Acidul dezoxiribonucleic , sau ADN - ul , este o macromoleculă prezent biologica in aproape toate celulele si in multe virusuri . ADN-ul conține toate informațiile genetice, numite genom , care permit dezvoltarea, funcționarea și reproducerea ființelor vii . Este un acid nucleic , ca acidul ribonucleic (ARN). Acizii nucleici sunt, alături de peptide și carbohidrați , una dintre cele trei mari familii de biopolimeri esențiali pentru toate formele de viață cunoscute.
Moleculele de ADN din celulele vii sunt formate din două fire antiparalele înfășurate una în jurul celeilalte pentru a forma o spirală dublă . Se spune că ADN-ul este dublu catenar sau dublu catenar. Fiecare dintre aceste catene este un polimer numit polinucleotid . Fiecare monomer care îl constituie este o nucleotidă , care este formată dintr-o bază nucleică sau bază azotată - adenină (A), citozină (C), guanină (G) sau timină (T) - legată de o oză - aici, dezoxiriboză - în sine legat de un grup fosfat . Nucleotidele polimerizate sunt unite între ele prin legături covalente între dezoxiriboză a unei nucleotide și grupul fosfat al nucleotidei următoare, formând astfel un lanț în care alternează osii și fosfații, cu baze nucleice legate fiecare de o oză. Ordinea în care nucleotidele se succed de-a lungul unei catene de ADN constituie secvența acestei catene. Această secvență este cea care transportă informații genetice. Aceasta este structurată în gene , care sunt exprimate prin transcriere în ARN . Acești ARN pot fi necodificatori - ARN de transfer și ARN ribozomal în special - sau codificatori: în acest caz sunt ARN mesager , care sunt traduși în proteine de către ribozomi . Succesiunea bazelor nucleice pe ADN determină succesiunea aminoacizilor care constituie proteinele rezultate din aceste gene. Corespondența dintre bazele nucleice și aminoacizii este codul genetic . Toate genele unui organism constituie genomul acestuia .
Bazele de acid nucleic ale unei catene de ADN pot interacționa cu bazele nucleice ale altei catene de ADN prin legături de hidrogen , care determină regulile de asociere între perechile de baze : perechea de adenină și timină prin intermediul a două legături de hidrogen, în timp ce guanina și pereche de citozine prin intermediul a trei legături de hidrogen. În mod normal, adenina și citozina nu se împerechează, la fel ca guanina și timina. Atunci când secvențele celor două catene sunt complementare, aceste catene se pot împerechea formând o structură elicoidală caracteristică dublu - catenară numită helică dublă ADN. Această dublă helix este potrivită pentru stocarea informațiilor genetice: lanțul ose-fosfat este rezistent la reacțiile de clivaj ; în plus, informațiile sunt duplicate pe cele două fire ale spiralei duble, ceea ce face posibilă repararea unui fir deteriorat de celălalt fir care a rămas intact; în cele din urmă, aceste informații pot fi copiate printr-un mecanism numit replicare ADN în care o dublă helix ADN este copiată fidel într-o altă helică dublă care poartă aceleași informații. Acest lucru se întâmplă în special în timpul diviziunii celulare : fiecare moleculă de ADN a celulei mamă este reprodusă în două molecule de ADN, fiecare dintre cele două celule fiice primind astfel un set complet de molecule de ADN., Fiecare joc fiind identic cu celălalt.
În celule, ADN-ul este organizat în structuri numite cromozomi . Acești cromozomi funcționează pentru a face ADN-ul mai compact cu ajutorul proteinelor , în special a histonelor , care împreună cu acizii nucleici formează o substanță numită cromatină . Cromozomii participă, de asemenea, la reglarea expresiei genelor, determinând ce părți ale ADN-ului ar trebui transcrise în ARN . În eucariote ( animale , plante , ciuperci și protiști ), ADN-ul este conținut în esență în nucleul celulelor, cu o fracțiune de ADN prezentă, de asemenea, în mitocondrii, precum și, în plante , în cloroplaste . În procariote ( bacterii și arhee ), ADN-ul este conținut în citoplasmă . În virusurile care conțin ADN, acesta este stocat în capsidă . Indiferent de organismul considerat, ADN-ul se transmite în timpul reproducerii : joacă rolul de susținere a eredității . Modificarea secvenței bazelor unei gene poate duce la o mutație genetică , care, după caz, poate fi benefică, fără consecințe sau dăunătoare pentru organism, chiar incompatibilă cu supraviețuirea acesteia. De exemplu, modificarea unei singure baze a unei singure gene - cea a β-globinei , o subunitate proteică a hemoglobinei A - a genotipului uman este responsabilă de anemia falciformă , o boală genetică printre cele mai răspândite în lume.
ADN-ul este un polimer lung format prin repetarea monomerilor numiți nucleotide . Primul ADN a fost identificat și izolat în 1869 de nucleul celulelor albe din sânge de către elvețianul Friedrich Miescher . Structura sa cu dublă helică a fost demonstrată în 1953 de britanicul Francis Crick și de americanul James Watson din datele experimentale obținute de britanicii Rosalind Franklin și Maurice Wilkins . Această structură, comună tuturor speciilor , constă din două lanțuri elicoidale de polinucleotide înfășurate unul în jurul celuilalt în jurul unei axe comune, cu un pas de aproximativ 3,4 nm pentru un diametru de aproximativ 2, 0 nm . Un alt studiu care măsoară parametrii geometrici ai ADN-ului în soluție dă un diametru de 2,2 până la 2,6 nm cu o lungime pe nucleotidă de 0,33 nm . Deși fiecare nucleotidă este foarte mică, moleculele ADN pot conține milioane din ele și pot crește până la dimensiuni semnificative. De exemplu, cromozomul uman 1 , care este cel mai mare dintre cromozomii umani , conține aproximativ 220 de milioane de perechi de baze cu o lungime liniară de peste 7 cm .
