replica, tanto procariotas como eucariotas. Su longitud corresponde a 1000-2000 nucleótidos en procariotas y 100-200 en eucariotas. Por lo tanto, como resultado de la replicación, se forman 2 moléculas de ADN idénticas, en las que una cadena es la madre y la otra está recién sintetizada. Este tipo de replicación se llama semiconservador. La suposición sobre este método de replicación fue formulada por J. Watson y F. Crick y demostrada en 1958. METRO. meselson Y F. estancamiento. Después de la replicación, la cromatina es un sistema de 2 moléculas de ADN descompactadas unidas por un centrómero.

Durante el proceso de replicación pueden ocurrir errores, que ocurren con la misma frecuencia en procariotas y eucariotas. uno por 10 8 -10 10 nucleótidos, es decir. en promedio 3 errores por genoma. Esta es una prueba de la alta precisión y coordinación de los procesos de replicación.

Los errores de replicación se corrigen mediante la ADN polimerasa III (“mecanismo de corrección”) o el sistema de reparación.

2. Reparación- esta es la propiedad del ADN de restaurar su integridad, es decir reparar daños. La transmisión de información hereditaria en forma no distorsionada es la condición más importante para la supervivencia tanto de un organismo individual como de la especie en su conjunto. La mayoría de los cambios son perjudiciales para la célula y provocan mutaciones, bloquean la replicación del ADN o provocan la muerte celular. El ADN está constantemente expuesto a factores ambientales espontáneos (errores de replicación, alteración de la estructura de nucleótidos, etc.) e inducidos (irradiación ultravioleta, radiación ionizante, mutágenos químicos y biológicos). En el curso de la evolución, se ha desarrollado un sistema que nos permite corregir violaciones en el ADN: sistema de reparación de ADN. Como resultado de su actividad, por cada 1.000 daños en el ADN, sólo uno provoca mutaciones. El daño es cualquier cambio en el ADN que provoque una desviación de la estructura bicatenaria normal:

1) la aparición de roturas de una sola hebra;

2) eliminación de una de las bases, como resultado de lo cual su homólogo queda desapareado;

3) sustitución de una base en un par complementario por otra, emparejada incorrectamente con la base asociada;

4) la aparición de enlaces covalentes entre las bases de una cadena de ADN o entre bases de cadenas opuestas.

La reparación puede tener lugar antes de la duplicación del ADN (reparación previa a la replicación) y después de la duplicación del ADN (postreplicativa). Dependiendo de la naturaleza de los mutágenos y del grado de daño del ADN, en la célula se produce luz (fotorreactivación), oscuridad, reparación SOS, etc.

Piensa eso fotorreactivación ocurre en la célula si el daño al ADN es causado por condiciones naturales (características fisiológicas del organismo, factores ambientales normales, incluidos los rayos ultravioleta). En este caso, la restauración de la integridad del ADN se produce con la participación de la luz visible: la enzima reparadora se activa mediante cuantos de luz visible, se conecta al ADN dañado, separa los dímeros de pirimidina del área dañada y restaura la integridad de la cadena de ADN.

Reparación oscura (escisión) observado después de la exposición a radiaciones ionizantes, productos químicos, etc. Implica eliminar el área dañada y restaurar la estructura normal de la molécula de ADN (Fig. 23). Este tipo de reparación requiere una segunda hebra complementaria de ADN. La reparación oscura ocurre en varias etapas e involucra un complejo de enzimas, a saber:

1) una enzima que reconoce una sección dañada de la cadena de ADN

2) ADN: endonucleasa, rompe la cadena de ADN dañada.

3) la exonucleasa elimina la parte modificada de la cadena de ADN

4) La ADN polimerasa I sintetiza una nueva sección de ADN para reemplazar la eliminada.

5) La ADN ligasa une el extremo de la cadena de ADN antigua con la recién sintetizada, es decir. cierra los dos extremos del ADN (Fig. 23). 25 proteínas enzimáticas participan en la reparación de la oscuridad en humanos.

En caso de un gran daño en el ADN que amenaza la vida de las células, se enciende Reparación SOS. La reparación SOS fue descubierta en 1974. Este tipo de reparación se observa tras la exposición a grandes dosis de radiación ionizante. Un rasgo característico de la reparación SOS es la inexactitud en la restauración de la estructura primaria del ADN, razón por la cual recibió el nombre reparaciones propensas a errores. El objetivo principal de la reparación SOS es mantener la viabilidad celular.

Las alteraciones en el sistema de reparación pueden provocar un envejecimiento prematuro, el desarrollo de cáncer, enfermedades del sistema autoinmune y la muerte de una célula u organismo.

Arroz. 23. Reparación del ADN dañado mediante la sustitución de residuos de nucleótidos modificados (reparación en oscuridad o reparación por escisión). (M. Singer, P. Berg, 1998, vol. 1, p. 100)

A la derecha está la hélice más grande de ADN humano, construida a partir de personas en la playa de Varna (Bulgaria), incluida en el Libro Guinness de los Récords el 23 de abril de 2016.

Ácido desoxirribonucleico. información general

El ADN (ácido desoxirribonucleico) es una especie de modelo de vida, un código complejo que contiene datos sobre información hereditaria. Esta compleja macromolécula es capaz de almacenar y transmitir información genética hereditaria de generación en generación. El ADN determina propiedades de cualquier organismo vivo como la herencia y la variabilidad. La información codificada en él establece todo el programa de desarrollo de cualquier organismo vivo. Los factores determinados genéticamente predeterminan todo el curso de la vida tanto de una persona como de cualquier otro organismo. Las influencias artificiales o naturales del entorno externo sólo pueden afectar ligeramente la expresión general de los rasgos genéticos individuales o afectar el desarrollo de procesos programados.

Ácido desoxirribonucleico(ADN) es una macromolécula (una de las tres principales, las otras dos son ARN y proteínas) que asegura el almacenamiento, la transmisión de generación en generación y la implementación del programa genético para el desarrollo y funcionamiento de los organismos vivos. El ADN contiene información sobre la estructura de varios tipos de ARN y proteínas.

En las células eucariotas (animales, plantas y hongos), el ADN se encuentra en el núcleo celular como parte de los cromosomas, así como en algunos orgánulos celulares (mitocondrias y plastidios). En las células de los organismos procarióticos (bacterias y arqueas), una molécula de ADN circular o lineal, el llamado nucleoide, está unida desde el interior a la membrana celular. En ellos y en los eucariotas inferiores (por ejemplo, la levadura), también se encuentran pequeñas moléculas de ADN autónomas, predominantemente circulares, llamadas plásmidos.

Desde un punto de vista químico, el ADN es una larga molécula de polímero que consta de bloques repetidos llamados nucleótidos. Cada nucleótido consta de una base nitrogenada, un azúcar (desoxirribosa) y un grupo fosfato. Los enlaces entre los nucleótidos de la cadena están formados por desoxirribosa ( CON) y fosfato ( F) grupos (enlaces fosfodiéster).

Arroz. 2. Un nucleótido está formado por una base nitrogenada, un azúcar (desoxirribosa) y un grupo fosfato.

En la gran mayoría de los casos (a excepción de algunos virus que contienen ADN monocatenario), la macromolécula de ADN consta de dos cadenas orientadas con bases nitrogenadas entre sí. Esta molécula de doble cadena está retorcida a lo largo de una hélice.

Hay cuatro tipos de bases nitrogenadas que se encuentran en el ADN (adenina, guanina, timina y citosina). Las bases nitrogenadas de una de las cadenas están conectadas a las bases nitrogenadas de la otra cadena mediante enlaces de hidrógeno según el principio de complementariedad: la adenina se combina sólo con timina ( EN), guanina - solo con citosina ( GC). Son estos pares los que forman los "peldaños" de la "escalera" en espiral del ADN (ver: Fig. 2, 3 y 4).

Arroz. 2. Bases nitrogenadas

La secuencia de nucleótidos permite "codificar" información sobre varios tipos de ARN, los más importantes son el mensajero o molde (ARNm), el ribosomal (ARNr) y el transporte (ARNt). Todos estos tipos de ARN se sintetizan en una plantilla de ADN copiando una secuencia de ADN en una secuencia de ARN sintetizada durante la transcripción y participan en la biosíntesis de proteínas (el proceso de traducción). Además de secuencias codificantes, el ADN celular contiene secuencias que realizan funciones reguladoras y estructurales.

Arroz. 3. replicación del ADN

La disposición de las combinaciones básicas de los compuestos químicos del ADN y las relaciones cuantitativas entre estas combinaciones garantizan la codificación de la información hereditaria.

Educación nuevo ADN (replicación)

1. Proceso de replicación: desenrollado de la doble hélice del ADN - síntesis de hebras complementarias por la ADN polimerasa - formación de dos moléculas de ADN a partir de una.
2. La doble hélice se "abre" en dos ramas cuando las enzimas rompen el enlace entre los pares de bases de los compuestos químicos.
3. Cada rama es un elemento del nuevo ADN. Los nuevos pares de bases se conectan en la misma secuencia que en la rama principal.

Una vez completada la duplicación, se forman dos hélices independientes, creadas a partir de compuestos químicos del ADN original y que tienen el mismo código genético. De esta forma, el ADN es capaz de transmitir información de una célula a otra.

Información más detallada:

ESTRUCTURA DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS

Arroz. 4 . Bases nitrogenadas: adenina, guanina, citosina, timina.

Ácido desoxirribonucleico(ADN) se refiere a ácidos nucleicos. Ácidos nucleicos son una clase de biopolímeros irregulares cuyos monómeros son nucleótidos.

NUCLEÓTIDOS consiste en base de nitrogeno, conectado a un carbohidrato de cinco carbonos (pentosa) - desoxirribosa(en caso de ADN) o ribosa(en el caso del ARN), que se combina con un residuo de ácido fosfórico (H 2 PO 3 -).

bases nitrogenadas Hay dos tipos: bases pirimidínicas: uracilo (solo en ARN), citosina y timina, bases purínicas: adenina y guanina.

Arroz. 5. Estructura de los nucleótidos (izquierda), ubicación del nucleótido en el ADN (abajo) y tipos de bases nitrogenadas (derecha): pirimidina y purina.

Los átomos de carbono de la molécula de pentosa están numerados del 1 al 5. El fosfato se combina con el tercer y quinto átomo de carbono. Así es como se combinan los nucleinotidos en una cadena de ácido nucleico. Así, podemos distinguir los extremos 3' y 5' de la cadena de ADN:

Arroz. 6. Aislamiento de los extremos 3' y 5' de la cadena de ADN.

Se forman dos hebras de ADN. doble hélice. Estas cadenas en espiral están orientadas en direcciones opuestas. En diferentes cadenas de ADN, las bases nitrogenadas están conectadas entre sí por enlaces de hidrógeno. La adenina siempre se empareja con timina y la citosina siempre se empareja con guanina. Se llama regla de complementariedad.

Regla de complementariedad:

A-T GC

Por ejemplo, si nos dan una cadena de ADN con la secuencia

3’- ATGTCCTAGCTGCTCG - 5’,

luego la segunda cadena será complementaria a ella y estará dirigida en la dirección opuesta, desde el extremo 5’ hasta el extremo 3’:

5'- TACAGGATCGACGAGC- 3'.

Arroz. 7. Dirección de las cadenas de la molécula de ADN y conexión de bases nitrogenadas mediante enlaces de hidrógeno.

REPLICACIÓN DEL ADN

replicación del ADN Es el proceso de duplicar una molécula de ADN mediante la síntesis de plantillas. En la mayoría de los casos de replicación natural del ADN.cebadorpara la síntesis de ADN es fragmento corto (recreado). Dicho cebador de ribonucleótido es creado por la enzima primasa (ADN primasa en procariotas, ADN polimerasa en eucariotas) y posteriormente es reemplazado por desoxirribonucleótido polimerasa, que normalmente realiza funciones de reparación (corrigiendo daños químicos y roturas en la molécula de ADN).

La replicación se produce según un mecanismo semiconservativo. Esto significa que la doble hélice del ADN se desenrolla y sobre cada una de sus cadenas se construye una nueva cadena según el principio de complementariedad. Por tanto, la molécula de ADN hija contiene una hebra de la molécula madre y una recién sintetizada. La replicación ocurre en la dirección desde el extremo 3' al 5' de la cadena madre.

