Composición de un nucleótido de ADN. Nucleótidos. Compuesto. Estructura. Composición de los ácidos nucleicos

El ácido desoxirribonucleico (ADN) es una macromolécula (una de las tres principales, las otras dos son el ARN y las proteínas), que proporciona almacenamiento, transmisión de generación en generación e 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 plástidos). 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. Ellos y los eucariotas inferiores (por ejemplo, la levadura) también tienen pequeñas moléculas de ADN autónomas, en su mayoría circulares, llamadas plásmidos. Además, las moléculas de ADN de cadena simple o doble pueden formar el genoma de virus que contienen ADN.

Desde un punto de vista químico, el ADN es una molécula polimérica larga que consta de bloques repetitivos: nucleótidos. Cada nucleótido está formado por una base nitrogenada, un azúcar (desoxirribosa) y un grupo fosfato. Los enlaces entre los nucleótidos de una cadena están formados por desoxirribosa y un grupo fosfato (enlaces fosfodiéster). En la gran mayoría de los casos (excepto en algunos virus que contienen ADN monocatenario), la macromolécula de ADN consta de dos cadenas orientadas entre sí por bases nitrogenadas. Esta molécula de doble cadena es helicoidal. En general, la estructura de la molécula de ADN se denomina "doble hélice".

Descifrar la estructura del ADN (1953) fue uno de los puntos de inflexión en la historia de la biología. Francis Crick, James Watson y Maurice Wilkins recibieron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1962 por sus destacadas contribuciones a este descubrimiento Rosalind Franklin, quien recibió las radiografías sin las cuales Watson y Crick no habrían podido sacar conclusiones sobre el estructura del ADN, murió en 1958 de cáncer, y el Premio Nobel no se entrega póstumamente.

Los ácidos ribonucleicos (ARN) son una de las tres macromoléculas principales (las otras dos son el ADN y las proteínas) que se encuentran en las células de todos los organismos vivos.

Al igual que el ADN (ácido desoxirribonucleico), el ARN está formado por una larga cadena en la que cada enlace se denomina nucleótido. Cada nucleótido está formado por una base nitrogenada, un azúcar ribosa y un grupo fosfato. La secuencia de nucleótidos permite que el ARN codifique información genética. Todos los organismos celulares usan ARN (ARNm) para programar la síntesis de proteínas.

El ARN celular se forma durante un proceso llamado transcripción, es decir, la síntesis de ARN en una plantilla de ADN, llevada a cabo por enzimas especiales: ARN polimerasas. Los ARN mensajeros (ARNm) luego participan en un proceso llamado traducción. La traducción es la síntesis de una proteína en una plantilla de ARNm con la participación de los ribosomas. Otros RNA sufren modificaciones químicas después de la transcripción y, tras la formación de estructuras secundarias y terciarias, realizan funciones que dependen del tipo de RNA.

Los ARN monocatenarios se caracterizan por una variedad de estructuras espaciales en las que algunos de los nucleótidos de la misma cadena están emparejados entre sí. Algunos ARN altamente estructurados están involucrados en la síntesis de proteínas celulares, por ejemplo, los ARN de transferencia sirven para reconocer codones y entregar los aminoácidos correspondientes al sitio de síntesis de proteínas, mientras que los ARN ribosómicos sirven como base estructural y catalítica de los ribosomas.

Sin embargo, las funciones del ARN en las células modernas no se limitan a su papel en la traducción. Por lo tanto, los ARN nucleares pequeños están involucrados en el corte y empalme de los ARN mensajeros eucarióticos y otros procesos.

Además del hecho de que las moléculas de ARN forman parte de algunas enzimas (por ejemplo, la telomerasa), algunos ARN tienen su propia actividad enzimática: la capacidad de romper otras moléculas de ARN o, por el contrario, "pegar" dos fragmentos de ARN. Estos ARN se denominan ribozimas.

Los genomas de varios virus consisten en ARN, es decir, en ellos desempeña el papel que desempeña el ADN en organismos superiores. A partir de la diversidad de funciones del ARN en la célula, se planteó una hipótesis según la cual el ARN es la primera molécula capaz de autorreproducirse en sistemas prebiológicos.