În celulele vii , ADN-ul nu există în general în formă monocatenară ( monocatenară ) ci mai degrabă în formă dublu-catenară (dublu-catenară) cu o configurație cu dublă spirală. De monomeri care formează fiecare catenă de ADN includ un segment al deoxiriboză - fosfat de lanț și o bază nucleic legat de deoxiriboză. Molecula rezultată din legarea unei baze nucleic la un ose se numește nucleozida ; adăugarea de una până la trei grupări fosfat la doza unui nucleozid formează o nucleotidă . Un polimer rezultat din polimerizarea nucleotidelor se numește polinucleotidă . ADN-ul și ARN-ul sunt polinucleotide.
OSE care constituie coloana vertebrală a moleculei este 2'-dezoxiriboză , un derivat de riboză . Această pentoză alternează cu grupări fosfat pentru a forma legături fosfodiesterice între atomii n o 3 'și n o 5' reziduuri adiacente dezoxiribozei. Din cauza acestei legături asimetrice, firele de ADN au sens. Într-o spirală dublă, cele două catene de ADN sunt în direcții opuse: se spune că sunt antiparalele . Direcția 5 'până la 3' a unui fir ADN îl desemnează în mod convențional pe cel al capătului care poartă o grupare fosfat –PO 3 2−spre capăt purtând o grupare hidroxil –OH; în acest sens, ADN-ul este sintetizat de ADN polimeraze . Una dintre diferențele majore dintre ADN și ARN este faptul că îndrăznirea scheletului moleculei este riboza în cazul ARN în loc de ADN dezoxiriboză, care joacă stabilitatea și geometria acestei macromolecule .
Dubla helix ADN este stabilizată în esență de două forțe: legăturile de hidrogen dintre nucleotide, pe de o parte, și interacțiunile de stivuire ale inelelor aromatice ale bazelor nucleice, pe de altă parte. În mediul apos al celulei , legăturile π conjugate ale acestor baze se aliniază perpendicular pe axa moleculei de ADN pentru a minimiza interacțiunile lor cu stratul de solvație și, prin urmare, entalpia lor liberă . Cele patru nucleotide constitutive ale ADN sunt adenina (A), citozina (C), guanina (G) și timina (T), formând respectiv următoarele patru nucleotide , compunând ADN:
Cele patru baze nucleice ale ADN-ului sunt de două tipuri: pe de o parte purinele - adenina și guanina - care sunt compuși biciclici cuprinzând doi heterocicli cu cinci și respectiv șase atomi, pe de altă parte pirimidinele - citozina și timina - care sunt monociclice compuși cuprinzând un heterociclu cu șase atomi. Cele perechi de baze ale dublu helix ADN sunt formate dintr - o purină care interacționează cu o pirimidină prin două sau trei legături de hidrogen :
Datorită acestei complementarități, toate informațiile genetice purtate de una dintre firele dublei spirale ADN sunt, de asemenea, transportate identic pe cealaltă fir. Pe acest principiu se bazează mecanismul de replicare a ADN-ului și pe această complementaritate între bazele nucleice se bazează toate funcțiile biologice ale ADN-ului din celulele vii.
ADN-ul unor virusuri , cum ar fi bacteriofagii PBS1 și PBS2 de Bacillus subtilis , bacteriofagul φR1-37 al Yersinia și fagul S6 al Stafilococului , pot înlocui timina cu uracil , o pirimidină caracteristică ARN-ului, dar în mod normal absentă din ADN, unde se găsește doar ca produs de degradare al citozinei.
De Nucleobazele împerechează mai des prin formarea de perechi de bază , numite „Watson-Crick“ corespunzând la două sau trei legături de hidrogen stabilite între două baze orientate anti la reziduu de deoxiriboză . Cu toate acestea, legături de hidrogen pot fi stabilite și între o purină sin-orientată și o pirimidină anti-orientată: în acest caz, aceasta este o pereche Hoogsteen . În plus, o pereche de baze Watson-Crick este capabilă să stabilească legături de hidrogen de tip Hoogsteen cu o a treia bază, care permite formarea de structuri ADN cu trei catene .
Doar una dintre catenele unui segment de ADN care constituie o genă este transcrisă în ARN funcțional, astfel încât cele două catene ale unei gene nu sunt echivalente: cea care este transcrisă în ARN funcțional se spune că are polaritate negativă și poartă o secvență antisens, în timp ce catena complementară - care poate fi, de asemenea, transcrisă în ARN, dar nu funcțională - se spune că are polaritate pozitivă și poartă o secvență de ADN de sens. Catenă transcrisă în ARN funcțional este uneori numită catenă codificatoare, dar această denumire este valabilă numai într-o anumită genă, deoarece cele două catene ale aceleiași spirale duble ADN pot codifica proteine diferite; vorbim apoi de suvite ambisense. ARN-urile sunt, de asemenea, transcrise din secvențe de ADN sens - deci secvențe ARN antisens - atât în procariote, cât și în eucariote , dar rolul lor biologic nu este pe deplin elucidat; una dintre ipoteze este că acești ARN antisens ar putea interveni în reglarea expresiei genelor prin asocierea dintre secvențele ARN de sens și antisens, care sunt, prin definiție, complementare.