Arroz. 8. Replicación (duplicación) de una molécula de ADN.

síntesis de ADN- Este no es un proceso tan complicado como podría parecer a primera vista. Si lo piensas bien, primero debes descubrir qué es la síntesis. Este es el proceso de combinar algo en un todo. La formación de una nueva molécula de ADN se produce en varias etapas:

1) La ADN topoisomerasa, situada delante de la horquilla de replicación, corta el ADN para facilitar su desenrollado y desenrollado.
2) La ADN helicasa, después de la topoisomerasa, influye en el proceso de "desenredamiento" de la hélice del ADN.
3) Las proteínas de unión al ADN unen las hebras de ADN y también las estabilizan, evitando que se peguen entre sí.
4) ADN polimerasa δ(delta) , coordinado con la velocidad de movimiento de la horquilla de replicación, realiza la síntesisprincipalcadenas subsidiario ADN en la dirección 5"→3" en la matriz materno Las hebras de ADN van desde su extremo de 3" hasta el extremo de 5" (velocidad de hasta 100 pares de nucleótidos por segundo). Estos eventos en este materno Las cadenas de ADN son limitadas.

Arroz. 9. Representación esquemática del proceso de replicación del ADN: (1) Hebra retrasada (cadena retrasada), (2) Hebra principal (cadena principal), (3) ADN polimerasa α (Polα), (4) ADN ligasa, (5) ARN -cebador, (6) primasa, (7) fragmento de Okazaki, (8) ADN polimerasa δ (Polδ), (9) helicasa, (10) proteínas de unión a ADN monocatenarias, (11) topoisomerasa.

La síntesis de la cadena rezagada del ADN hijo se describe a continuación (ver. Esquema horquilla de replicación y funciones de las enzimas de replicación)

Para obtener más información sobre la replicación del ADN, consulte

5) Inmediatamente después de que la otra hebra de la molécula madre se desenreda y se estabiliza, se une a ella.ADN polimerasa α(alfa)y en la dirección 5"→3" sintetiza un cebador (cebador de ARN), una secuencia de ARN en una plantilla de ADN con una longitud de 10 a 200 nucleótidos. Después de esto la enzimaeliminado de la cadena de ADN.

En lugar de ADN polimerasasα está unido al extremo de 3" del cebador ADN polimerasaε .

6) ADN polimerasaε (épsilon) Parece continuar extendiendo la imprimación, pero la inserta como sustrato.desoxirribonucleótidos(en la cantidad de 150-200 nucleótidos). Como resultado, se forma un solo hilo a partir de dos partes:ARN(es decir, imprimación) y ADN. ADN polimerasa εcorre hasta que encuentra el cebador anteriorfragmento de Okazaki(sintetizado un poco antes). Después de esto, esta enzima se elimina de la cadena.

7) ADN polimerasa β(beta) se encuentra en su lugarADN polimerasa ε,se mueve en la misma dirección (5"→3") y elimina los ribonucleótidos del cebador mientras simultáneamente inserta desoxirribonucleótidos en su lugar. La enzima actúa hasta que el cebador se elimina por completo, es decir. hasta que un desoxirribonucleótido (un sintetizado incluso antesADN polimerasa ε). La enzima no es capaz de conectar el resultado de su trabajo con el ADN anterior, por lo que se sale de la cadena.

Como resultado, un fragmento de ADN hijo "yace" en la matriz de la cadena madre. Se llamafragmento de Okazaki.

8) La ADN ligasa reticula dos adyacentes. fragmentos de Okazaki , es decir. 5" final del segmento sintetizadoADN polimerasa ε,y cadena de extremo de 3" incorporadaADN polimerasaβ .

ESTRUCTURA DEL ARN

Ácido ribonucleico(ARN) es una de las tres macromoléculas principales (las otras dos son ADN y proteínas) que se encuentran en las células de todos los organismos vivos.

Al igual que el ADN, el ARN consta de una larga cadena en la que cada eslabón se llama nucleótido. Cada nucleótido consta de una base nitrogenada, un azúcar ribosa y un grupo fosfato. Sin embargo, a diferencia del ADN, el ARN suele tener una hebra en lugar de dos. La pentosa del ARN es ribosa, no desoxirribosa (la ribosa tiene un grupo hidroxilo adicional en el segundo átomo de carbohidrato). Finalmente, el ADN se diferencia del ARN en la composición de bases nitrogenadas: en lugar de timina ( t) El ARN contiene uracilo ( Ud.) , que también es complementario a la adenina.

La secuencia de nucleótidos permite que el ARN codifique información genética. Todos los organismos celulares utilizan ARN (ARNm) para programar la síntesis de proteínas.

El ARN celular se produce mediante un proceso llamado transcripción , es decir, la síntesis de ARN en una matriz de ADN, realizada por enzimas especiales - ARN polimerasas.

Luego, los ARN mensajeros (ARNm) participan en un proceso llamado transmisión, aquellos. Síntesis de proteínas en una matriz de ARNm con la participación de ribosomas. Otros ARN sufren modificaciones químicas después de la transcripción y, después de la formación de estructuras secundarias y terciarias, realizan funciones según el tipo de ARN.

Arroz. 10. La diferencia entre ADN y ARN en la base nitrogenada: en lugar de timina (T), el ARN contiene uracilo (U), que también es complementario a la adenina.

TRANSCRIPCIÓN

Este es el proceso de síntesis de ARN sobre una plantilla de ADN. El ADN se desenrolla en uno de los sitios. Una de las hebras contiene información que debe copiarse en una molécula de ARN; esta hebra se llama hebra codificante. La segunda cadena de ADN, complementaria a la codificante, se llama plantilla. Durante la transcripción, se sintetiza una cadena de ARN complementaria en la cadena plantilla en la dirección 3' - 5' (a lo largo de la cadena de ADN). Esto crea una copia de ARN de la cadena codificante.

Arroz. 11. Representación esquemática de la transcripción.

Por ejemplo, si nos dan la secuencia de la cadena de codificación

3’- ATGTCCTAGCTGCTCG - 5’,

entonces, de acuerdo con la regla de complementariedad, la cadena de la matriz llevará la secuencia

5’- TACAGGATCGACGAGC- 3’,

y el ARN sintetizado a partir de él es la secuencia

TRANSMISIÓN

Consideremos el mecanismo. síntesis de proteínas sobre la matriz de ARN, así como el código genético y sus propiedades. Además, para mayor claridad, en el enlace a continuación, recomendamos ver un breve video sobre los procesos de transcripción y traducción que ocurren en una célula viva:

Arroz. 12. Proceso de síntesis de proteínas: el ADN codifica el ARN, el ARN codifica la proteína.

CODIGO GENETICO

Codigo genetico- un método para codificar la secuencia de aminoácidos de proteínas utilizando una secuencia de nucleótidos. Cada aminoácido está codificado por una secuencia de tres nucleótidos: un codón o triplete.

Código genético común a la mayoría de pro y eucariotas. La tabla muestra los 64 codones y los aminoácidos correspondientes. El orden de las bases es desde el extremo de 5" al 3" del ARNm.

Tabla 1. Código genético estándar

1er la base ción	2da base								3er la base ción
	Ud.		C		A		GRAMO
Ud.	U U U	(Phe/F)	U C U	(Ser/S)	U A U	(Tir/Y)	UG U	(Cis/C)	Ud.
	U U C		UCC		UAC		UGC		C
	U U A	(Leu/L)	UCA		UAA	Codón de parada**	UG A	Codón de parada**	A
	U U G		UC G		UAG	Codón de parada**	UGG	(Pr/W)	GRAMO
C	CUU		C C U	(Apuntalar)	C A U	(Su/H)	C G U	(Arg/R)	Ud.
	CUC		C C C		C.A.C.		C G C		C
	cu a		C C A		C A A	(Gln/Q)	C.G.A.		A
	C U G		C C G		C.A.G.		C G G		GRAMO
A	A U U	(Ile/yo)	ACU	(Thr/T)	A A U	(Asn/N)	AGU	(Ser/S)	Ud.
	AUC		A.C.C.		AAC		agc		C
	A U A		A C A		A A A	(Lys/K)	ag a		A
	AGO	(Cumplido/M)	A C G		A A G		agg		GRAMO
GRAMO	GU U	(Val/V)	G C U	(Ala/A)	G A U	(Asp/D)	G G U	(Gli/G)	Ud.
	GUC		GCC		GAC		G G C		C
	gua		GCA		G A A	(Pegamento)	G G A		A
	G U G		G C G		GA G		G G G		GRAMO

Entre los trillizos, hay 4 secuencias especiales que sirven como “signos de puntuación”:

• *Trillizo AGO, que también codifica metionina, se llama codón de inicio. La síntesis de una molécula de proteína comienza con este codón. Así, durante la síntesis de proteínas, el primer aminoácido de la secuencia siempre será la metionina.

• **Trillizos AUA, UAG Y U.G.A. son llamados codones de parada y no codifican ni un solo aminoácido. En estas secuencias, se detiene la síntesis de proteínas.

Propiedades del código genético.

1. Triplete. Cada aminoácido está codificado por una secuencia de tres nucleótidos: un triplete o codón.

2. Continuidad. No hay nucleótidos adicionales entre los tripletes; la información se lee continuamente.

3. No superpuestos. Un nucleótido no puede incluirse en dos tripletes al mismo tiempo.

4. Sin ambigüedad. Un codón puede codificar sólo un aminoácido.

5. Degeneración. Un aminoácido puede estar codificado por varios codones diferentes.

6. Versatilidad. El código genético es el mismo para todos los organismos vivos.

Ejemplo. Se nos da la secuencia de la cadena de codificación:

3’- CCGATTGCACGTCGATCGTATA- 5’.

La cadena matricial tendrá la secuencia:

5’- GGCTAACGTGCAGCTAGCATAT- 3’.

Ahora “sintetizamos” información de ARN a partir de esta cadena:

3’- CCGAUUGCACGUCGAUCAUCGUAUA- 5’.

La síntesis de proteínas avanza en la dirección 5’ → 3’, por lo tanto, necesitamos invertir la secuencia para “leer” el código genético:

5’- AUAUGCUAGCUGCACGUUAGCC- 3’.

Ahora busquemos el codón de inicio AUG:

5’- AU AGO CUAGCUGCACGUUAGCC- 3’.

Dividamos la secuencia en tripletes:

Suena así: la información se transfiere del ADN al ARN (transcripción), del ARN a la proteína (traducción). El ADN también se puede duplicar mediante replicación, y el proceso de transcripción inversa también es posible cuando el ADN se sintetiza a partir de una plantilla de ARN, pero este proceso es principalmente característico de los virus.

Arroz. 13. Dogma Central de la Biología Molecular

GENOMA: GENES y CROMOSOMAS

(conceptos generales)

Genoma: la totalidad de todos los genes de un organismo; su conjunto completo de cromosomas.

El término "genoma" fue propuesto por G. Winkler en 1920 para describir el conjunto de genes contenidos en el conjunto haploide de cromosomas de organismos de una especie biológica. El significado original de este término indicaba que el concepto de genoma, a diferencia de genotipo, es una característica genética de la especie en su conjunto, y no de un individuo. Con el desarrollo de la genética molecular, el significado de este término ha cambiado. Se sabe que el ADN, que es el portador de información genética en la mayoría de los organismos y, por tanto, forma la base del genoma, incluye no sólo genes en el sentido moderno de la palabra. La mayor parte del ADN de las células eucariotas está representado por secuencias de nucleótidos no codificantes ("redundantes") que no contienen información sobre proteínas y ácidos nucleicos. Por tanto, la parte principal del genoma de cualquier organismo es el ADN completo de su conjunto haploide de cromosomas.

Los genes son secciones de moléculas de ADN que codifican polipéptidos y moléculas de ARN.

Durante el último siglo, nuestra comprensión de los genes ha cambiado significativamente. Anteriormente, un genoma era una región de un cromosoma que codifica o define una característica o fenotípico propiedad (visible), como el color de ojos.

En 1940, George Beadle y Edward Tatham propusieron una definición molecular del gen. Los científicos procesaron esporas de hongos Neurospora crasa Rayos X y otros agentes que provocan cambios en la secuencia del ADN ( mutaciones) y descubrieron cepas mutantes del hongo que habían perdido algunas enzimas específicas, lo que en algunos casos provocaba la alteración de toda la ruta metabólica. Beadle y Tatem concluyeron que un gen es una pieza de material genético que especifica o codifica una única enzima. Así apareció la hipótesis. "un gen, una enzima". Este concepto se amplió posteriormente para definir "un gen, un polipéptido", ya que muchos genes codifican proteínas que no son enzimas y el polipéptido puede ser una subunidad de un complejo proteico complejo.