Hay tres diferencias principales entre el ADN y el ARN:

• 1. El ADN contiene el azúcar desoxirribosa, el ARN contiene ribosa, que tiene un grupo hidroxilo adicional en comparación con la desoxirribosa. Este grupo aumenta la probabilidad de hidrólisis de la molécula, es decir, reduce la estabilidad de la molécula de ARN.
• 2. El nucleótido complementario de la adenina en el ARN no es la timina, como en el ADN, sino que el uracilo es la forma no metilada de la timina.
• 3. El ADN existe en forma de doble hélice, que consta de dos moléculas separadas. Las moléculas de ARN son, en promedio, mucho más cortas y predominantemente monocatenarias.

El análisis estructural de moléculas de ARN biológicamente activas, incluidos ARNt, ARNr, ARNsn y otras moléculas que no codifican proteínas, mostró que no consisten en una hélice larga, sino en numerosas hélices cortas ubicadas cerca unas de otras y formando algo similar a estructura terciaria de la proteína. Como resultado, el ARN puede catalizar reacciones químicas, por ejemplo, el centro de la peptidil transferasa del ribosoma, que participa en la formación del enlace peptídico de las proteínas, se compone enteramente de ARN.

En 1944, O. Avery y sus colegas K. McLeod y M. McCarthy descubrieron la actividad transformadora del ADN en los neumococos. Estos autores continuaron el trabajo de Griffith, quien describió el fenómeno de transformación (transferencia de rasgos hereditarios) en bacterias. O. Avery, K. McLeod, M. McCarthy demostraron que cuando se eliminan las proteínas, los polisacáridos y el ARN, la transformación de las bacterias no se altera, y cuando la sustancia inductora se expone a la enzima desoxirribonucleasa, la actividad transformadora desaparece.

En estos experimentos se demostró por primera vez el papel genético de la molécula de ADN. En 1952, A. Hershey y M. Chase confirmaron el papel genético de la molécula de ADN en experimentos con el bacteriófago T2. Marcando su proteína con azufre radiactivo y su ADN con fósforo radiactivo, infectaron a E. coli con este virus bacteriano. En la progenie del fago, se detectó una gran cantidad de fósforo radiactivo y solo trazas de S. De ello se deduce que fue el ADN, y no la proteína del fago, el que penetró en la bacteria, y luego, después de la replicación, fue transferido a la progenie del fago.

1. La estructura de un nucleótido de ADN. Tipos de nucleótidos.

nucleótido El ADN está formado por

Base nitrogenada (4 tipos en el ADN: adenina, timina, citosina, guanina)

Monoazúcar desoxirribosa

Ácido fosfórico

molécula de nucleótido consta de tres partes: un azúcar de cinco carbonos, una base nitrogenada y ácido fosfórico.

Azúcar incluido en composición de nucleótidos, contiene cinco átomos de carbono, es decir, es una pentosa. Según el tipo de pentosa presente en el nucleótido, existen dos tipos de ácidos nucleicos: los ácidos ribonucleicos (ARN), que contienen ribosa, y los ácidos desoxirribonucleicos (ADN), que contienen desoxirribosa. En la desoxirribosa, el grupo OH del segundo átomo de carbono se reemplaza por un átomo de H, es decir, tiene un átomo de oxígeno menos que en la ribosa.

En ambos tipos de acidos nucleicos contiene bases de cuatro tipos diferentes: dos de ellas pertenecen a la clase de las purinas y dos a la clase de las pirimidinas. El nitrógeno incluido en el anillo da el carácter principal a estos compuestos. Las purinas incluyen adenina (A) y guanina (G), y las pirimidinas incluyen citosina (C) y timina (T) o uracilo (U) (respectivamente en ADN o ARN). La timina es químicamente muy parecida al uracilo (es 5-metiluracilo, es decir, uracilo, en el que un grupo metilo se encuentra en el quinto átomo de carbono). La molécula de purina tiene dos anillos, mientras que la molécula de pirimidina tiene uno.

Los nucleótidos están unidos entre sí por un fuerte enlace covalente a través del azúcar de un nucleótido y el ácido fosfórico de otro. Resulta cadena de polinucleótidos. En un extremo está el ácido fosfórico libre (extremo 5'), en el otro está el azúcar libre (extremo 3'). (La ADN polimerasa solo puede agregar nuevos nucleótidos al extremo 3').

Dos cadenas de polinucleótidos están conectadas entre sí por enlaces de hidrógeno débiles entre bases nitrogenadas. Hay 2 reglas:

el principio de complementariedad: la timina siempre es opuesta a la adenina, la guanina siempre es opuesta a la citosina (emparejan entre sí en forma y número de enlaces de hidrógeno; hay dos enlaces entre A y G, y 3 entre C y G).

el principio de antiparalelismo: donde una cadena de polinucleótidos tiene un extremo 5', la otra tiene un extremo 3' y viceversa.