Distincția dintre firele de ADN simț și antisens este estompată în anumite tipuri de gene suprapuse , destul de rare la procariote și eucariote, dar mai frecvente la plasmide și la viruși , în care ambele catene ale aceluiași segment de ADN codifică fiecare un ARN funcțional diferit. La bacterii , această suprapunere poate juca un rol în reglarea transcripției genelor, în timp ce, la viruși, genele suprapuse cresc cantitatea de informații genetice care pot fi codificate în dimensiunea mică a genomului viral.
ADN-ul eliberat poate fi liniar, așa cum se întâmplă în mod obișnuit în eucariote sau circular, ca în procariote . Cu toate acestea, poate fi răsucit într-o manieră uneori complexă sub efectul introducerii virajelor elice suplimentare sau a îndepărtării virajelor în spirala dublă . Helixul dublu ADN astfel supraînfășurat sub efectul unor supraturnări pozitive sau negative are un pas respectiv scurtat sau prelungit în raport cu starea sa relaxată: în primul caz, bazele nucleice sunt aranjate într-un mod mai compact; în al doilea caz, dimpotrivă, ele interacționează mai puțin strâns. In vivo , ADN prezintă în mod tipic o supercoiling ușor negativă sub efectul enzimelor numite topoizomeraze ADN , care sunt de asemenea esențiale pentru relaxarea tensiunilor introduse în ADN în timpul proceselor care implică derulare dublu helix pentru a separa de ea. Cele două catene , așa cum este în special cazul în timpul replicării ADN și în timpul transcrierii sale în ARN .
Deoarece legăturile de hidrogen nu sunt legături covalente , ele pot fi rupte destul de ușor. Este astfel posibil să separați cele două fire ale dublei spirale ADN ca un fermoar atât mecanic, cât și sub efectul temperaturii ridicate, precum și la salinitate redusă , la pH ridicat - soluție bazică - și la pH scăzut - soluție acidă , cu toate acestea modifică ADN-ul în special prin depurare. Această separare a catenelor de ADN bicatenar pentru a forma două molecule de ADN monocatenar se numește fuziune sau denaturare a ADN-ului . Temperatura la care 50% din ADN bicatenar este disociat în două molecule de ADN monocatenar se numește temperatura de topire sau temperatura de semi-denaturare a ADN-ului, notată T m . Poate fi măsurată urmărind absorbția optică la 260 nm a soluției care conține ADN: această absorbție crește în timpul nepotrivirii, ceea ce se numește hipercromicitate . Moleculele ADN monocatenare eliberate nu au o configurație specială, dar unele structuri tridimensionale sunt mai stabile decât altele.
Stabilitatea unei spirale duble ADN depinde în esență de numărul de legături de hidrogen care trebuie rupte pentru a separa cele două catene. Prin urmare, cu cât dubla helix este mai lungă, cu atât este mai stabilă. Cu toate acestea, din moment ce perechile G C sunt unite de trei legături de hidrogen în loc de două pentru perechile A T , stabilitatea moleculelor de ADN dublu catenar de aceeași lungime crește cu numărul de perechi G C pe care le conțin, măsurate prin rata lor . de GC . Acest efect este întărit de faptul că interacțiunile de stivuire între bazele nucleice ale aceleiași catene de ADN sunt mai puternice între reziduurile de guanină și citozină, astfel încât secvența de ADN îi influențează și stabilitatea. Prin urmare, temperatura de topire a ADN-ului depinde de lungimea moleculelor, de nivelul lor de GC, de secvența lor, de concentrația lor în solvent și de puterea ionică din acesta. În biologia moleculară , se observă că segmentele de ADN bicatenar a căror funcție implică faptul că cele două catene ale spiralei duble se pot separa cu ușurință au o rată mare de perechi A T : acesta este cazul secvenței TATAAT tipice Pribnow cutia unor promotori .
Cele două fire de ADN formează o dublă spirală a cărei coloană vertebrală formează două caneluri. Aceste caneluri sunt adiacente perechilor de baze și sunt susceptibile de a oferi un loc de legare pentru diferite molecule. Deoarece firele de ADN nu sunt poziționate simetric față de axa helixului dublu, ele definesc două brazde de dimensiuni inegale: canelura majoră are o lățime de 2,2 nm, în timp ce canelura minoră este de 1,2 nm . Marginile bazelor nucleice sunt mai accesibile în canelura majoră decât în canelura minoră. Astfel, proteinele , cum ar fi factorii de transcripție , care se leagă de secvențe specifice în ADN dublu catenar o fac de obicei la nivelul canelurii majore.
Există mulți conformatori posibili ai dublei spirale ADN. Formele clasice se numesc ADN A , ADN B și ADN Z , dintre care doar ultimele două au fost observate direct in vivo . Conformația adoptată de dublu - stranded DNA depinde de gradul de hidratare , ei secventa , rata de supercoiling , modificările chimice ale bazelor care o compun, natura și concentrația de metale ioni în soluție , chiar și a prezenței poliamine .