En la Fig. La Figura 14 muestra un diagrama de cómo los tripletes de nucleótidos en el ADN determinan un polipéptido, la secuencia de aminoácidos de una proteína, mediante la mediación del ARNm. Una de las cadenas de ADN desempeña el papel de plantilla para la síntesis de ARNm, cuyos tripletes de nucleótidos (codones) son complementarios a los tripletes de ADN. En algunas bacterias y muchos eucariotas, las secuencias codificantes están interrumpidas por regiones no codificantes (llamadas intrones).

Determinación bioquímica moderna del gen. aún más específico. Los genes son todas secciones de ADN que codifican la secuencia primaria de productos finales, que incluyen polipéptidos o ARN que tienen una función estructural o catalítica.

Además de los genes, el ADN también contiene otras secuencias que desempeñan una función exclusivamente reguladora. Secuencias regulatorias puede marcar el comienzo o el final de genes, influir en la transcripción o indicar el sitio de inicio de la replicación o recombinación. Algunos genes se pueden expresar de diferentes maneras, y la misma región del ADN sirve como plantilla para la formación de diferentes productos.

Podemos calcular aproximadamente tamaño mínimo del gen, que codifica la proteína media. Cada aminoácido de una cadena polipeptídica está codificado por una secuencia de tres nucleótidos; las secuencias de estos tripletes (codones) corresponden a la cadena de aminoácidos del polipéptido que está codificado por este gen. Una cadena polipeptídica de 350 residuos de aminoácidos (cadena de longitud media) corresponde a una secuencia de 1050 pb. ( pares de bases). Sin embargo, muchos genes eucariotas y algunos genes procarióticos están interrumpidos por segmentos de ADN que no contienen información proteica y, por lo tanto, resultan ser mucho más largos de lo que muestra un simple cálculo.

¿Cuántos genes hay en un cromosoma?

Arroz. 15. Vista de los cromosomas en células procarióticas (izquierda) y eucariotas. Las histonas son una gran clase de proteínas nucleares que realizan dos funciones principales: participan en el empaquetamiento de las cadenas de ADN en el núcleo y en la regulación epigenética de procesos nucleares como la transcripción, replicación y reparación.

Como se sabe, las células bacterianas tienen un cromosoma en forma de una cadena de ADN dispuesta en una estructura compacta: un nucleoide. cromosoma procariótico Escherichia coli, cuyo genoma ha sido completamente descifrado, es una molécula de ADN circular (de hecho, no es un círculo perfecto, sino un bucle sin principio ni fin), formada por 4.639.675 pb. Esta secuencia contiene aproximadamente 4.300 genes de proteínas y otros 157 genes para moléculas de ARN estables. EN Genoma humano aproximadamente 3,1 mil millones de pares de bases correspondientes a casi 29.000 genes ubicados en 24 cromosomas diferentes.

Procariotas (Bacterias).

Bacteria E. coli Tiene una molécula de ADN circular de doble cadena. Consta de 4.639.675 pb. y alcanza una longitud de aproximadamente 1,7 mm, que supera la longitud de la propia célula E. coli aproximadamente 850 veces. Además del gran cromosoma circular como parte del nucleoide, muchas bacterias contienen una o varias pequeñas moléculas circulares de ADN que se encuentran libremente en el citosol. Estos elementos extracromosómicos se llaman plásmidos(Figura 16).

La mayoría de los plásmidos constan de sólo unos pocos miles de pares de bases, algunos contienen más de 10.000 pb. Transportan información genética y se replican para formar plásmidos hijos, que ingresan a las células hijas durante la división de la célula madre. Los plásmidos se encuentran no sólo en bacterias, sino también en levaduras y otros hongos. En muchos casos, los plásmidos no aportan ningún beneficio a las células huésped y su único propósito es reproducirse de forma independiente. Sin embargo, algunos plásmidos portan genes beneficiosos para el huésped. Por ejemplo, los genes contenidos en los plásmidos pueden hacer que las células bacterianas sean resistentes a los agentes antibacterianos. Los plásmidos que portan el gen de la β-lactamasa proporcionan resistencia a los antibióticos β-lactámicos como la penicilina y la amoxicilina. Los plásmidos pueden pasar de células que son resistentes a los antibióticos a otras células de la misma especie de bacteria o de otra diferente, lo que hace que esas células también se vuelvan resistentes. El uso intensivo de antibióticos es un poderoso factor selectivo que promueve la propagación de plásmidos que codifican la resistencia a los antibióticos (así como transposones que codifican genes similares) entre bacterias patógenas, lo que lleva a la aparición de cepas bacterianas con resistencia a múltiples antibióticos. Los médicos están empezando a comprender los peligros del uso generalizado de antibióticos y a recetarlos sólo en casos de necesidad urgente. Por razones similares, el uso generalizado de antibióticos para tratar animales de granja es limitado.

Ver también: Ravin N.V., Shestakov S.V. Genoma de procariotas // Vavilov Journal of Genetics and Breeding, 2013. T. 17. No. 4/2. págs. 972-984.

Eucariotas.

Tabla 2. ADN, genes y cromosomas de algunos organismos.

	ADN compartido p.n.	Número de cromosomas*	Número aproximado de genes.
Escherichia coli(bacteria)	4 639 675		4 435
Saccharomyces cerevisiae(levadura)	12 080 000	16**	5 860
Caenorhabditis elegans(nematodo)	90 269 800	12***	23 000
Arabidopsis thaliana(planta)	119 186 200		33 000
Drosophila melanogaster(mosca de la fruta)	120 367 260		20 000
Oryza sativa(arroz)	480 000 000		57 000
Mus musculus(ratón)	2 634 266 500		27 000
Homo sapiens(Humano)	3 070 128 600		29 000

Nota. La información se actualiza constantemente; Para obtener información más actualizada, consulte los sitios web de proyectos de genómica individuales.

* Para todos los eucariotas, excepto las levaduras, se proporciona el conjunto diploide de cromosomas. diploide equipo cromosomas (del griego diploos - doble y eidos - especie) - un conjunto doble de cromosomas (2n), cada uno de los cuales tiene uno homólogo.
**Conjunto haploide. Las cepas de levadura silvestre suelen tener ocho (octaploides) o más conjuntos de estos cromosomas.
***Para mujeres con dos cromosomas X. Los machos tienen un cromosoma X, pero no Y, es decir, sólo 11 cromosomas.

La levadura, uno de los eucariotas más pequeños, tiene 2,6 veces más ADN que E. coli(Tabla 2). Células de mosca de la fruta Drosofila, un tema clásico de la investigación genética, contienen 35 veces más ADN, y las células humanas contienen aproximadamente 700 veces más ADN que E. coli. Muchas plantas y anfibios contienen aún más ADN. El material genético de las células eucariotas está organizado en forma de cromosomas. Conjunto diploide de cromosomas (2 norte) depende del tipo de organismo (Tabla 2).

Por ejemplo, en una célula somática humana hay 46 cromosomas ( arroz. 17). Cada cromosoma de una célula eucariota, como se muestra en la Fig. 17, A, contiene una molécula de ADN bicatenario muy grande. Veinticuatro cromosomas humanos (22 cromosomas pareados y dos cromosomas sexuales X e Y) varían en longitud más de 25 veces. Cada cromosoma eucariota contiene un conjunto específico de genes.

Arroz. 17. Cromosomas de eucariotas.A- un par de cromátidas hermanas unidas y condensadas del cromosoma humano. De esta forma, los cromosomas eucariotas permanecen después de la replicación y en metafase durante la mitosis. b- un juego completo de cromosomas de un leucocito de uno de los autores del libro. Cada célula somática humana normal contiene 46 cromosomas.

Si conectas las moléculas de ADN del genoma humano (22 cromosomas y los cromosomas X e Y o X y X), obtienes una secuencia de aproximadamente un metro de largo. Nota: En todos los mamíferos y otros organismos masculinos heterogaméticos, las hembras tienen dos cromosomas X (XX) y los machos tienen un cromosoma X y un cromosoma Y (XY).

La mayoría de las células humanas, por lo que la longitud total del ADN de dichas células es de aproximadamente 2 m. Un ser humano adulto tiene aproximadamente 10 14 células, por lo que la longitud total de todas las moléculas de ADN es 2・10 11 km. A modo de comparación, la circunferencia de la Tierra es de 4・10 4 km y la distancia de la Tierra al Sol es de 1,5・10 8 km. ¡Así de increíblemente compacto está el ADN en nuestras células!

En las células eucariotas hay otros orgánulos que contienen ADN: mitocondrias y cloroplastos. Se han propuesto muchas hipótesis sobre el origen del ADN mitocondrial y del cloroplasto. El punto de vista generalmente aceptado hoy en día es que representan los rudimentos de los cromosomas de bacterias antiguas, que penetraron en el citoplasma de las células huésped y se convirtieron en los precursores de estos orgánulos. El ADN mitocondrial codifica ARNt y ARNr mitocondriales, así como varias proteínas mitocondriales. Más del 95% de las proteínas mitocondriales están codificadas por el ADN nuclear.

ESTRUCTURA DE LOS GENES

Consideremos la estructura del gen en procariotas y eucariotas, sus similitudes y diferencias. A pesar de que un gen es una sección de ADN que codifica solo una proteína o ARN, además de la parte codificante inmediata, también incluye elementos reguladores y otros elementos estructurales que tienen diferentes estructuras en procariotas y eucariotas.

Secuencia de codificación- la principal unidad estructural y funcional del gen, es en ella donde se ubican los tripletes de nucleótidos que codificansecuencia de aminoácidos. Comienza con un codón de inicio y termina con un codón de parada.

Antes y después de la secuencia de codificación hay secuencias 5' y 3' no traducidas. Realizan funciones reguladoras y auxiliares, por ejemplo, asegurando la fijación del ribosoma al ARNm.

Las secuencias codificantes y no traducidas forman la unidad de transcripción: la sección transcrita de ADN, es decir, la sección de ADN a partir de la cual se produce la síntesis de ARNm.

terminador- una sección de ADN no transcrita al final de un gen donde se detiene la síntesis de ARN.

Al comienzo del gen está región regulatoria, que incluye promotor Y operador.

Promotor- la secuencia a la que se une la polimerasa durante el inicio de la transcripción. Operador- esta es un área a la que se pueden unir proteínas especiales - represores, que puede reducir la actividad de la síntesis de ARN de este gen; en otras palabras, reducirla. expresión.

Estructura genética en procariotas.

El plan general de estructura genética en procariotas y eucariotas no es diferente: ambos contienen una región reguladora con un promotor y un operador, una unidad de transcripción con secuencias codificantes y no traducidas y un terminador. Sin embargo, la organización de los genes en procariotas y eucariotas es diferente.

Arroz. 18. Esquema de estructura genética en procariotas (bacterias) -la imagen esta ampliada

Al principio y al final del operón existen regiones reguladoras comunes para varios genes estructurales. De la región transcrita del operón se lee una molécula de ARNm, que contiene varias secuencias codificantes, cada una de las cuales tiene su propio codón de inicio y de parada. De cada una de estas áreas conSe sintetiza una proteína. De este modo, Se sintetizan varias moléculas de proteínas a partir de una molécula de ARNm.

Los procariotas se caracterizan por la combinación de varios genes en una sola unidad funcional: operón. El funcionamiento del operón puede ser regulado por otros genes, que pueden estar notablemente alejados del propio operón. reguladores. La proteína traducida de este gen se llama represor. Se une al operador del operón, regulando la expresión de todos los genes contenidos en él a la vez.

Los procariotas también se caracterizan por el fenómeno. Interfaces de transcripción-traducción.

Arroz. 19 El fenómeno del acoplamiento de transcripción y traducción en procariotas - la imagen esta ampliada

Este acoplamiento no ocurre en eucariotas debido a la presencia de una envoltura nuclear que separa el citoplasma, donde ocurre la traducción, del material genético en el que ocurre la transcripción. En los procariotas, durante la síntesis de ARN sobre una plantilla de ADN, un ribosoma puede unirse inmediatamente a la molécula de ARN sintetizada. Por tanto, la traducción comienza incluso antes de que se complete la transcripción. Además, varios ribosomas pueden unirse simultáneamente a una molécula de ARN, sintetizando varias moléculas de una proteína a la vez.

Estructura genética en eucariotas.

Los genes y cromosomas de los eucariotas están organizados de forma muy compleja.

Muchas especies de bacterias tienen un solo cromosoma y en casi todos los casos hay una copia de cada gen en cada cromosoma. Sólo unos pocos genes, como los genes de ARNr, se encuentran en copias múltiples. Los genes y las secuencias reguladoras constituyen prácticamente todo el genoma procariótico. Además, casi todos los genes corresponden estrictamente a la secuencia de aminoácidos (o secuencia de ARN) que codifica (Fig. 14).

