Compozitia chimica a nucleului celulei

COMPOZITIA CHIMICA A NUCLEULUI CELULEI

Din punct de vedere chimic, nucleul contine: acizi nucleici, proteine, lipide, apa si substante minerale.

Acizii nucleici[1] sunt sunt compusi macromoleculari cu structura complexa si care, impreuna cu proteinele, formeaza compusi de importanta biologica, existenti in celulele vii. Dupa provenienta lor, respectiv dupa materialele din care au fost extrase, acizii nucleici erau considerati de doua tipuri: acizi timonucleici (acizi nucleici din timus sau acizi nucleici animali) si acizi zimonucleici (acizi nucleici din drojdie sau acizi nucleici vegetali). Intrucat s-a constatat ca deosebirea dintre ei consta in natura componentului glucidic (acizii timonucleici contin in molecula lor dezoxi-D-riboza, iar acizii zimonucleici contin D-riboza), denumirile lor au fost inlocuite cu denumirile de acizi dezoxiribonucleici (ADN), si acizi ribonucleici (ARN). Cercetari ulterioare au dovedit, insa, ca aceste doua tipuri de acizi nucleici sunt prezente in toate organismele vii, avand rol important in desfasurarea proceselor vitale normale si patologice; acizii dezoxiribonucleici sunt substantele de baza in aparatul genetic, care asigura ereditatea si variabilitatea, pe cand acizii ribonucleici au mai mult rol functional legat de sinteza proteinelor.

Unitatea de structura a acizilor nucleici este nucleotida[2]. Aceasta este alcatuita dintr-o baza azotata organica, un zahar si un radical fosforic.

Bazele azotate provin dintr-un nucleu comun - purina si respectiv pirimidina care sunt derivati ai benzenului. Purina este un heterobiciclu alcatuit din 5 atomi de carbon si 4 de azot, iar pirimidina este un heterociclu cu 4 atomi de carbon si 2 de azot. Prin substituirea atomilor de hidrogen se obtin numeroase tipuri de baze azotate care intra in structura acizilor nucleici. Bazele azotate purinice din structura acizilor nucleici sunt: adenina (6-aminopurina) si guanina (2 - amino-6- oxipurina), ambele baze avand si o serie de derivati. Bazele pirimidinice cele mai frecvente din acizii nucleici sunt: timina, uracilul, citozina si 5-metil citozina.

Zaharurile care intra in structura acizilor nucleici sunt dezoxiriboza in ADN si riboza in ARN, ambele fiind pentoze alcatuite din 5 atomi de carbon.

Radicalul fosforic din structura acizilor nucleici prezinta trei hidroxili liberi, din care 2 pot fi esterificati.

Prin legarea bazei azotate cu un zahar se obtine nucleosida, iar prin fosforilarea acestora rezulta nucleotida.

Atat conectarea bazelor cu pentoza, cat si a nucleosidei cu acidul fosforic se realizeaza prin pierderea unei molecule de apa.

Radicalul fosforic se poate atasa de C³ sau C⁵ al dezoxiribozei, astfel ca rezulta doua tipuri de nucleotide izomere, iar in cazul ribozei care se poate atasa de C², C³ sau C⁵ rezulta 3 nucleotide izomere.

In functie de numarul radicalilor fosforici atasati pot exista nucleotide mono, di si trifosfat. De exemplu, adenozin-5-fosfatul poate exista sub trei forme, in functie de numarul radicalilor fosforici atasati: AMP (adenozin-monofosfat), ADP (adenozin-difosfat) si ATP (adenozin-trifosfat), nucleotide cu rol deosebit de important in stocarea si furnizarea energiei necesare tuturor proceselor vitale.

Macromolecula de ADN este formata din doua catene polinucleotidice paralele, rasucite in jurul unui ax comun, sub forma unui dublu helix. Distanta intre doua nucleotide succesive este de 3,4 angstromi, pasul elicei este de 34 angstromi, corespunzator a 10 perechi de nucleotide, iar grosimea macromoleculei este de 20 - 30 angstromi. In lungul unei catene polinucleotidice, nucleotidele sunt legate intre ele prin intermediul radicalului fosforic, care leaga C⁵ al dezoxiribozei unei nucleotide cu C³ al dezoxiribozei altei nucleotide, astfel incat o catena polinucleotidica are sensul 5'→3' in timp ce catena paralela are un sens opus 3' →5'. Prin urmare cele doua catene complementare au o orientare spatiala inversa sau antiparalela.Cele doua catene ale moleculei de ADN sunt legate intre ele prin legaturi stabilite intre o baza purinica si o baza pirimidinica complementara. Legaturile existente in macromolecula de ADN sunt: A -T si G-C, fenomen care asigura complementaritatea celor doua catene. Bazele purinice sunt legate cu cele pirimidinice prin punti de hidrogen, duble intre A=T si triple intre G ≡C.