Setare | ADN A | ADN B | ADN Z |
---|---|---|---|
Direcția elicei | dreapta | dreapta | stânga |
Model repetat | 1 bp | 1 bp | 2 bp |
Rotire prin pereche de baze | 32,7 ° | 34,3 ° | 60 ° / 2 |
Pereche de baze pe rotație a elicei | 11 | 10.5 | 12 |
Pasul elicei pe rotație | 2,82 nm | 3,32 nm | 4,56 nm |
Alungirea axului prin pereche de baze | 0,24 nm | 0,32 nm | 0,38 nm |
Diametru | 2,3 nm | 2,0 nm | 1,8 nm |
Inclinarea perechilor de baze pe axa elicei | + 19 ° | -1,2 ° | −9 ° |
Răsucire medie ( răsucire elice ) | + 18 ° | + 16 ° | 0 ° |
Orientarea substituenților a bazelor de pe osidic reziduurile |
anti | anti |
Pirimidină : anti, purină : sin |
Torsiunea pliabilă / endociclică a furanozei ( Pucker de zahăr ) |
C3'- endo | C2'- endo |
Citozina : C2'- endo , Guanine : C2'- exo |
Expresia genică a ADN-ului depinde de modul în care ADN-ul este ambalat în cromozomi într-o structură numită cromatină . Anumite baze pot fi modificate în timpul formării cromatinei, reziduurile de citozină din regiunile care sunt exprimate puțin sau nu sunt exprimate genetic, fiind în general puternic metilate și aceasta în principal la siturile CpG . Cei histonelor in jurul caruia ADN - ul este învelit în chromatins poate fi covalent modificat . Cromatina în sine poate fi modificată prin complexe de remodelare a cromatinei. În plus, metilarea ADN și modificarea covalentă a histonelor sunt coordonate pentru a afecta expresia cromatinei și a genelor .
Astfel, metilarea resturilor de citozina produce 5-metilcitozină , care joaca un rol important in inactivarea cromozomului X . Rata metilării variază între organisme, nematodul Caenorhabditis elegans fiind complet lipsit de acesta, în timp ce vertebratele au aproximativ 1% din ADN-ul lor conținând 5-metilcitozină .
Pirimidinele au o structură moleculară foarte similară. Astfel, citozina și 5-metilcitozina pot fi dezaminate pentru a produce uracil (care nu este o bază care face parte din codul ADN) și respectiv timină . Prin urmare, reacția de dezaminare ar putea promova mutații genetice .
Există, de asemenea, alte baze modificate în ADN, care rezultă, de exemplu, din metilarea reziduurilor de adenină în bacterii, dar și în nematode ( Caenorhabditis elegans ), alge verzi ( Chlamydomonas ) și muște ale fructelor . 5-hydroxymethylcytosine este un derivat de citozină deosebit de abundente in creier de mamifere . Organisme precum flagelatele Diplonema și Euglena și genul Kinetoplastida , în plus, conțin o pirimidină glicozilată derivată din uracil și numită bază J ; această bază modificată acționează ca un semnal de terminare a transcripției pentru ARN polimeraza II . Au fost identificate o serie de proteine care se leagă în mod specific de baza J.
ADN-ul poate fi deteriorat de un număr mare de mutageni care îi modifică secvența . Acești mutageni includ oxidanți , agenți alchilanți , radiații electromagnetice energetice precum ultraviolete și raze X și gamma , precum și particule subatomice de radiații ionizante precum cele rezultate din radioactivitate sau chiar razele cosmice . Tipul de daune produse depinde de tipul de mutagen. Astfel, razele ultraviolete sunt capabile să dăuneze ADN-ului prin producerea dimerilor de pirimidină prin stabilirea legăturilor între bazele adiacente ale aceleiași catene de ADN. Oxidanții, cum ar fi radicalii liberi sau peroxidul de hidrogen, produc mai multe tipuri de daune, cum ar fi modificările bazelor, inclusiv guanozina , și rupturile în structura dublu - catenară . O celulă umană tipică conține aproximativ 150.000 de baze deteriorate de un oxidant. Dintre aceste leziuni datorate oxidanților, cele mai periculoase sunt rupturile dublu catenare, deoarece sunt cele mai dificil de reparat și sunt susceptibile de a produce mutații punctuale , inserții și deleții în secvența ADN, precum și translocații cromozomiale . Este posibil ca aceste mutații să provoace cancer . Modificările naturale ale ADN-ului, de exemplu rezultate din procesele celulare producătoare de derivați reactivi ai oxigenului , sunt destul de frecvente. Deși mecanismele de reparare a ADN rezolvă majoritatea acestor leziuni, unele dintre ele nu sunt reparate și se acumulează în timp în țesuturile postmitotice ale mamiferelor . Acumularea unor astfel de leziuni nerezolvate pare a fi o cauză importantă de bază a îmbătrânirii .
Mulți mutageni se încadrează în spațiul dintre două perechi de baze adiacente într- un mod numit intercalație . Cele mai multe intercalații sunt realizate de compuși aromatici și molecule plane, cum ar fi bromură de etidiu , acridine , daunorubicină sau doxorubicină . Bazele trebuie să se îndepărteze pentru a permite inserarea compusului de intercalație, ceea ce determină distorsiunea dublei spirale prin derularea parțială. Acest lucru blochează atât transcrierea, cât și replicarea ADN-ului , rezultând citotoxicitate și mutații . În consecință, compușii intercalați pot fi cancerigeni și, în cazul talidomidei , teratogeni . Alți compuși precum epoxi benzo [ a ] piren diolul și aflatoxina formează aducti cu ADN care provoacă erori în replicare. Cu toate acestea, datorită capacității lor de a bloca transcrierea și replicarea ADN, alte toxine similare sunt utilizate și în chimioterapie împotriva celulelor cu proliferare rapidă.