Resulta doble cadena ADN.

ella se tuerce en doble hélice, una vuelta de la hélice tiene una longitud de 3,4 nm, contiene 10 pares de nucleótidos. Las bases nitrogenadas (guardianes de la información genética) están dentro de la hélice, protegidas.

Ácidos nucleicos, como las proteínas, son esenciales para la vida. Representan el material genético de todos los organismos vivos, hasta los virus más simples. El nombre "ácidos nucleicos" refleja el hecho de que se localizan principalmente en el núcleo (núcleo - núcleo). Con tinción específica para ácidos nucleicos, los núcleos son muy claramente visibles en un microscopio óptico.

Descubriendo la estructura del ADN.(ácido desoxirribonucleico) - uno de los dos tipos de ácidos nucleicos existentes - abrió una nueva era en la biología, ya que finalmente permitió comprender cómo los organismos vivos almacenan la información necesaria para regular su vida y cómo transmiten esta información a su descendencia. . Ya hemos señalado anteriormente que los ácidos nucleicos están compuestos por unidades monoméricas llamadas nucleótidos. Las moléculas extremadamente largas, los polinucleótidos, se construyen a partir de nucleótidos.

Por lo tanto, para comprender la estructura de los polinucleótidos, primero es necesario familiarizarse con cómo nucleótidos construidos.

Nucleótidos. La estructura de los nucleótidos.

molécula de nucleótido consta de tres partes: un azúcar de cinco carbonos, una base nitrogenada y una fosfórica.

Azúcar incluido en composición de nucleótidos, contiene cinco átomos de carbono, es decir, es una pentosa. Según el tipo de pentosa presente en el nucleótido, existen dos tipos de ácidos nucleicos: los ácidos ribonucleicos (ARN), que contienen ribosa, y los ácidos desoxirribonucleicos (ADN), que contienen desoxirribosa. En la desoxirribosa, el grupo OH del segundo átomo de carbono se reemplaza por un átomo de H, es decir, tiene un átomo de oxígeno menos que en la ribosa.

En ambos tipos de acidos nucleicos contiene bases de cuatro tipos diferentes: dos de ellas pertenecen a la clase de las purinas y dos a la clase de las pirimidinas. El nitrógeno incluido en el anillo da el carácter principal a estos compuestos. Las purinas incluyen adenina (A) y guanina (G), y las pirimidinas incluyen citosina (C) y timina (T) o uracilo (U) (respectivamente en ADN o ARN). La timina es químicamente muy parecida al uracilo (es 5-metiluracilo, es decir, uracilo, en el que un grupo metilo se encuentra en el quinto átomo de carbono). La molécula de purina tiene dos anillos, mientras que la molécula de pirimidina tiene uno.

Cimientos Es costumbre designar la primera letra de su nombre: A, G, T, U y C.

Ácidos nucleicos son ácidos porque su molécula contiene ácido fosfórico.

La figura muestra cómo el azúcar, la base y el ácido fosfórico se combinan para formar molécula de nucleótido. La combinación de azúcar con una base se produce con la liberación de una molécula de agua, es decir, es una reacción de condensación. Para la formación de un nucleótido, se requiere una reacción de condensación más, entre azúcar y ácido fosfórico.

Varios nucleótidos difieren entre sí en la naturaleza de los azúcares y las bases que forman parte de ellos.

El papel de los nucleótidos en el cuerpo. no se limita a servir como bloques de construcción de ácidos nucleicos; algunas coenzimas importantes también son nucleótidos. Estos son, por ejemplo, trifosfato de adenosina (ATP), monofosfato de adenosina cíclico (AMPc), coenzima A, dinucleótido de nicotinamida y adenina (NAD), fosfato de dinucleótido de nicotinamida y adenina (NADP) y dinucleótido de flavina y adenina (FAD).

Ácidos nucleicos son compuestos macromoleculares naturales (polinucleótidos) que juegan un papel muy importante en el almacenamiento y transmisión de información hereditaria en los organismos vivos.

El peso molecular de los ácidos nucleicos puede variar desde cientos de miles hasta decenas de miles de millones. Fueron descubiertos y aislados de los núcleos celulares ya en el siglo XIX, pero su papel biológico no se aclaró hasta la segunda mitad del siglo XX.