La organización estructural y funcional de los genes eucariotas es mucho más compleja. El estudio de los cromosomas eucarióticos y, posteriormente, la secuenciación completa del genoma eucariótico deparó muchas sorpresas. Muchos genes eucariotas, si no la mayoría, tienen una característica interesante: sus secuencias de nucleótidos contienen una o más secciones de ADN que no codifican la secuencia de aminoácidos del producto polipeptídico. Estas inserciones no traducidas alteran la correspondencia directa entre la secuencia de nucleótidos del gen y la secuencia de aminoácidos del polipéptido codificado. Estos segmentos no traducidos dentro de los genes se denominan intrones, o incorporado secuencias, y los segmentos de codificación son exones. En los procariotas, sólo unos pocos genes contienen intrones.

Entonces, en los eucariotas, la combinación de genes en operones prácticamente no ocurre, y la secuencia codificante de un gen eucariota se divide con mayor frecuencia en secciones traducidas. - exones y secciones sin traducir - intrones.

En la mayoría de los casos, la función de los intrones no está establecida. En general, sólo alrededor del 1,5% del ADN humano está "codificante", es decir, transporta información sobre proteínas o ARN. Sin embargo, teniendo en cuenta los intrones grandes, resulta que el ADN humano está compuesto en un 30% por genes. Debido a que los genes constituyen una proporción relativamente pequeña del genoma humano, una porción significativa del ADN sigue desaparecida.

Arroz. 16. Esquema de estructura genética en eucariotas. la imagen esta ampliada

A partir de cada gen, primero se sintetiza un ARN inmaduro o pre-ARN, que contiene tanto intrones como exones.

Después de esto, tiene lugar el proceso de empalme, como resultado del cual se escinden las regiones intrónicas y se forma un ARNm maduro, a partir del cual se pueden sintetizar proteínas.

Arroz. 20. Proceso de empalme alternativo - la imagen esta ampliada

Esta organización de genes permite, por ejemplo, que se puedan sintetizar diferentes formas de una proteína a partir de un gen, debido al hecho de que durante el corte y empalme los exones se pueden unir en diferentes secuencias.

Arroz. 21. Diferencias en la estructura de genes de procariotas y eucariotas. la imagen esta ampliada

MUTACIONES Y MUTAGENESIS

Mutación Se llama cambio persistente en el genotipo, es decir, cambio en la secuencia de nucleótidos.

El proceso que conduce a las mutaciones se llama mutagénesis, y el cuerpo Todo cuyas células portan la misma mutación - mutante.

Teoría de la mutación Fue formulado por primera vez por Hugo de Vries en 1903. Su versión moderna incluye las siguientes disposiciones:

1. Las mutaciones ocurren de forma repentina y espasmódica.

2. Las mutaciones se transmiten de generación en generación.

3. Las mutaciones pueden ser beneficiosas, dañinas o neutrales, dominantes o recesivas.

4. La probabilidad de detectar mutaciones depende del número de individuos estudiados.

5. Mutaciones similares pueden ocurrir repetidamente.

6. Las mutaciones no están dirigidas.

Las mutaciones pueden ocurrir bajo la influencia de varios factores. Hay mutaciones que surgen bajo la influencia de mutagénico impactos: físicos (por ejemplo, ultravioleta o radiación), químicos (por ejemplo, colchicina o especies reactivas de oxígeno) y biológicos (por ejemplo, virus). También pueden producirse mutaciones errores de replicación.

Dependiendo de las condiciones bajo las cuales aparecen las mutaciones, las mutaciones se dividen en espontáneo- es decir, mutaciones que surgieron en condiciones normales, y inducido- es decir, mutaciones que surgieron en condiciones especiales.

Las mutaciones pueden ocurrir no sólo en el ADN nuclear, sino también, por ejemplo, en el ADN mitocondrial o plástido. En consecuencia, podemos distinguir nuclear Y citoplasmático mutaciones.

Como resultado de mutaciones, a menudo pueden aparecer nuevos alelos. Si un alelo mutante suprime la acción de uno normal, la mutación se llama dominante. Si un alelo normal suprime uno mutante, esta mutación se llama recesivo. La mayoría de las mutaciones que conducen a la aparición de nuevos alelos son recesivas.

Las mutaciones se distinguen por el efecto. adaptado lo que lleva a una mayor adaptabilidad del organismo al medio ambiente, neutral, que no afectan la supervivencia, dañino, reduciendo la adaptabilidad de los organismos a las condiciones ambientales y letal, provocando la muerte del organismo en las primeras etapas de desarrollo.

Según las consecuencias, las mutaciones que conducen a pérdida de la función proteica, mutaciones que conducen a aparición La proteína tiene una nueva función., así como mutaciones que cambiar la dosis del gen y, en consecuencia, la dosis de proteína sintetizada a partir de él.

Una mutación puede ocurrir en cualquier célula del cuerpo. Si se produce una mutación en una célula germinal, se llama germinal(germinal o generativo). Estas mutaciones no aparecen en el organismo en el que aparecieron, sino que provocan la aparición de mutantes en la descendencia y se heredan, por lo que son importantes para la genética y la evolución. Si se produce una mutación en cualquier otra célula, se llama somático. Una mutación de este tipo puede manifestarse en un grado u otro en el organismo en el que surgió, dando lugar, por ejemplo, a la formación de tumores cancerosos. Sin embargo, dicha mutación no se hereda y no afecta a la descendencia.

Las mutaciones pueden afectar regiones del genoma de diferentes tamaños. Destacar genético, cromosómico Y genómico mutaciones.

Mutaciones genéticas

Las mutaciones que ocurren en una escala menor que la de un gen se llaman genético, o punto (punto). Estas mutaciones provocan cambios en uno o varios nucleótidos de la secuencia. Entre las mutaciones genéticas se encuentranreemplazos, lo que lleva a la sustitución de un nucleótido por otro,eliminaciones, lo que lleva a la pérdida de uno de los nucleótidos,inserciones, lo que lleva a la adición de un nucleótido adicional a la secuencia.

Arroz. 23. Mutaciones genéticas (puntuales)

Según el mecanismo de acción sobre la proteína, las mutaciones genéticas se dividen en:sinónimo, que (como resultado de la degeneración del código genético) no conducen a un cambio en la composición de aminoácidos del producto proteico,mutaciones sin sentido, que conducen a la sustitución de un aminoácido por otro y pueden afectar la estructura de la proteína sintetizada, aunque muchas veces son insignificantes,mutaciones sin sentido, lo que lleva a la sustitución del codón codificante por un codón de parada,mutaciones que conducen a trastorno de empalme:

Arroz. 24. Patrones de mutación

Además, según el mecanismo de acción sobre la proteína, se distinguen mutaciones que conducen a cambio de marco lectura, como inserciones y eliminaciones. Estas mutaciones, al igual que las mutaciones sin sentido, aunque ocurren en un punto del gen, a menudo afectan toda la estructura de la proteína, lo que puede conducir a un cambio completo en su estructura.

Arroz. 29. Cromosoma antes y después de la duplicación.

Mutaciones genómicas

Finalmente, mutaciones genómicas Afecta a todo el genoma, es decir, cambia el número de cromosomas. Hay poliploidías: un aumento en la ploidía de la célula y aneuploidías, es decir, un cambio en el número de cromosomas, por ejemplo, trisomía (la presencia de un homólogo adicional en uno de los cromosomas) y monosomía (la ausencia de un homólogo en un cromosoma).

Vídeo sobre el ADN

REPLICACIÓN DEL ADN, CODIFICACIÓN DEL ARN, SÍNTESIS DE PROTEÍNAS

El ADN es una fuente universal y guardián de información hereditaria, que se registra mediante una secuencia especial de nucleótidos; determina las propiedades de todos los organismos vivos.

Se supone que el peso molecular promedio de un nucleótido es 345 y el número de residuos de nucleótidos puede alcanzar varios cientos, miles e incluso millones. El ADN se encuentra principalmente en los núcleos de las células. Se encuentra ligeramente en cloroplastos y mitocondrias. Sin embargo, el ADN del núcleo celular no es una sola molécula. Está formado por muchas moléculas que se distribuyen en diferentes cromosomas, su número varía según el organismo. Estas son las características estructurales del ADN.

Historia del descubrimiento del ADN.

La estructura y funciones del ADN fueron descubiertas por James Watson y Francis Crick, e incluso recibieron el Premio Nobel en 1962.

Pero el científico suizo Friedrich Johann Miescher, que trabajaba en Alemania, fue el primero en descubrir los ácidos nucleicos. En 1869 estudió células animales: los leucocitos. Para obtenerlos utilizó vendajes con pus, que consiguió en los hospitales. Mischer lavó los leucocitos del pus y aisló proteínas de ellos. Durante estos estudios, el científico pudo establecer que en los leucocitos, además de las proteínas, hay algo más, alguna sustancia desconocida en ese momento. Era un sedimento filiforme o floculento que se liberaba si se creaba un ambiente ácido. El precipitado se disolvió inmediatamente cuando se añadió álcali.

Usando un microscopio, el científico descubrió que cuando los leucocitos se lavan con ácido clorhídrico, quedan núcleos de las células. Luego concluyó que había una sustancia desconocida en el núcleo, a la que llamó nucleína (la palabra núcleo traducida significa núcleo).

Tras realizar un análisis químico, Miescher descubrió que la nueva sustancia contiene carbono, hidrógeno, oxígeno y fósforo. En aquel momento, se sabía poco sobre los compuestos organofosforados, por lo que Friedrich creía haber descubierto una nueva clase de compuestos que se encontraban en el núcleo celular.

Así, en el siglo XIX se descubrió la existencia de los ácidos nucleicos. Sin embargo, en aquel momento nadie podía siquiera pensar en el importante papel que desempeñaban.

Sustancia de la herencia

Se siguió estudiando la estructura del ADN y, en 1944, un grupo de bacteriólogos dirigido por Oswald Avery recibió pruebas de que esta molécula merece una atención seria. El científico pasó muchos años estudiando los neumococos, organismos que causaban neumonía o enfermedades pulmonares. Avery realizó experimentos mezclando neumococos que causan enfermedades con aquellos que son seguros para los organismos vivos. Primero, se eliminaron las células que causaban enfermedades y luego se les agregaron aquellas que no causaban enfermedades.

Los resultados de la investigación sorprendieron a todos. Había células vivas que, tras interactuar con las muertas, aprendían a provocar enfermedades. El científico descubrió la naturaleza de la sustancia que interviene en el proceso de transmisión de información a las células vivas desde las muertas. La molécula de ADN resultó ser esta sustancia.

Estructura

Por tanto, es necesario comprender qué estructura tiene la molécula de ADN. El descubrimiento de su estructura fue un acontecimiento importante; condujo a la formación de la biología molecular, una nueva rama de la bioquímica. El ADN se encuentra en grandes cantidades en los núcleos de las células, pero el tamaño y la cantidad de moléculas dependen del tipo de organismo. Se ha establecido que los núcleos de las células de los mamíferos contienen muchas de estas células, están distribuidas a lo largo de los cromosomas, hay 46 en total.

Mientras estudiaba la estructura del ADN, en 1924 Feulgen estableció por primera vez su localización. La evidencia obtenida de los experimentos mostró que el ADN se encuentra en las mitocondrias (1-2%). En otros lugares, estas moléculas se pueden encontrar durante la infección viral, en los cuerpos basales y también en los huevos de algunos animales. Se sabe que cuanto más complejo es el organismo, mayor es la masa de ADN. El número de moléculas presentes en una célula depende de la función y suele ser del 1 al 10%. La menor cantidad se encuentra en los miocitos (0,2%), la mayor parte en las células germinales (60%).

La estructura del ADN ha demostrado que en los cromosomas de organismos superiores están asociados con proteínas simples: albúminas, histonas y otras, que juntas forman DNP (desoxirribonucleoproteína). Normalmente, una molécula grande es inestable y, para que durante la evolución permanezca intacta y sin cambios, se ha creado el llamado sistema de reparación, que consta de enzimas: ligasas y nucleasas, que son responsables de la "reparación" de la molécula.

Estructura química del ADN.