Legaturi de hidrogen intre bazele azotate

Lant de zahar si molecule fosfat Proiect: Dezvoltarea prenatala si nasterea - factorii ce influenteaza dezvoltarea Eseu: Bazele moleculare ale apoptozei

Baze azotate: Adenina-Guanina-Citozina-Timina

Fig. 38. Structura moleculei de ADN

Informatia genetica din macromolecula de ADN este codificata in ordinea succesiunii celor 4 tipuri de nucleotide (adenina, guanina, citozina, timina) care, grupate in triplete numite codoni, realizeaza 64 de combinatii (4³) prin care este determinata ordinea de succesiune a aminoacizilor in catenele polipeptidice. Unui anumit triplet sau codon din macromolecula de ADN ii corespunde un anumit aminoacid din macromolecula proteica.

In timpul replicarii cele doua catene ale moleculei de ADN se separa enzimatic, fapt ce permite sinteza unor catene complementare noi pe matritele celor vechi. Rezulta astfel doua bicatene de ADN identice. Bicatenele de ADN se pot separa -denatura- prin expunere la temperaturi apropiate de punctul de fierbere si la pH extrem (pH<3 si pH>10) si se pot combina -renatura- formand dublu helix nativ prin expunerea monocatenelor complementare la temperatura de aproximativ 65^oC.

Gena este un segment din macromolecula de ADN[3], care cuprinde o secventa de codoni ce determina o anumita ordine a aminoacizilor in moleculele proteice.

Din punct de vedere structural si functional, macromolecula de ARN este similara, in anumite privinte, ADN-ului (Fig. 39). ARN-ul rezulta din polimerizarea unor ribonucleotide, care determina formarea unor lanturi lungi, monocatenare. Pe anumite portiuni, monocatena de ARN se poate rasuci in jurul ei, determinand aparitia unei structuri duble intre secventele complementare de baze. Polimerizarea implica patru tipuri de ribonucleotide legate impreuna prin legaturi fosfodiesterice in pozitiile 3'-5'. Componentul pentozic al ARN-ului este riboza, iar bazele azotate sunt: adenina, guanina, citozina si uracilul. Sunt cunosc doua clase de ARN si anume: ARN genetic, care controleaza ereditatea la unele virusuri, si ARN negenetic, care este implicat in sinteza proteinelor. Exista trei tipuri de acid ribonucleic celular, prezente in toate celulele, si care, avand structuri si functii diferite, joaca un rol esential in biosinteza proteinelor. Aceste tipuri sunt : acidul ribonucleic mesager (ARNm), acidul ribonucleic solubil sau de transport (ARNt) si acidul ribonucleic ribozomal (ARNr). In celule se gaseste o mare cantitate de ARNr (80-90% din ARN-ul celular), o cantitate oarecare de ARNt (10-15%) si o cantitate mica de ARNm (mai putin de 5%).

Fig. 38. Structura moleculei de ARN

Proteinele prezente in nucleu sunt de doua tipuri: bazice si acide.

Proteinele bazice intalnite in nucleu sunt histonele si protaminele. Histonele sunt proteine care se intalnesc numai in genomul eucariotelor. In functie de continutul in arginina si lizina se cunosc mai multe tipuri: H₁ , H_2A, H_2B, H₃, si H₄. Protaminele se intalnesc in genomul spermatozoidului in care realizeaza condensarea puternica a cromatinei, respectiv adaptarea ADN-ului la un volum foarte mic.

Proteinele acide sunt de doua feluri:

proteine acide solubile, care sunt asociate cu ARN-ul si au rol in functia metabolica a materialului genetic,

proteine acide reziduale care sunt asociate cu cromozomii.

Enzimele prezente in nucleu sunt de mai multe categorii: enzime glicolitice, enzime ale metabolismului nucleotidelor, ADN-polimeraze, diferite fosfataze si esteraze. Majoritatea enzimelor se gasesc in nucleoplasma si relativ putine sunt prezente in nucleoli.

Lipidele decelate in nucleu sunt mai ales fosfolipide si colesterol, care sunt mai ales prezente in nucleoplasma si nucleolema.

Substantele minerale. In nucleu s-a semnalat un continut ridicat de ioni de Ca²⁺ si Mg²⁺ care sunt localizati mai ales in cromatina, prezenta acestora fiind necesara metabolismului nucleotidelor. Carente in continutul de calciu si magneziu duce la friabilitatea cromozomilor. In nucleu au mai fost decelati si ioni de sodiu, potasiu, zinc, cupru etc, precum si un continut mai crescut al ionilor de fier, comparativ cu citoplasma. Cantitatea de ioni din nucleu este mai mare la celulele in crestere, tinere, comparativ cu celulele batrane.

Apa reprezinta 50 - 80% din greutatea nucleului, ea fiind, in majoritate, legata de proteine si nucleoproteine. Cantitatea de apa din nucleu manifesta variatii cantitative, dependente de starile functionale ale nucleului si celulei in ansamblu.