ADN-ul se găsește în principal în cromozomi , care sunt în general liniari în eucariote și circulari în procariote . În acesta din urmă, poate fi găsit și în afara cromozomilor, în plasmide . Tot ADN-ul unei celule constituie genomul acesteia . Genomul uman reprezintă aproximativ trei miliarde de perechi de baze distribuite în 46 de cromozomi. Informațiile conținute în genom sunt transportate de segmente de ADN care formează genele . Informațiile genetice sunt transmise prin baze de reguli de potrivire specifice numite împerechere Watson-Crick: singurele două perechi de baze permise în mod normal sunt adenina cu timină și guanina cu citozina . Aceste reguli de împerechere stau la baza diferitelor procese la locul de muncă în funcțiile biologice ale ADN:
Atunci când o celulă este divizată , aceasta trebuie să reproducă ADN-ul care îi poartă genomul, astfel încât ambele celule fiice să moștenească aceleași informații genetice ca celula părinte. Elica dublă ADN oferă un mecanism simplu de replicare: cele două catene sunt desfăcute pentru a fi separate și fiecare dintre cele două catene servește drept șablon pentru a recrea o catena cu secvența complementară prin asocierea între baze nucleice , ceea ce face posibilă reconstituirea a două elemente identice spirale ADN dublu catenar . Acest proces este catalizat de un set de enzime printre care ADN polimerazele sunt cele care completează firele de ADN desfășurate pentru a reconstrui cele două catene complementare. Deoarece aceste ADN polimeraze pot polimeriza ADN-ul doar în direcția 5 'până la 3' , intervin diferite mecanisme pentru a copia firele antiparalele ale helixului dublu:
ADN-ul din genom este organizat și compactat într-un proces numit condens ADN, astfel încât să poată intra în spațiul restrâns al unei celule . În eucariote , ADN-ul este localizat în principal în nucleu , cu o mică fracțiune și în mitocondrii și, în plante , în cloroplaste . La procariote , ADN-ul se găsește într-o structură neregulată a citoplasmei numită nucleoid . Informația genetică a genomului este organizată în cadrul genelor , iar întregul set al acestor informații se numește genotip . O genă este o fracțiune de ADN care influențează o anumită caracteristică a organismului și, prin urmare, face parte din ereditate . Conține un cadru de citire deschis care poate fi transcris în ARN , precum și secvențe pentru reglarea expresiei genelor, cum ar fi promotori și amplificatori care controlează transcrierea.
La majoritatea speciilor , doar o mică parte din genom codifică proteinele . Astfel, aproximativ 1,5% din genomul uman este format din exoni care codifică proteine, în timp ce mai mult de 50% din ADN-ul uman constă din secvențe necodificate repetate ; restul ADN codifică diferite tipuri de ARN, cum ar fi ARN -uri de transfer și ARN-uri ribozomale . Prezența unei asemenea cantități de ADN non-codare în genomul de eucariotelor cât și marea variabilitate a dimensiunii genomului diferitelor organisme - mărime care nu are nici o legătură cu complexitatea organismelor corespunzătoare - este o chestiune cunoscută încă începutul biologiei moleculare și numit adesea paradoxul valorii C , această „ valoare C ” desemnând, în organismele diploide , dimensiunea genomului și un multiplu de această dimensiune în poliploizi . Cu toate acestea, anumite secvențe de ADN care codifică proteinele pot să nu codifice molecule de ARN implicate în reglarea funcțională a expresiei genelor .
Anumite secvențe de ADN necodificatoare joacă un rol structural în cromozomi . De telomerilor si centromeres contin de obicei cateva gene, dar contribuie în mod semnificativ la funcțiile biologice și stabilitatea mecanică a cromozomilor. O fracțiune semnificativă a ADN necodificator constă în pseudogene , care sunt copii ale genelor reduse inactive ca urmare a mutațiilor . Aceste secvențe sunt de obicei doar fosile moleculare, dar uneori pot servi ca materie primă genetică pentru crearea de gene noi prin procese de duplicare genetică și divergență evolutivă.
Expresia genică este de a converti genotipul unui fenotip al organismului , adică un set de caracteristici ale acestei organizații. Acest proces este influențat de diferiți stimuli externi și constă din următoarele trei etape principale:
Rețineți că același ADN poate fi exprimat în două etape ale dezvoltării unui organism (datorită unor represori și derepresivi diferiți) în moduri foarte diferite, cel mai cunoscut exemplu fiind cel al omidei și al fluturelui, morfologic foarte îndepărtat.
Gena informație codificată de secvența de nucleotide a genei ADN - ului pot fi copiate la un acid nucleic diferit de cunoscut ADN și ARN . Acest ARN este foarte similar din punct de vedere structural cu o moleculă de ADN monocatenar , dar diferă prin natura osei nucleotidelor sale - ARN conține riboză în care ADN conține dezoxiriboză - precum și una dintre nucleotidele sale.baze ale acidului nucleic - timina din ADN este înlocuit cu uracil .
Transcripția ADN în ARN este un proces complex , a cărui elucidare a fost un progres major in biologie moleculara in a doua jumatate a XX - lea secol. Este strâns reglementat, în special de proteinele numite factori de transcripție care, ca răspuns la hormoni, de exemplu, permit transcrierea genelor țintă: acesta este, de exemplu, cazul hormonilor sexuali, cum ar fi estrogenul , progesteronul și testosteronul .