El ADN es un polímero, un polinucleótido, que consta de una gran cantidad (hasta decenas de miles de millones) de mononucleótidos. La estructura del ADN es la siguiente: los mononucleótidos contienen bases nitrogenadas: citosina (C) y timina (T), de derivados de pirimidina, adenina (A) y guanina (G), de derivados de purina. Además de las bases nitrogenadas, la molécula humana y animal contiene 5-metilcitosina, una base pirimidina menor. Las bases nitrogenadas se unen al ácido fosfórico y a la desoxirribosa. La estructura del ADN se muestra a continuación.

reglas de chargaff

La estructura y el papel biológico del ADN fueron estudiados por E. Chargaff en 1949. Durante su investigación, identificó patrones que se observaron en la distribución cuantitativa de bases nitrogenadas:

1. ∑T + C = ∑A + G (es decir, el número de bases pirimidínicas es igual al número de bases purínicas).
2. El número de residuos de adenina es siempre igual al número de residuos de timina y el número de guanina es igual al de citosina.
3. El coeficiente de especificidad tiene la fórmula: G+C/A+T. Por ejemplo, para una persona es 1,5, para un toro es 1,3.
4. La suma de “A+C” es igual a la suma de “G+T”, es decir, hay tanta adenina y citosina como guanina y timina.

modelo de estructura de ADN

Fue creado por Watson y Crick. Los residuos de fosfato y desoxirribosa se encuentran a lo largo de la columna vertebral de dos cadenas de polinucleótidos retorcidas en espiral. Se determinó que las estructuras planas de las bases de pirimidina y purina están ubicadas perpendiculares al eje de la cadena y forman, por así decirlo, escalones de una escalera en forma de espiral. También se ha establecido que A siempre está unida a T mediante dos enlaces de hidrógeno, y G está unida a C mediante tres enlaces iguales. A este fenómeno se le dio el nombre de “principio de selectividad y complementariedad”.

Niveles de organización estructural

Una cadena de polinucleótidos doblada en espiral es una estructura primaria que tiene un cierto conjunto cualitativo y cuantitativo de mononucleótidos unidos por un enlace 3',5'-fosfodiéster. Así, cada una de las cadenas tiene un extremo 3' (desoxirribosa) y un extremo 5' (fosfato). Las áreas que contienen información genética se denominan genes estructurales.

La molécula de doble hélice es la estructura secundaria. Además, sus cadenas de polinucleótidos son antiparalelas y están unidas por enlaces de hidrógeno entre las bases complementarias de las cadenas. Se ha establecido que cada vuelta de esta hélice contiene 10 residuos de nucleótidos, su longitud es de 3,4 nm. Esta estructura también está sustentada por las fuerzas de interacción de van der Waals, que se observan entre las bases de una misma cadena, incluyendo componentes repulsivos y atractivos. Estas fuerzas se explican por la interacción de electrones en átomos vecinos. La interacción electrostática también estabiliza la estructura secundaria. Ocurre entre moléculas de histonas cargadas positivamente y una cadena de ADN cargada negativamente.

La estructura terciaria es el enrollamiento de las hebras de ADN alrededor de histonas o superenrollamiento. Se han descrito cinco tipos de histonas: H1, H2A, H2B, H3, H4.

El plegamiento de los nucleosomas en cromatina es una estructura cuaternaria, por lo que una molécula de ADN de varios centímetros de largo puede plegarse hasta 5 nm.

Funciones del ADN

Las principales funciones del ADN son:

1. Almacenamiento de información hereditaria. La secuencia de aminoácidos que se encuentran en una molécula de proteína está determinada por el orden en que se ubican los residuos de nucleótidos en la molécula de ADN. También cifra toda la información sobre las propiedades y características del organismo.
2. El ADN es capaz de transmitir información hereditaria a la siguiente generación. Esto es posible gracias a la capacidad de replicación: autoduplicación. El ADN es capaz de dividirse en dos cadenas complementarias y en cada una de ellas (de acuerdo con el principio de complementariedad) se restaura la secuencia de nucleótidos original.
3. Con la ayuda del ADN se produce la biosíntesis de proteínas, enzimas y hormonas.

Conclusión

La estructura del ADN le permite ser custodio de la información genética y también transmitirla a las generaciones futuras. ¿Qué características tiene esta molécula?

1. Estabilidad. Esto es posible gracias a los enlaces glicosídicos, de hidrógeno y fosfodiéster, así como al mecanismo de reparación de daños inducidos y espontáneos.
2. Posibilidad de replicación. Este mecanismo permite mantener el número diploide de cromosomas en las células somáticas.
3. La existencia de un código genético. Mediante los procesos de traducción y transcripción, la secuencia de bases que se encuentra en el ADN se convierte en una secuencia de aminoácidos que se encuentran en la cadena polipeptídica.
4. Capacidad de recombinación genética. En este caso se forman nuevas combinaciones de genes que están vinculados entre sí.

Así, la estructura y funciones del ADN le permiten desempeñar un papel invaluable en los seres vivos. Se sabe que la longitud de las 46 moléculas de ADN que se encuentran en cada célula humana es de casi 2 m y el número de pares de nucleótidos es de 3,2 mil millones.

Los ácidos nucleicos son sustancias de alto peso molecular que consisten en mononucleótidos, que están conectados entre sí en una cadena polimérica mediante enlaces fosfodiéster de 3", 5" y están empaquetados en células de una manera determinada.

Los ácidos nucleicos son biopolímeros de dos tipos: ácido ribonucleico (ARN) y ácido desoxirribonucleico (ADN). Cada biopolímero consta de nucleótidos que se diferencian en un residuo de carbohidrato (ribosa, desoxirribosa) y una de las bases nitrogenadas (uracilo, timina). Según estas diferencias, los ácidos nucleicos recibieron su nombre.

Estructura del ácido desoxirribonucleico.

Los ácidos nucleicos tienen una estructura primaria, secundaria y terciaria.

Estructura primaria del ADN.

La estructura primaria del ADN es una cadena de polinucleótidos lineal en la que los mononucleótidos están conectados por enlaces fosfodiéster de 3", 5". El material de partida para el ensamblaje de una cadena de ácido nucleico en una célula es el nucleósido trifosfato de 5", que, como resultado de la eliminación de los residuos de ácido fosfórico β y γ, es capaz de unir el átomo de carbono de 3" de otro nucleósido. . Así, el átomo de carbono de 3" de una desoxirribosa está unido covalentemente al átomo de carbono de 5" de otra desoxirribosa a través de un único residuo de ácido fosfórico y forma una cadena polinucleotídica lineal de ácido nucleico. De ahí el nombre: enlaces fosfodiéster de 3", 5". Las bases nitrogenadas no participan en la conexión de los nucleótidos de una cadena (Fig. 1).

Esta conexión entre el residuo de la molécula de ácido fosfórico de un nucleótido y el carbohidrato de otro conduce a la formación de un esqueleto de pentosa-fosfato de la molécula de polinucleótido, al que se unen una tras otra bases nitrogenadas. Su secuencia de disposición en las cadenas de moléculas de ácido nucleico es estrictamente específica de las células de diferentes organismos, es decir. tiene un carácter específico (regla de Chargaff).

Una cadena de ADN lineal, cuya longitud depende del número de nucleótidos incluidos en la cadena, tiene dos extremos: uno se llama extremo de 3" y contiene un hidroxilo libre, y el otro se llama extremo de 5" y contiene un extremo fosfórico. residuo ácido. El circuito es polar y puede tener una dirección de 5"->3" y 3"->5". La excepción es el ADN circular.

El "texto" genético del ADN está compuesto de "palabras" de código: tripletes de nucleótidos llamados codones. Las secciones de ADN que contienen información sobre la estructura primaria de todos los tipos de ARN se denominan genes estructurales.

Las cadenas de ADN polinucleotídico alcanzan tamaños gigantescos, por lo que se empaquetan de cierta forma en la célula.

Mientras estudiaba la composición del ADN, Chargaff (1949) estableció patrones importantes con respecto al contenido de las bases individuales del ADN. Ayudaron a revelar la estructura secundaria del ADN. Estos patrones se denominan reglas de Chargaff. reglas de chargaff la suma de los nucleótidos de purina es igual a la suma de los nucleótidos de pirimidina, es decir, A+G / C+T = 1 el contenido de adenina es igual al contenido de timina (A = T, o A/T = 1); el contenido de guanina es igual al contenido de citosina (G = C, o G/C = 1); el número de grupos 6-amino es igual al número de grupos 6-ceto de bases contenidos en el ADN: G + T = A + C; sólo la suma de A + T y G + C es variable. Si A + T > G-C, entonces este es el tipo AT de ADN; si G+C > A+T, entonces este es el tipo de ADN GC. Estas reglas indican que al construir ADN se debe observar una correspondencia (emparejamiento) bastante estricta, no de bases purina y pirimidina en general, sino específicamente de timina con adenina y citosina con guanina. Basándose en estas reglas, en 1953 Watson y Crick propusieron un modelo de la estructura secundaria del ADN, llamado doble hélice (Fig.).

Estructura secundaria del ADN.

La estructura secundaria del ADN es una doble hélice, cuyo modelo fue propuesto por D. Watson y F. Crick en 1953.

Requisitos previos para crear un modelo de ADN

Como resultado de los análisis iniciales, se creía que el ADN de cualquier origen contiene los cuatro nucleótidos en cantidades molares iguales. Sin embargo, en la década de 1940, E. Chargaff y sus colegas, como resultado del análisis del ADN aislado de una variedad de organismos, mostraron claramente que contenían bases nitrogenadas en diferentes proporciones cuantitativas. Chargaff descubrió que aunque estas proporciones son las mismas para el ADN de todas las células de la misma especie de organismo, el ADN de diferentes especies puede diferir notablemente en el contenido de ciertos nucleótidos. Esto sugirió que las diferencias en la proporción de bases nitrogenadas pueden estar asociadas con algún tipo de código biológico. Aunque la proporción de bases de purina y pirimidina individuales en diferentes muestras de ADN resultó ser diferente, al comparar los resultados de las pruebas surgió un cierto patrón: en todas las muestras, el número total de purinas fue igual al número total de pirimidinas (A + G = T + C), la cantidad de adenina era igual a la cantidad de timina (A = T), y la cantidad de guanina es la cantidad de citosina (G = C). El ADN aislado de células de mamíferos era generalmente más rico en adenina y timina y relativamente más pobre en guanina y citosina, mientras que el ADN de bacterias era más rico en guanina y citosina y relativamente más pobre en adenina y timina. Estos datos formaron una parte importante del material fáctico a partir del cual se construyó más tarde el modelo Watson-Crick de la estructura del ADN.

Otra indicación indirecta importante de la posible estructura del ADN la proporcionaron los datos de L. Pauling sobre la estructura de las moléculas de proteínas. Pauling demostró que son posibles varias configuraciones estables diferentes de la cadena de aminoácidos en una molécula de proteína. Una configuración común de la cadena peptídica, la hélice α, es una estructura helicoidal regular. Con esta estructura es posible la formación de enlaces de hidrógeno entre aminoácidos ubicados en espiras adyacentes de la cadena. Pauling describió la configuración helicoidal α de la cadena polipeptídica en 1950 y sugirió que las moléculas de ADN probablemente tengan una estructura helicoidal mantenida en su lugar mediante enlaces de hidrógeno.

Sin embargo, la información más valiosa sobre la estructura de la molécula de ADN la proporcionaron los resultados del análisis de difracción de rayos X. Los rayos X que atraviesan un cristal de ADN se difractan, es decir, se desvían en determinadas direcciones. El grado y la naturaleza de la desviación de los rayos dependen de la estructura de las propias moléculas. Un patrón de difracción de rayos X (Fig. 3) proporciona al ojo experimentado una serie de indicaciones indirectas sobre la estructura de las moléculas de la sustancia en estudio. El análisis de los patrones de difracción de rayos X del ADN llevó a la conclusión de que las bases nitrogenadas (que tienen forma plana) están dispuestas como una pila de placas. Los patrones de difracción de rayos X revelaron tres períodos principales en la estructura del ADN cristalino: 0,34, 2 y 3,4 nm.

Modelo de ADN de Watson-Crick

Basándose en los datos analíticos de Chargaff, los patrones de rayos X de Wilkins y la investigación de químicos que proporcionaron información sobre las distancias precisas entre los átomos de una molécula, los ángulos entre los enlaces de un átomo determinado y el tamaño de los átomos, Watson y Crick comenzó a construir modelos físicos de los componentes individuales de la molécula de ADN a una determinada escala y a "ajustarlos" entre sí de tal manera que el sistema resultante correspondiera a varios datos experimentales. [espectáculo] .