La composición del nucleótido, la unidad estructural de los ácidos nucleicos, incluye tres componentes:

1) base nitrogenada - pirimidina o purina

Bases de pirimidina- derivados de pirimidina que forman parte de los ácidos nucleicos:uracilo, timina, citosina.

Para las bases que contienen el grupo –OH, es característico un equilibrio móvil de isómeros estructurales, debido a la transferencia de un protón del oxígeno al nitrógeno y viceversa:

Bases de purina- derivados de purina que forman parte de los ácidos nucleicos: adenina, guanina.

La guanina existe como dos isómeros estructurales:

2) monosacárido

Ribosa y 2-desoxirribosa se refiere a monosacáridos que contienen cinco átomos de carbono. Están incluidos en la composición de los ácidos nucleicos en formas β cíclicas:

3) residuo de ácido fosfórico

ADN y ARN

Dependiendo de qué monosacárido esté contenido en la unidad estructural del polinucleótido: ribosa o 2-desoxirribosa, distinguir

· ácidos ribonucleicos(ARN) y

· ácidos desoxirribonucleicos(ADN)

La hebra principal (azúcar-fosfato) del ARN contiene residuos ribosa, y en el ADN 2-desoxirribosa.
Las unidades de nucleótidos de las macromoléculas de ADN pueden contener adenina, guanina, citosina y timina. La composición del ARN difiere en que en lugar de timina presente uracilo.

El peso molecular del ADN alcanza decenas de millones de uma. Estas son las macromoléculas más antiguas conocidas. El peso molecular del ARN es mucho más bajo (de varios cientos a decenas de miles). El ADN se encuentra principalmente en los núcleos de las células, el ARN, en los ribosomas y el protoplasma de las células.

Al describir la estructura de los ácidos nucleicos, se tienen en cuenta diferentes niveles de organización de las macromoléculas:primario y secundario estructura.

· Estructura primaria Los ácidos nucleicos son la composición de nucleótidos y una determinada secuencia de unidades de nucleótidos en la cadena polimérica.

Por ejemplo:

En la notación abreviada de una letra, esta estructura se escribe como

...– A – G – C –...

· Por debajo estructura secundaria Los ácidos nucleicos comprenden las formas ordenadas espacialmente de las cadenas de polinucleótidos.

Estructura secundaria del ADNConsiste en dos cadenas de polinucleótidos paralelas no ramificadas retorcidas alrededor de un eje común en una doble hélice.

Los enlaces de hidrógeno ocurren entre la base de purina de una cadena y la base de pirimidina de la otra cadena. Estas bases forman pares complementarios (del lat. complemento- suma).

La formación de puentes de hidrógeno entre pares de bases complementarias se debe a su correspondencia espacial.

La base de pirimidina es complementaria a la base de purina:

Los enlaces de hidrógeno entre otros pares de bases no les permiten encajar en la estructura de doble hélice. De este modo,

TIMINA (T) es complementaria a Adenina (A),

La CITOSINA (C) es complementaria de la GUANINA (G).

La complementariedad de bases determinacomplementariedad de la cadenaen moléculas de ADN.

La complementariedad de las cadenas de polinucleótidos sirve como base química para la función principal del ADN: el almacenamiento y la transmisión de rasgos hereditarios.

La capacidad del ADN no solo para almacenar, sino también para usar información genética está determinada por sus siguientes propiedades:

Las moléculas de ADN son capaces de replicarse (duplicarse), es decir, puede posibilitar la síntesis de otras moléculas de ADN idénticas al original, ya que la secuencia de bases en una de las cadenas de la doble hélice controla su ubicación en la otra cadena.

Las moléculas de ADN pueden dirigir la síntesis de proteínas específicas de organismos de una especie dada de una manera completamente precisa y definida.

Estructura secundaria del ARN

A diferencia del ADN, las moléculas de ARN consisten en una sola cadena de polinucleótidos y no tienen una forma espacial estrictamente definida (la estructura secundaria del ARN depende de sus funciones biológicas).

El papel principal del ARN es la participación directa en la biosíntesis de proteínas.