ARN care rezultă din transcrierea ADN - ului poate fi non-codare sau codificare. În primul caz, are o funcție fiziologică proprie în celulă ; în cel de-al doilea caz, este un ARN mesager , care este utilizat pentru a transporta informațiile genetice conținute în ADN la ribozomi , care organizează decodificarea acestor informații folosind ARN-ul de transfer . Aceste ARN-uri de transfer sunt legate de un aminoacid dintre cei 22 de aminoacizi proteinogeni și fiecare are un grup de trei baze nucleice consecutive numite anticodon . Cele trei baze ale acestor anticodoni se pot împerechea cu trei baze consecutive ale ARN-ului mesager, acest triplet de baze formând un codon complementar anticodonului ARN-ului de transfer. Complementaritatea codonului ARN mesager și anticodonul ARN de transfer se bazează pe regulile de împerechere de tip Watson-Crick care guvernează structura secundară a ADN-urilor dublu - catenare .
Corespondența dintre cei 64 de codoni posibili și cei 22 de aminoacizi proteinogeni se numește cod genetic . Acest cod este materializat de diferiții ARN-uri de transfer care fac fizic legătura dintre un aminoacid dat și anticodoni diferiți în funcție de diferiții ARN-uri de transfer care se pot lega la același aminoacid. Astfel, o secvență dată de baze nucleice dintr-o genă pe ADN poate fi convertită într-o secvență precisă de aminoacizi care formează o proteină în citoplasma celulei.
Există mai mulți codoni decât există aminoacizi de codat. Prin urmare, se spune că codul genetic este degenerat. În plus față de aminoacizii proteinogeni, codifică și sfârșitul traducerii folosind trei codoni anumiți numiți codoni STOP : TAA, TGA și TAG pe ADN.
Toate funcțiile biologice ale ADN depind de interacțiunile cu proteinele . Acestea pot varia de la interacțiuni nespecifice la interacțiuni cu proteine care se leagă în mod specific de o secvență specifică de ADN. De asemenea, enzimele se pot lega de ADN și, printre acestea, polimerazele care asigură replicarea ADN și transcrierea acestuia în ARN joacă un rol deosebit de important.
Proteinele structurale care se leagă de ADN oferă exemple bine înțelese de interacțiuni nespecifice între proteine și ADN. Acest lucru este menținut în cromozomi formând complexe cu proteine structurale care condensează ADN-ul într-o structură compactă numită cromatină . În eucariote , această structură implică mici proteine de bază numite histone , în timp ce implică multe proteine de diferite tipuri în procariote . Histonele formează un complex în formă de disc cu ADN numit nucleozom care conține două rotații complete ale unei molecule de ADN dublu catenar înfășurate în jurul proteinei. Aceste interacțiuni nespecifice sunt stabilite între reziduurile bazice ale histonelor și coloana vertebrală acidă alcătuită dintr-o alternativă ose - fosfat care transportă bazele nucleice ale dublei spirale ADN. În acest fel, se formează legături ionice care sunt independente de secvența de bază ADN. Aceste reziduuri de aminoacizi bazici suferă modificări chimice, cum ar fi metilările , fosforilările și acetilările . Aceste modificări chimice modifică intensitatea interacțiunilor dintre ADN și histone, făcând ADN-ul mai mult sau mai puțin accesibil factorilor de transcripție și modulând astfel activitatea de transcripție . Alte proteine care se leagă la ADN nespecific includ proteine nucleare din grupul cu mobilitate electroforetică ridicată , cunoscut sub numele de HMG , care se leagă de ADN îndoit sau distorsionat. Aceste proteine sunt importante pentru flexarea rețelelor de nucleozomi și aranjarea lor în structurile mai mari care alcătuiesc cromozomii.
Dintre proteinele cu interacțiuni nespecifice cu ADN, cele care se leagă în mod specific de ADN monocatenar constituie un grup special. La om , proteina A este reprezentantul cel mai bine înțeles. Apare atunci când cele două fire ale unei spirale duble sunt separate, în special în timpul replicării , recombinării și reparării ADN-ului . Aceste proteine par să stabilizeze ADN-ul monocatenar și să-l împiedice să formeze tulpina-buclă - structuri de ac de păr - sau să se degradeze prin nucleaze .
Proteine specifice unei secvențe de ADNÎn schimb , alte proteine se leagă doar de secvențe specifice de ADN. Dintre aceste proteine, cei mai studiați sunt diferiții factori de transcripție , care sunt proteine care reglează transcrierea . Fiecare factor de transcripție se leagă doar de un anumit set de secvențe de ADN și activează sau inhibă gene din care una dintre aceste secvențe specifice este apropiată de promotor . Factorii de transcriere realizează acest lucru în două moduri. Se pot lega mai întâi de ARN polimeraza responsabilă de transcripție, direct sau prin intermediul altor proteine mediator; aceasta poziționează polimeraza la nivelul promotorului și îi permite să înceapă transcrierea. De asemenea, se pot lega de enzime care modifică histonele la nivelul promotorului, ceea ce are ca efect modificarea accesibilității ADN-ului la polimerază.
Deoarece aceste ținte ADN pot fi distribuite în întregul genom al unui organism, o modificare a activității unui tip de factor de transcripție poate afecta mii de gene. Prin urmare, aceste proteine sunt adesea ținta proceselor de transducție a semnalului care controlează răspunsurile la schimbările de mediu, dezvoltarea celulelor sau diferențierea . Specificitatea interacțiunii acestor factori de transcripție cu ADN provine din faptul că aceste proteine stabilesc numeroase contacte cu marginile bazelor nucleice , ceea ce le permite să „citească” secvența ADN. Majoritatea acestor interacțiuni au loc în canelura majoră a dublei spirale ADN, unde bazele sunt cele mai accesibile.