Se sabía incluso antes que los nucleótidos vecinos en una cadena de ADN están conectados por puentes fosfodiéster, que unen el átomo de desoxirribosa de 5" de carbono de un nucleótido con el átomo de desoxirribosa de 3" de carbono del siguiente nucleótido. Watson y Crick no tenían dudas de que el período de 0,34 nm corresponde a la distancia entre nucleótidos sucesivos en la cadena de ADN. Además, se podría suponer que el período de 2 nm corresponde al espesor de la cadena. Y para explicar a qué estructura real corresponde el período de 3,4 nm, Watson y Crick, así como anteriormente Pauling, sugirieron que la cadena está retorcida en forma de espiral (o, más precisamente, forma una línea helicoidal, ya que (una espiral en el sentido estricto de esta palabra se obtiene cuando las espiras forman en el espacio una superficie cónica en lugar de cilíndrica). Entonces a la distancia entre espiras sucesivas de esta hélice le corresponderá un período de 3,4 nm. Una espiral de este tipo puede ser muy densa o algo estirada, es decir, sus vueltas pueden ser planas o empinadas. Dado que el período de 3,4 nm es exactamente 10 veces la distancia entre nucleótidos sucesivos (0,34 nm), está claro que cada vuelta completa de la hélice contiene 10 nucleótidos. A partir de estos datos, Watson y Crick pudieron calcular la densidad de una cadena de polinucleótidos retorcida en hélice de 2 nm de diámetro, con una distancia entre espiras de 3,4 nm. Resultó que dicha cadena tendría una densidad que era la mitad de la densidad real del ADN, que ya se conocía. Tuve que suponer que la molécula de ADN consta de dos cadenas, que es una doble hélice de nucleótidos.

La siguiente tarea fue, por supuesto, aclarar las relaciones espaciales entre las dos cadenas que forman la doble hélice. Después de haber probado varias opciones para la disposición de las cadenas en su modelo físico, Watson y Crick descubrieron que todos los datos disponibles coincidían mejor con la opción en la que dos hélices de polinucleótidos van en direcciones opuestas; en este caso, las cadenas formadas por residuos de azúcar y fosfato forman la superficie de la doble hélice, y en el interior se encuentran purinas y pirimidinas. Las bases ubicadas una frente a otra, pertenecientes a dos cadenas, están conectadas en pares mediante enlaces de hidrógeno; Son estos enlaces de hidrógeno los que mantienen unidas las cadenas, fijando así la configuración general de la molécula.

La doble hélice del ADN se puede imaginar como una escalera de cuerda retorcida en forma helicoidal, de modo que sus peldaños permanezcan horizontales. Entonces, las dos cuerdas longitudinales corresponderán a cadenas de residuos de azúcar y fosfato, y las barras transversales corresponderán a pares de bases nitrogenadas conectadas por enlaces de hidrógeno.

Como resultado de un estudio más detallado de posibles modelos, Watson y Crick concluyeron que cada "barra transversal" debería consistir en una purina y una pirimidina; en un período de 2 nm (correspondiente al diámetro de la doble hélice), no habría suficiente espacio para dos purinas y las dos pirimidinas no podrían estar lo suficientemente cerca entre sí para formar enlaces de hidrógeno adecuados. Un estudio en profundidad del modelo detallado mostró que la adenina y la citosina, si bien forman una combinación de un tamaño adecuado, todavía no se pueden colocar de tal manera que se formen enlaces de hidrógeno entre ellas. Informes similares obligaron a excluir la combinación guanina - timina, mientras que las combinaciones adenina - timina y guanina - citosina resultaron ser bastante aceptables. La naturaleza de los enlaces de hidrógeno es tal que la adenina forma un par con timina y la guanina con citosina. Esta idea de emparejamiento de bases específico permitió explicar la "regla de Chargaff", según la cual en cualquier molécula de ADN la cantidad de adenina es siempre igual al contenido de timina, y la cantidad de guanina es siempre igual a la cantidad de citosina. Se forman dos enlaces de hidrógeno entre adenina y timina, y tres entre guanina y citosina. Debido a esta especificidad, la formación de enlaces de hidrógeno contra cada adenina en una cadena hace que se forme timina en la otra; de la misma manera, frente a cada guanina sólo puede estar la citosina. Por tanto, las cadenas son complementarias entre sí, es decir, la secuencia de nucleótidos en una cadena determina de forma única su secuencia en la otra. Las dos cadenas corren en direcciones opuestas y sus grupos fosfato terminales están en extremos opuestos de la doble hélice.

Como resultado de su investigación, en 1953 Watson y Crick propusieron un modelo de la estructura de la molécula de ADN (Fig. 3), que sigue siendo relevante en la actualidad. Según el modelo, la molécula de ADN consta de dos cadenas de polinucleótidos complementarias. Cada cadena de ADN es un polinucleótido que consta de varias decenas de miles de nucleótidos. En él, los nucleótidos vecinos forman una columna vertebral regular de pentosa-fosfato debido a la conexión de un residuo de ácido fosfórico y desoxirribosa mediante un fuerte enlace covalente. Las bases nitrogenadas de una cadena de polinucleótidos están dispuestas en un orden estrictamente definido frente a las bases nitrogenadas de la otra. La alternancia de bases nitrogenadas en una cadena de polinucleótidos es irregular.

La disposición de las bases nitrogenadas en la cadena del ADN es complementaria (del griego “complemento” - adición), es decir La timina (T) siempre está contra la adenina (A), y sólo la citosina (C) está contra la guanina (G). Esto se explica por el hecho de que A y T, así como G y C, se corresponden estrictamente entre sí, es decir se complementan mutuamente. Esta correspondencia está determinada por la estructura química de las bases, que permite la formación de enlaces de hidrógeno en el par purina y pirimidina. Hay dos conexiones entre A y T, y tres entre G y C. Estos enlaces proporcionan una estabilización parcial de la molécula de ADN en el espacio. La estabilidad de la doble hélice es directamente proporcional al número de enlaces G≡C, que son más estables en comparación con los enlaces A=T.

La secuencia conocida de disposición de los nucleótidos en una cadena de ADN permite, según el principio de complementariedad, establecer los nucleótidos de otra cadena.

Además, se ha descubierto que las bases nitrogenadas que tienen una estructura aromática en una solución acuosa se ubican una encima de la otra, formando una especie de pila de monedas. Este proceso de formación de pilas de moléculas orgánicas se llama apilamiento. Las cadenas de polinucleótidos de la molécula de ADN del modelo Watson-Crick considerado tienen un estado fisicoquímico similar, sus bases nitrogenadas están dispuestas en forma de una pila de monedas, entre cuyos planos surgen interacciones de van der Waals (interacciones de apilamiento).

Los enlaces de hidrógeno entre bases complementarias (horizontalmente) y las interacciones de apilamiento entre planos de bases en una cadena de polinucleótidos debido a las fuerzas de van der Waals (verticalmente) proporcionan a la molécula de ADN una estabilización adicional en el espacio.

Las cadenas principales de azúcar fosfato de ambas cadenas miran hacia afuera y las bases miran hacia adentro, una hacia la otra. La dirección de las cadenas en el ADN es antiparalela (una de ellas tiene una dirección de 5"->3", la otra - 3"->5", es decir, el extremo de 3" de una cadena está ubicado frente al extremo de 5" de el otro.). Las cadenas forman espirales a derechas con un eje común. Una vuelta de hélice tiene 10 nucleótidos, el tamaño de la vuelta es de 3,4 nm, la altura de cada nucleótido es de 0,34 nm y el diámetro de la hélice es de 2,0 nm. Como resultado de la rotación de una hebra alrededor de otra, se forman un surco mayor (de unos 20 Å de diámetro) y un surco menor (de unos 12 Å de diámetro) de la doble hélice del ADN. Esta forma de la doble hélice de Watson-Crick se denominó más tarde forma B. En las células, el ADN suele existir en la forma B, que es la más estable.

Funciones del ADN

El modelo propuesto explica muchas propiedades biológicas del ácido desoxirribonucleico, incluido el almacenamiento de información genética y la diversidad de genes proporcionada por una amplia variedad de combinaciones secuenciales de 4 nucleótidos y el hecho de la existencia de un código genético, la capacidad de autorreproducirse. y transmitir información genética proporcionada por el proceso de replicación, y la implementación de información genética en forma de proteínas, así como cualquier otro compuesto formado con la ayuda de proteínas enzimáticas.

Funciones básicas del ADN.

1. El ADN es portador de información genética, que está garantizada por el hecho de la existencia de un código genético.
2. Reproducción y transmisión de información genética a través de generaciones de células y organismos. Esta funcionalidad la proporciona el proceso de replicación.
3. Implementación de información genética en forma de proteínas, así como cualquier otro compuesto formado con la ayuda de proteínas enzimáticas. Esta función la proporcionan los procesos de transcripción y traducción.

Formas de organización del ADN bicatenario.

El ADN puede formar varios tipos de dobles hélices (Fig. 4). Actualmente, ya se conocen seis formas (de la A a la E y la forma Z).

Las formas estructurales del ADN, como estableció Rosalind Franklin, dependen de la saturación de la molécula de ácido nucleico con agua. En estudios de fibras de ADN mediante análisis de difracción de rayos X, se demostró que el patrón de rayos X depende radicalmente de la humedad relativa, en qué grado de saturación de agua de esta fibra se lleva a cabo el experimento. Si la fibra estaba suficientemente saturada con agua, se obtenía una radiografía. Cuando se secó, apareció un patrón de rayos X completamente diferente, muy diferente del patrón de rayos X de la fibra con alto contenido de humedad.

La molécula de ADN de alta humedad se llama forma B. En condiciones fisiológicas (baja concentración de sal, alto grado de hidratación), el tipo estructural dominante de ADN es la forma B (la forma principal de ADN bicatenario, el modelo de Watson-Crick). El paso de hélice de dicha molécula es de 3,4 nm. Hay 10 pares complementarios por turno en forma de pilas retorcidas de "monedas": bases nitrogenadas. Las pilas se mantienen unidas mediante enlaces de hidrógeno entre dos “monedas” opuestas de las pilas, y están “enrolladas” por dos cintas de fosfodiéster retorcidas en una hélice derecha. Los planos de las bases nitrogenadas son perpendiculares al eje de la hélice. Los pares complementarios adyacentes giran entre sí 36°. El diámetro de la hélice es de 20 Å, ocupando el nucleótido de purina 12 Å y el nucleótido de pirimidina 8 Å.

La molécula de ADN de menor humedad se llama forma A.. La forma A se forma en condiciones de menor hidratación y con un mayor contenido de iones Na + o K +. Esta conformación helicoidal diestra más amplia tiene 11 pares de bases por vuelta. Los planos de las bases nitrogenadas tienen una mayor inclinación con respecto al eje de la hélice; están desviados de la normal al eje de la hélice en 20°. Esto implica la presencia de un vacío interno con un diámetro de 5 Å. La distancia entre nucleótidos adyacentes es de 0,23 nm, la longitud del giro es de 2,5 nm y el diámetro de la hélice es de 2,3 nm.

Inicialmente se pensó que la forma A de ADN era menos importante. Sin embargo, más tarde quedó claro que la forma A del ADN, al igual que la forma B, tiene un enorme significado biológico. La hélice de ARN-ADN en el complejo plantilla-cebador tiene la forma A, así como la hélice de ARN-ARN y las estructuras de horquilla de ARN (el grupo 2'-hidroxilo de la ribosa evita que las moléculas de ARN formen la forma B). La forma A del ADN se encuentra en las esporas. Se ha establecido que la forma A del ADN es 10 veces más resistente a los rayos UV que la forma B.

La forma A y la forma B se denominan formas canónicas de ADN.

Formularios CE También son diestros, su formación sólo se puede observar en experimentos especiales y, aparentemente, no existen in vivo. La forma C de ADN tiene una estructura similar a la del ADN B. El número de pares de bases por vuelta es 9,33 y la longitud de la vuelta de la hélice es 3,1 nm. Los pares de bases están inclinados en un ángulo de 8 grados con respecto a la posición perpendicular al eje. Los surcos son similares en tamaño a los surcos del ADN B. En este caso, el surco principal es algo menos profundo y el surco menor es más profundo. Los polinucleótidos de ADN naturales y sintéticos pueden transformarse en forma C.