Se conocen tres tipos de ARN celular, que difieren en su ubicación en la célula, composición, tamaño y propiedades que determinan su papel específico en la formación de macromoléculas proteicas:

los ARN informativos (matriz) transmiten información codificada en el ADN sobre la estructura de la proteína desde el núcleo celular hasta los ribosomas, donde se lleva a cabo la síntesis de proteínas;

los ARN de transporte recogen aminoácidos en el citoplasma de la célula y los transfieren al ribosoma; Las moléculas de ARN de este tipo "aprenden" de las secciones correspondientes de la cadena de ARN mensajero qué aminoácidos deben participar en la síntesis de proteínas;

Los ARN ribosómicos proporcionan la síntesis de proteínas de una determinada estructura, leyendo información del ARN informativo (matriz).

son monómeros complejos a partir de los cuales se ensamblan moléculas de heteropolímero. ADN y ARN. Los nucleótidos libres están involucrados en los procesos de señal y energía de la vida. Los nucleótidos de ADN y los nucleótidos de ARN tienen un plan estructural común, pero difieren en la estructura del azúcar pentosa. Los nucleótidos de ADN usan azúcar desoxirribosa, mientras que los nucleótidos de ARN usan ribosa.

Estructura de un nucleótido

Cada nucleótido se puede dividir en 3 partes:

1. Un carbohidrato es un azúcar pentosa de cinco miembros (ribosa o desoxirribosa).

2. El residuo de fósforo (fosfato) es el residuo del ácido fosfórico.

3. Una base nitrogenada es un compuesto en el que hay muchos átomos de nitrógeno. En los ácidos nucleicos solo se utilizan 5 tipos de bases nitrogenadas: Adenina, Timina, Guanina, Citosina, Uracilo. Hay 4 tipos de ADN: Adenina, Timina, Guanina, Citosina. En el ARN también hay 4 tipos: Adenina, Uracilo, Guanina, Citosina Es fácil ver que en el ARN la Timina es reemplazada por Uracilo en comparación con el ADN.

La fórmula estructural general de la pentosa (ribosa o desoxirribosa), cuyas moléculas forman el "esqueleto" de los ácidos nucleicos:

Si se reemplaza X por H (X = H), entonces se obtienen desoxirribonucleósidos; si X se reemplaza por OH (X = OH), entonces se obtienen ribonucleósidos. Si sustituimos una base nitrogenada (purina o pirimidina) en lugar de R, obtenemos un nucleótido específico.

Es importante prestar atención a las posiciones de los átomos de carbono en la pentosa, que se designan como 3" y 5". La numeración de los átomos de carbono comienza desde el átomo de oxígeno en la parte superior y sigue en el sentido de las agujas del reloj. Se obtiene el último átomo de carbono (5"), que se encuentra fuera del anillo de pentosa y forma, se podría decir, una "cola" de la pentosa. Así, al construir una cadena de nucleótidos, la enzima puede unir un nuevo nucleótido solo al carbono 3" y a ningún otro. Por lo tanto, el extremo de 5" de la cadena de nucleótidos nunca se puede continuar; solo se puede alargar el extremo de 3".

Compara un nucleótido de ARN con un nucleótido de ADN.

Intenta averiguar qué nucleótido es en esta representación:

ATP - nucleótido libre

cAMP - molécula de ATP de "bucle invertido"

Diagrama de la estructura de nucleótidos

Tenga en cuenta que un nucleótido activado capaz de construir una cadena de ADN o ARN tiene una "cola de trifosfato". Es con esta cola "saturada de energía" que puede unirse a la cadena ya existente del ácido nucleico en crecimiento. La cola de fosfato se asienta sobre el carbono 5, por lo que la posición del carbono ya está ocupada por fosfatos y debe unirse. ¿A qué adjuntarlo? Solo al carbono en la posición 3". Una vez unido, este nucleótido se convertirá en un objetivo para que se una el siguiente nucleótido. El "lado receptor" proporciona el carbono en la posición 3", y el "lado de llegada" se adhiere a él con un cola de fosfato ubicada en la posición 5". En general, la cadena crece desde el lado de 3".

Extensión de la cadena de nucleótidos del ADN

El crecimiento de la cadena debido a los enlaces "longitudinales" entre nucleótidos solo puede ir en una dirección: de 5" ⇒ a 3", porque Un nuevo nucleótido solo se puede agregar al extremo 3' de la cadena, no al extremo 5'.

Pares de nucleótidos conectados por enlaces complementarios "cruzados" de sus bases nitrogenadas

Sección de la doble hélice del ADN

Encuentre signos de antiparalelismo de dos hebras de ADN.

Encuentra pares de nucleótidos con enlaces complementarios dobles y triples.