Cele nucleaze sunt enzime care scindează la catenele ADN - ului în catalizarea hidroliza de legături fosfodiesterice . Nucleazele care scindează nucleotidele situate la capătul catenelor de ADN se numesc exonucleaze , în timp ce cele care scindează nucleotidele situate în interiorul catenelor de ADN se numesc endonucleaze . Cele mai frecvent utilizate nucleaze în biologia moleculară sunt enzimele de restricție , care scindează ADN-ul la secvențe specifice. Astfel, enzima EcoRV recunoaște secvența a șase baze 5'-GATATC-3 ' și o scindează în mijloc. In vivo , aceste enzime protejează bacteriile împotriva infecției prin fagi, digerând ADN-ul acestor virusuri atunci când intră în celula bacteriană. În ingineria moleculară, acestea sunt utilizate în tehnici de clonare moleculară și pentru a determina amprenta genetică .
Ligazele ADNÎn schimb, enzimele numite ligase ADN pot reatașa fire de ADN rupte sau despicate. Aceste enzime sunt deosebit de importante în timpul replicării ADN-ului, deoarece acestea sunt cele care sutură fragmentele Okazaki produse pe catena întârziată, numită și catena indirectă, la nivelul furcii de replicare. Ei sunt, de asemenea, implicați în mecanismele de reparare a ADN-ului și de recombinare genetică .
Cele topoizomeraze sunt enzime care au atât o activitate nucleaza și o activitate ligaza . ADN - giraza este un exemplu de astfel de enzime. Aceste proteine modifică viteza de supraînfășurare a ADN prin tăierea unei spirale duble pentru a permite celor două segmente formate să se rotească unul față de celălalt prin eliberarea super-bobinelor înainte de a fi suturate din nou. Alte tipuri de topoizomeraze sunt capabile să taie o helică dublă pentru a permite trecerea unui alt segment cu dublă helică prin breșa astfel formată înainte de a închide aceasta din urmă. Topoizomerazele sunt esențiale pentru multe procese care implică ADN, cum ar fi transcrierea și replicarea ADN- ului .
HelicasesCele helicases sunt tipuri de motoare moleculare . Aceștia folosesc energia chimică a nucleozidului trifosfat , în esență ATP , pentru a rupe legăturile de hidrogen dintre perechile de baze și pentru a derula dubla helix ADN pentru a elibera ambele catene . Aceste enzime sunt esențiale pentru majoritatea proceselor care necesită enzime pentru a accesa bazele ADN-ului.
ADN polimerazeCele ADN polimeraze sunt enzime care sintetizeaza lanturi polinucleotide de nucleozid trifosfații . Secvența lanțurilor pe care le sintetizează este determinată de cea a unui lanț polinucleotidic preexistent numit matrice . Aceste enzime funcționează prin adăugarea continuă de nucleotide la hidroxil din capătul 3 'al lanțului polipeptidic în creștere. Din acest motiv, toate polimerazele funcționează în direcția 5 'la 3' . Nucleozidul trifosfat având o bază complementară cu cea a matriței perechi la acesta în situsul activ al acestor enzime, care permite polimerazelor să producă catene de ADN a căror secvență este exact complementară cu cea a catenei matrice. Polimerazele sunt clasificate în funcție de tipul de fire pe care le folosesc.
În timpul replicării , ADN polimerazele dependente de ADN fac copii ale firelor de ADN. Pentru a păstra informațiile genetice, este esențial ca secvența de bază a fiecărei copii să fie exact complementară secvenței de bază de pe șablonul șablon. Pentru a face acest lucru, multe ADN polimeraze au capacitatea de a-și corecta posibilele erori de replicare - funcția de corectură . Prin urmare, ei sunt capabili să identifice defectul în formarea unei perechi de baze între firul șablon și firul în creștere la baza pe care tocmai l-au inserat și să scindeze acest nucleotid folosind activitatea de exonuclează 3 '→ 5' pentru a elimina această replicare. eroare. În majoritatea organismelor, ADN-polimerazele funcționează în complexe mari numite replisomi care conțin mai multe subunități complementare, cum ar fi cleme - pensete ADN - și helicaze .
ADN-polimerazele dependente de ARN sunt o clasă de polimeraze specializate capabile să copieze o secvență de ARN în ADN. Acestea includ transcriptaza inversă , care este o enzimă virală implicată în infecția celulelor gazdă de retrovirusuri și telomeraza , o enzimă esențială pentru replicarea telomerilor . Telomeraza este o polimerază neobișnuită prin aceea că conține propriul șablon de ARN în structura sa.
ARN polimerazeTranscrierea este realizată de un ARN polimeraza dependent de ADN care copiază o secvență de ADN în ARN . Pentru a începe transcrierea unei gene , ARN polimeraza leagă mai întâi o secvență de ADN numită promotor și separă firele de ADN. Apoi copiază secvența ADN care constituie gena într-o secvență complementară de ARN până ajunge într-o regiune a ADN numită terminator , unde se oprește și se detașează de ADN. Ca ADN polimerază dependentă de ADN, ARN polimeraza II - enzimă care transcrie majoritatea genelor genomului uman - funcționează într-un complex proteic mare cuprinzând mai multe subunități complementare și reglatoare.
Fiecare diviziune celulară este precedată de replicarea ADN care duce la replicarea cromozomilor . Acest proces păstrează în mod normal informațiile genetice ale celulei , fiecare dintre cele două celule fiice moștenind un machiaj genetic complet identic cu cel al celulei-mamă. Cu toate acestea, uneori acest proces nu are loc în mod normal, iar informațiile genetice din celulă sunt modificate. Vorbim în acest caz de mutație genetică . Această alterare a genotipului poate fi neimportantă sau, dimpotrivă, de asemenea modifica fenotipul care rezultă din expresia a modificate gene .