Tabla 1. Características de algunos tipos de estructuras de ADN.
tipo espiral	A	B	z
Paso en espiral	0,32 nanómetros	3,38 millas náuticas	4,46 millas náuticas
giro en espiral	Bien	Bien	Izquierda
Número de pares de bases por turno	11	10	12
Distancia entre planos base	0,256 nanómetro	0,338 nm	0,371 nanómetro
Conformación del enlace glicosídico	anti	anti	grotesco cantar
Conformación del anillo de furanosa.	C3"-endo	C2"-endo	C3"-endo-G C2"-endo-C
Ancho de ranura, pequeño/grande	1,11/0,22 nanómetros	0,57/1,17 nanómetros	0,2/0,88 nm
Profundidad de ranura, pequeña/grande	0,26/1,30 nanómetros	0,82/0,85 nanómetros	1,38/0,37 nanómetros
Diámetro espiral	2,3 millas náuticas	2,0 nanómetros	1,8 millas náuticas

Elementos estructurales del ADN.
(estructuras de ADN no canónicas)

Los elementos estructurales del ADN incluyen estructuras inusuales limitadas por algunas secuencias especiales:

ADN en forma Z: se forma en lugares del ADN en forma B, donde las purinas se alternan con pirimidinas o en repeticiones que contienen citosina metilada. Los palíndromos son secuencias invertidas, repeticiones invertidas de secuencias de bases que tienen simetría de segundo orden con respecto a dos cadenas de ADN y forman "horquillas" y "cruces". La forma H del ADN y las triples hélices del ADN se forman cuando en una cadena de un dúplex normal de Watson-Crick hay una sección que contiene solo purinas, y en la segunda cadena, respectivamente, pirimidinas complementarias a ellas. G-quadruplex (G-4) es una hélice de ADN de cuatro cadenas, donde 4 bases de guanina de diferentes cadenas forman G-cuartetos (G-tétradas), mantenidas juntas por enlaces de hidrógeno para formar G-quadruplex.

ADN en forma de Z Fue descubierto en 1979 mientras se estudiaba el hexanucleótido d(CG)3 -. Fue descubierto por el profesor del MIT Alexander Rich y sus colegas. La forma Z se ha convertido en uno de los elementos estructurales más importantes del ADN debido a que su formación se ha observado en regiones del ADN donde las purinas se alternan con las pirimidinas (por ejemplo, 5'-GCGCGC-3'), o en repeticiones 5 '-CGCGCG-3' que contiene citosina metilada. Una condición esencial para la formación y estabilización del ADN Z fue la presencia de nucleótidos de purina en la conformación syn, alternando con bases de pirimidina en la conformación anti.

Las moléculas de ADN natural existen principalmente en la forma B derecha, a menos que contengan secuencias como (CG)n. Sin embargo, si tales secuencias son parte del ADN, entonces estas secciones, cuando cambia la fuerza iónica de la solución o los cationes que neutralizan la carga negativa en la estructura del fosfodiéster, estas secciones pueden transformarse en la forma Z, mientras que otras secciones del ADN en la cadena permanece en la forma clásica de B. La posibilidad de tal transición indica que las dos hebras de la doble hélice del ADN se encuentran en un estado dinámico y pueden desenrollarse entre sí, pasando de la forma derecha a la izquierda y viceversa. Las consecuencias biológicas de tal labilidad, que permite transformaciones conformacionales de la estructura del ADN, aún no se comprenden completamente. Se cree que secciones de ADN Z desempeñan un papel determinado en la regulación de la expresión de ciertos genes y participan en la recombinación genética.

La forma Z del ADN es una doble hélice izquierda en la que la columna vertebral de fosfodiéster se encuentra en un patrón en zigzag a lo largo del eje de la molécula. De ahí el nombre de la molécula (zigzag)-DNK. El ADN Z es el ADN menos retorcido (12 pares de bases por vuelta) y más delgado conocido en la naturaleza. La distancia entre nucleótidos adyacentes es de 0,38 nm, la longitud del giro es de 4,56 nm y el diámetro del ADN Z es de 1,8 nm. Además, el aspecto de esta molécula de ADN se distingue por la presencia de un único surco.

La forma Z del ADN se ha encontrado en células procarióticas y eucariotas. Ahora se han obtenido anticuerpos que pueden distinguir la forma Z de la forma B del ADN. Estos anticuerpos se unen a determinadas regiones de los cromosomas gigantes de las células de las glándulas salivales de Drosophila (Dr. melanogaster). La reacción de unión es fácil de controlar debido a la estructura inusual de estos cromosomas, en la que las regiones más densas (discos) contrastan con las regiones menos densas (interdiscos). Las regiones de ADN Z se encuentran en los interdiscos. De esto se deduce que la forma Z realmente existe en condiciones naturales, aunque aún se desconocen los tamaños de las secciones individuales de la forma Z.

(inversores) son las secuencias de bases más famosas y frecuentes en el ADN. Un palíndromo es una palabra o frase que se lee igual de izquierda a derecha y viceversa. Ejemplos de tales palabras o frases son: CHOZA, COSACO, INUNDACIÓN Y LA ROSA CAYÓ EN LA PATA DE AZOR. Cuando se aplica a secciones de ADN, este término (palíndromo) significa la misma alternancia de nucleótidos a lo largo de la cadena de derecha a izquierda y de izquierda a derecha (como las letras de la palabra "choza", etc.).

Un palíndromo se caracteriza por la presencia de repeticiones invertidas de secuencias de bases que tienen simetría de segundo orden con respecto a dos cadenas de ADN. Estas secuencias, por razones obvias, son autocomplementarias y tienden a formar estructuras en horquilla o cruciformes (Fig.). Las horquillas ayudan a las proteínas reguladoras a reconocer dónde se copia el texto genético del ADN cromosómico.

Cuando hay una repetición invertida en la misma cadena de ADN, la secuencia se denomina repetición especular. Las repeticiones especulares no tienen propiedades de autocomplementariedad y, por lo tanto, no son capaces de formar estructuras en horquilla o cruciformes. Secuencias de este tipo se encuentran en casi todas las moléculas grandes de ADN y pueden variar desde unos pocos pares de bases hasta varios miles de pares de bases.

No se ha demostrado la presencia de palíndromos en forma de estructuras cruciformes en células eucariotas, aunque se ha detectado in vivo un cierto número de estructuras cruciformes en células de E. coli. La presencia de secuencias autocomplementarias en el ARN o en el ADN monocatenario es la razón principal del plegamiento de la cadena de ácido nucleico en soluciones en una determinada estructura espacial, caracterizada por la formación de muchas "horquillas".

ADN en forma H es una hélice formada por tres hebras de ADN: una triple hélice de ADN. Se trata de un complejo de una doble hélice de Watson-Crick con una tercera cadena de ADN monocatenario, que encaja en su surco principal, formando el llamado par Hoogsteen.

La formación de dicho triplex se produce como resultado del plegamiento de la doble hélice del ADN de tal manera que la mitad de su sección permanece en forma de doble hélice y la otra mitad se separa. En este caso, una de las hélices desconectadas forma una nueva estructura con la primera mitad de la doble hélice, una triple hélice, y la segunda resulta no estructurada, en forma de una sección monocatenaria. Una característica de esta transición estructural es su fuerte dependencia del pH del medio, cuyos protones estabilizan la nueva estructura. Debido a esta característica, la nueva estructura se denominó forma H del ADN, cuya formación se descubrió en plásmidos superenrollados que contienen regiones de homopurina-homopirimidina, que son una repetición especular.

En estudios posteriores, se encontró que es posible llevar a cabo una transición estructural de algunos polinucleótidos de doble hebra de homopurina-homopirimidina con la formación de una estructura de tres hebras que contiene:

• una cadena de homopurina y dos de homopirimidina ( Triplex Py-Pu-Py) [Interacción Hoogsteen].

  Los bloques constituyentes del triplete Py-Pu-Py son las tríadas canónicas isomorfas CGC+ y TAT. La estabilización del triplex requiere la protonación de la tríada CGC+, por lo que estos triplex dependen del pH de la solución.

• una homopirimidina y dos hebras de homopurina ( Triplex Py-Pu-Pu) [interacción inversa de Hoogsteen].

  Los bloques constituyentes del triplex Py-Pu-Pu son las tríadas canónicas isomorfas CGG y TAA. Una propiedad esencial de los triplex de Py-Pu-Pu es la dependencia de su estabilidad de la presencia de iones doblemente cargados, y se requieren diferentes iones para estabilizar triplex de diferentes secuencias. Dado que la formación de triplex Py-Pu-Pu no requiere la protonación de sus nucleótidos constituyentes, dichos triplex pueden existir a pH neutro.

  Nota: las interacciones de Hoogsteen directas e inversas se explican por la simetría de la 1-metiltimina: una rotación de 180° hace que el átomo de O2 reemplace al átomo de O4, mientras se conserva el sistema de enlaces de hidrógeno.

Se conocen dos tipos de triples hélices:

1. Triples hélices paralelas en las que la polaridad de la tercera hebra coincide con la polaridad de la cadena de homopurina del dúplex Watson-Crick.
2. Triples hélices antiparalelas, en las que las polaridades de la tercera cadena y de la homopurina son opuestas.

Las cadenas químicamente homólogas en los tripletes Py-Pu-Pu y Py-Pu-Py están en orientación antiparalela. Esto fue confirmado además por datos de espectroscopía de RMN.

G-cuádruplex- ADN de 4 cadenas. Esta estructura se forma si hay cuatro guaninas, que forman el llamado G-quadruplex, una danza circular de cuatro guaninas.

Los primeros indicios de la posibilidad de la formación de tales estructuras se recibieron mucho antes del innovador trabajo de Watson y Crick, allá por 1910. Luego, el químico alemán Ivar Bang descubrió que uno de los componentes del ADN, el ácido guanosínico, forma geles en altas concentraciones, mientras que otros componentes del ADN no tienen esta propiedad.

En 1962, utilizando el método de difracción de rayos X, fue posible establecer la estructura celular de este gel. Resultó estar compuesto por cuatro residuos de guanina, conectados entre sí en un círculo y formando un cuadrado característico. En el centro, el enlace está sostenido por un ion metálico (Na, K, Mg). Se pueden formar las mismas estructuras en el ADN si contiene mucha guanina. Estos cuadrados planos (cuartetos G) se apilan para formar estructuras densas y bastante estables (cuádruplex G).

Se pueden tejer cuatro hebras separadas de ADN en complejos de cuatro hebras, pero esto es más bien una excepción. Más a menudo, una sola hebra de ácido nucleico simplemente se ata en un nudo, formando engrosamientos característicos (por ejemplo, en los extremos de los cromosomas), o el ADN bicatenario en alguna región rica en guanina forma un cuádruplex local.

La más estudiada es la existencia de cuádruplex en los extremos de los cromosomas (en los telómeros y en los promotores tumorales). Sin embargo, aún no se conoce una imagen completa de la localización de dicho ADN en los cromosomas humanos.

Todas estas estructuras inusuales de ADN en forma lineal son inestables en comparación con el ADN en forma B. Sin embargo, el ADN a menudo existe en una forma circular de tensión topológica cuando tiene lo que se llama superenrollamiento. En estas condiciones, se forman fácilmente estructuras de ADN no canónicas: formas Z, “cruces” y “horquillas”, formas H, cuádruplex de guanina y motivos i.

• Forma superenrollada: se observa cuando se libera del núcleo celular sin dañar la columna vertebral de las pentosas fosfato. Tiene forma de anillos cerrados súper retorcidos. En el estado superenrollado, la doble hélice del ADN se "retuerce sobre sí misma" al menos una vez, es decir, contiene al menos una supervuelta (toma la forma de un ocho).
• Estado relajado del ADN: observado con una sola rotura (rotura de una hebra). En este caso, las superenrollamientos desaparecen y el ADN toma la forma de un anillo cerrado.
• La forma lineal del ADN se observa cuando se rompen dos hebras de una doble hélice.

Las tres formas de ADN se separan fácilmente mediante electroforesis en gel.

Estructura terciaria del ADN.

Estructura terciaria del ADN. se forma como resultado de una torsión adicional en el espacio de una molécula de doble hélice: su superenrollamiento. El superenrollamiento de la molécula de ADN en las células eucariotas, a diferencia de las procariotas, se produce en forma de complejos con proteínas.

Casi todo el ADN de los eucariotas se encuentra en los cromosomas de los núcleos; sólo una pequeña cantidad está contenida en las mitocondrias y, en las plantas, en los plastidios. La sustancia principal de los cromosomas de las células eucariotas (incluidos los cromosomas humanos) es la cromatina, que consta de ADN bicatenario, histonas y proteínas no histonas.

Proteínas de cromatina histonas

Las histonas son proteínas simples que constituyen hasta el 50% de la cromatina. En todas las células animales y vegetales estudiadas se encontraron cinco clases principales de histonas: H1, H2A, H2B, H3, H4, que se diferencian en tamaño, composición de aminoácidos y carga (siempre positiva).

La histona H1 de mamífero consta de una única cadena polipeptídica que contiene aproximadamente 215 aminoácidos; los tamaños de otras histonas varían de 100 a 135 aminoácidos. Todos ellos están en espiral y retorcidos formando un glóbulo con un diámetro de aproximadamente 2,5 nm, y contienen una cantidad inusualmente grande de aminoácidos con carga positiva, lisina y arginina. Las histonas se pueden acetilar, metilar, fosforilar, poli(ADP)-ribosilar y las histonas H2A y H2B están unidas covalentemente a la ubiquitina. El papel de tales modificaciones en la formación de la estructura y el desempeño de funciones por parte de las histonas aún no se ha dilucidado completamente. Se supone que esta es su capacidad para interactuar con el ADN y proporcionar uno de los mecanismos para regular la acción de los genes.

Las histonas interactúan con el ADN principalmente a través de enlaces iónicos (puentes salinos) formados entre los grupos fosfato del ADN cargados negativamente y los residuos de lisina y arginina cargados positivamente de las histonas.

Proteínas de cromatina no histonas

Las proteínas no histonas, a diferencia de las histonas, son muy diversas. Se han aislado hasta 590 fracciones diferentes de proteínas no histonas que se unen al ADN. También se les llama proteínas ácidas, ya que en su estructura predominan los aminoácidos ácidos (son polianiones). La diversidad de proteínas no histonas está asociada con una regulación específica de la actividad de la cromatina. Por ejemplo, las enzimas necesarias para la replicación y expresión del ADN pueden unirse a la cromatina de forma transitoria. Otras proteínas, por ejemplo las que intervienen en diversos procesos reguladores, se unen al ADN sólo en tejidos específicos o en determinadas etapas de diferenciación. Cada proteína es complementaria a una secuencia específica de nucleótidos de ADN (sitio de ADN). Este grupo incluye:

• familia de proteínas con dedos de zinc específicas de sitio. Cada "dedo de zinc" reconoce un sitio específico que consta de 5 pares de nucleótidos.
• familia de proteínas específicas de sitio: homodímeros. El fragmento de dicha proteína en contacto con el ADN tiene una estructura de hélice-vuelta-hélice.
• Las proteínas en gel de alta movilidad (proteínas HMG) son un grupo de proteínas estructurales y reguladoras que están constantemente asociadas con la cromatina. Tienen un peso molecular inferior a 30 kDa y se caracterizan por un alto contenido en aminoácidos cargados. Debido a su bajo peso molecular, las proteínas HMG tienen una alta movilidad durante la electroforesis en gel de poliacrilamida.
• enzimas de replicación, transcripción y reparación.

Con la participación de proteínas y enzimas reguladoras estructurales involucradas en la síntesis de ADN y ARN, el hilo del nucleosoma se convierte en un complejo altamente condensado de proteínas y ADN. La estructura resultante es 10.000 veces más corta que la molécula de ADN original.

cromatina

La cromatina es un complejo de proteínas con ADN nuclear y sustancias inorgánicas. La mayor parte de la cromatina está inactiva. Contiene ADN condensado y muy empaquetado. Esta es la heterocromatina. Hay cromatina constitutiva, genéticamente inactiva (ADN satélite), que consta de regiones no expresadas, y facultativa, inactiva en varias generaciones, pero que, en determinadas circunstancias, es capaz de expresarse.

La cromatina activa (eucromatina) no está condensada, es decir Embalado menos apretado. En diferentes celdas su contenido oscila entre el 2 y el 11%. En las células del cerebro es más abundante (10-11%), en las células del hígado (3-4%) y en las células renales (2-3%). Se nota la transcripción activa de la eucromatina. Además, su organización estructural permite que la misma información genética del ADN inherente a un determinado tipo de organismo se utilice de forma diferente en células especializadas.

En un microscopio electrónico, la imagen de la cromatina se asemeja a cuentas: engrosamientos esféricos de aproximadamente 10 nm de tamaño, separados por puentes en forma de hilos. Estos engrosamientos esféricos se denominan nucleosomas. El nucleosoma es una unidad estructural de la cromatina. Cada nucleosoma contiene un segmento de ADN superenrollado de 146 pb enrollado para formar 1,75 giros a la izquierda por núcleo nucleosomal. El núcleo nucleosomal es un octámero de histonas formado por histonas H2A, H2B, H3 y H4, dos moléculas de cada tipo (Fig. 9), que parece un disco con un diámetro de 11 nm y un espesor de 5,7 nm. La quinta histona, H1, no forma parte del núcleo nucleosomal y no participa en el proceso de enrollado del ADN en el octámero de histonas. Hace contacto con el ADN en los sitios donde la doble hélice entra y sale del núcleo nucleosomal. Se trata de secciones de ADN entre núcleos (enlazadores), cuya longitud varía según el tipo de célula de 40 a 50 pares de nucleótidos. Como resultado, la longitud del fragmento de ADN incluido en los nucleosomas también varía (de 186 a 196 pares de nucleótidos).

Los nucleosomas contienen aproximadamente un 90% de ADN y el resto son conectores. Se cree que los nucleosomas son fragmentos de cromatina "silenciosa" y el conector está activo. Sin embargo, los nucleosomas pueden desplegarse y volverse lineales. Los nucleosomas desplegados ya son cromatina activa. Esto demuestra claramente la dependencia de la función de la estructura. Se puede suponer que cuanto más cromatina hay en los nucleosomas globulares, menos activo es. Obviamente, en diferentes células la proporción desigual de cromatina en reposo está asociada con el número de dichos nucleosomas.

En fotografías de microscopio electrónico, dependiendo de las condiciones de aislamiento y del grado de estiramiento, la cromatina puede verse no solo como un hilo largo con engrosamientos, "cuentas" de nucleosomas, sino también como una fibrilla (fibra) más corta y densa con un diámetro de 30 nm, cuya formación se observa durante la interacción de la histona H1 unida a la región conectora del ADN y la histona H3, lo que conduce a una torsión adicional de la hélice de seis nucleosomas por vuelta para formar un solenoide con un diámetro de 30 nm. En este caso, la proteína histona puede interferir con la transcripción de varios genes y así regular su actividad.

Como resultado de las interacciones del ADN con las histonas descritas anteriormente, un segmento de una doble hélice de ADN de 186 pares de bases con un diámetro promedio de 2 nm y una longitud de 57 nm se convierte en una hélice con un diámetro de 10 nm y una longitud de 5 nm. Cuando esta hélice se comprime posteriormente hasta formar una fibra con un diámetro de 30 nm, el grado de condensación aumenta seis veces más.

En última instancia, el empaquetado de un dúplex de ADN con cinco histonas da como resultado una condensación del ADN 50 veces mayor. Sin embargo, ni siquiera un grado tan alto de condensación puede explicar la compactación del ADN entre 50.000 y 100.000 veces en el cromosoma en metafase. Desafortunadamente, aún no se conocen los detalles del empaquetado posterior de la cromatina hasta el cromosoma en metafase, por lo que sólo podemos considerar las características generales de este proceso.

Niveles de compactación del ADN en los cromosomas.

Cada molécula de ADN está empaquetada en un cromosoma separado. Las células diploides humanas contienen 46 cromosomas, que se encuentran en el núcleo celular. La longitud total del ADN de todos los cromosomas de una célula es de 1,74 m, pero el diámetro del núcleo en el que están empaquetados los cromosomas es millones de veces menor. Este empaquetado compacto del ADN en los cromosomas y los cromosomas en el núcleo celular está garantizado por una variedad de proteínas histonas y no histonas que interactúan en una secuencia determinada con el ADN (ver arriba). La compactación del ADN en los cromosomas permite reducir sus dimensiones lineales unas 10.000 veces, aproximadamente de 5 cm a 5 micrones. Existen varios niveles de compactación (Fig. 10).

• La doble hélice del ADN es una molécula cargada negativamente con un diámetro de 2 nm y una longitud de varios cm.
• nivel de nucleosoma- La cromatina se ve en un microscopio electrónico como una cadena de "cuentas" - nucleosomas - "en un hilo". El nucleosoma es una unidad estructural universal que se encuentra tanto en la eucromatina como en la heterocromatina, en el núcleo en interfase y en los cromosomas en metafase.

  El nivel de compactación nucleosomal está garantizado por proteínas especiales: las histonas. Ocho dominios de histonas cargados positivamente forman el núcleo del nucleosoma alrededor del cual se enrolla una molécula de ADN cargada negativamente. Esto da como resultado un acortamiento de 7 veces, mientras que el diámetro aumenta de 2 a 11 nm.

• nivel de solenoide

  El nivel solenoide de organización cromosómica se caracteriza por la torsión del filamento del nucleosoma y la formación de fibrillas más gruesas de 20 a 35 nm de diámetro: solenoides o superbids. El paso del solenoide es de 11 nm; hay entre 6 y 10 nucleosomas por vuelta. El empaquetamiento solenoide se considera más probable que el empaquetamiento superbid, según el cual una fibrilla de cromatina con un diámetro de 20 a 35 nm es una cadena de gránulos, o superbid, cada uno de los cuales consta de ocho nucleosomas. A nivel del solenoide, el tamaño lineal del ADN se reduce de 6 a 10 veces y el diámetro aumenta a 30 nm.

• nivel de bucle

  El nivel de bucle lo proporcionan proteínas de unión al ADN no específicas del sitio de histonas que reconocen y se unen a secuencias de ADN específicas, formando bucles de aproximadamente 30 a 300 kb. El bucle asegura la expresión genética, es decir. el bucle no es sólo una formación estructural, sino también funcional. El acortamiento en este nivel ocurre de 20 a 30 veces. El diámetro aumenta a 300 nm. En las preparaciones citológicas se pueden observar estructuras en forma de bucle, como los “cepillos de lámpara” en los ovocitos de anfibios. Estos bucles parecen estar superenrollados y representan dominios de ADN, probablemente correspondientes a unidades de transcripción y replicación de la cromatina. Proteínas específicas fijan las bases de los bucles y, posiblemente, algunas de sus secciones internas. La organización del dominio en forma de bucle promueve el plegamiento de la cromatina en los cromosomas en metafase en estructuras helicoidales de órdenes superiores.

• nivel de dominio

  El nivel de dominio de la organización cromosómica no se ha estudiado lo suficiente. En este nivel, se observa la formación de dominios de bucle: estructuras de hilos (fibrillas) de 25 a 30 nm de espesor, que contienen 60% de proteína, 35% de ADN y 5% de ARN, son prácticamente invisibles en todas las fases del ciclo celular. excepción de la mitosis y se distribuyen de forma algo aleatoria por todo el núcleo celular. En las preparaciones citológicas se pueden observar estructuras en forma de bucle, como los “cepillos de lámpara” en los ovocitos de anfibios.

  Los dominios de bucle están unidos en su base a la matriz proteica intranuclear en los llamados sitios de unión integrados, a menudo denominados secuencias MAR/SAR (MAR, del inglés Matrix Associated Region; SAR, del inglés Scaffold Attachment Regions). - Fragmentos de ADN de varios cientos de pares de bases de longitud que se caracterizan por un alto contenido (>65%) de pares de nucleótidos A/T. Cada dominio parece tener un único origen de replicación y funciona como una unidad superhélice autónoma. Cualquier dominio de bucle contiene muchas unidades de transcripción, cuyo funcionamiento probablemente esté coordinado: todo el dominio está en estado activo o inactivo.

  A nivel de dominio, como resultado del empaquetamiento secuencial de cromatina, se produce una disminución en las dimensiones lineales del ADN aproximadamente 200 veces (700 nm).

• nivel cromosómico

  A nivel cromosómico, la condensación del cromosoma en profase en un cromosoma en metafase se produce con la compactación de dominios de bucle alrededor de la estructura axial de proteínas no histonas. Este superenrollamiento va acompañado de la fosforilación de todas las moléculas H1 de la célula. Como resultado, el cromosoma en metafase puede representarse como bucles de solenoide densamente empaquetados, enrollados en una espiral apretada. Un cromosoma humano típico puede contener hasta 2600 bucles. El espesor de dicha estructura alcanza los 1400 nm (dos cromátidas) y la molécula de ADN se acorta 104 veces, es decir. desde 5 cm de ADN estirado hasta 5 µm.

Funciones de los cromosomas

En interacción con mecanismos extracromosómicos, los cromosomas proporcionan

1. almacenamiento de información hereditaria
2. Usar esta información para crear y mantener la organización celular.
3. regulación de la lectura de información hereditaria
4. autoduplicación de material genético
5. transferencia de material genético de la célula madre a las células hijas.

Existe evidencia de que cuando se activa una región de la cromatina, es decir durante la transcripción, primero se eliminan de forma reversible la histona H1 y luego el octeto de histona. Esto provoca la descondensación de la cromatina, la transición secuencial de una fibrilla de cromatina de 30 nm a una fibrilla de 10 nm y su posterior despliegue en secciones de ADN libre, es decir, Pérdida de la estructura del nucleosoma.