O dublă helix ADN nu interacționează de obicei cu alte segmente de ADN, iar în celulele umane diferiții cromozomi chiar ocupă fiecare o regiune proprie în nucleul numit teritoriu cromozomial . Această separare fizică a diferiților cromozomi este esențială pentru funcționarea ADN-ului ca un depozit stabil și durabil de informații genetice, deoarece unul dintre rarele momente în care interacționează cromozomii are loc în timpul încrucișării responsabile de recombinare genetică , adică atunci când două spirale duble ADN sunt rupte, schimbați secțiunile și sudați împreună.
Recombinarea permite cromozomilor să schimbe material genetic și să producă noi combinații de gene , ceea ce crește eficiența selecției naturale și poate fi esențială în evoluția rapidă a noilor proteine . Recombinarea genetică poate avea loc și în timpul reparării ADN-ului , în special în cazul ruperii simultane a ambelor fire ale dublei spirale ADN.
Cea mai comună formă de recombinare cromozomială este recombinarea omoloagă , în care cei doi cromozomi care interacționează împart secvențe foarte similare. Recombinările neomoloage pot deteriora grav celulele, deoarece pot duce la translocații și anomalii genetice. Reacția de recombinare este catalizată de enzime numite recombinaze , cum ar fi proteina Rad51. Primul pas al acestui proces este o ruptură în ambele fire ale dublei spirale cauzate de endonuclează sau deteriorarea ADN-ului. O serie de pași catalizați de recombinază are ca rezultat unirea celor două spirale prin cel puțin o joncțiune Holliday în care un segment monocatenar al fiecărei spirale duble este sudat pe firul complementar al celeilalte spirale duble. Joncțiunea Holliday este o joncțiune cruciformă care, când șuvițele au secvențe simetrice, se pot deplasa de-a lungul perechii de cromozomi, schimbând o șuviță cu cealaltă. Reacția de recombinare este oprită prin scindarea joncțiunii și sutura ADN-ului eliberat.
Informațiile genetice codificate de ADN nu sunt neapărat fixate în timp și este posibil ca anumite secvențe să se mute dintr-o parte a genomului în alta. Acestea sunt elementele genetice mobile . Aceste elemente sunt mutagene și pot modifica genomul celulelor . Printre acestea se găsesc în special transpozoni și retrotranspozoni , aceștia din urmă acționând, spre deosebire de primii, printr-un ARN intermediar care redă o secvență de ADN sub acțiunea unei transcriptaze inverse . Se deplasează în interiorul genomului sub efectul transpozazelor , anumite enzime care le detașează dintr-un loc și le leagă la alt loc din genomul celulei și se crede că sunt responsabile pentru migrarea a nu mai puțin de 40% din genomul uman către în timpul evoluției Homo sapiens .
Aceste elemente transpozabile constituie o fracțiune importantă a genomului ființelor vii, în special la plante unde adesea reprezintă cea mai mare parte a ADN-ului nuclear , cum ar fi la porumb, unde 49 până la 78% din genom este format din retrotranspozoni. La grâu , aproape 90% din genom este alcătuit din secvențe repetate și 68% din elemente transpozabile. La mamifere , aproape jumătate din genom - 45-48% - este alcătuit din elemente transpozabile sau remanente ale acestora, iar aproximativ 42% din genomul uman este alcătuit din retrotranspozoni, în timp ce 2 până la 3% este format din transpozoni ADN. Prin urmare, ele sunt elemente importante în funcționarea și evoluția genomului organismelor.
Așa-numitul grup I și grupa II intronii sunt alte elemente genetice mobile. Sunt ribozime , adică secvențe de ARN dotate cu proprietăți catalitice , cum ar fi enzimele , capabile de autocataliză a propriului splicing . Cei din grupul I au nevoie de nucleotide de guanină pentru a funcționa, spre deosebire de cei din grupul II . Intronii din grupa I, de exemplu, se găsesc sporadic în bacterii , mai semnificativ în eucariote simple și într-un număr foarte mare de plante superioare. În cele din urmă, acestea se găsesc în genele unui număr mare de bacteriofagi de bacterii Gram-pozitive , dar doar în câțiva fagi de bacterii Gram-negative - de exemplu, fagul T4 .
Informația genetică a unei celule poate evolua sub efectul încorporării materialului genetic exogen absorbit prin membrana plasmatică . Vorbim despre transferul de gene orizontal , spre deosebire de transferul vertical rezultat din reproducerea ființelor vii. Este un factor evolutiv important în multe organisme, în special în unicelulare . Acest proces implică adesea bacteriofagi sau plasmide .
Este probabil ca bacteriile capabile de jurisdicție să absoarbă direct o moleculă de ADN extern și să o încorporeze în propriul lor genom , un proces numit transformare genetică . De asemenea, pot obține acest ADN ca plasmidă de la o altă bacterie prin procesul de conjugare bacteriană . În cele din urmă, pot primi acest ADN printr-un bacteriofag (un virus ) prin transducție . De eucariotelor pot primi , de asemenea material genetic exogen printr - un proces numit transfecție .
ADN-ul conține toate informațiile genetice care permit ființelor vii să trăiască, să crească și să se reproducă. Cu toate acestea, nu se știe dacă, pe parcursul celor 4 miliarde de ani din istoria vieții pe Pământ , ADN-ul a jucat întotdeauna acest rol. O teorie sugerează că a fost un alt acid nucleic , ARN , care a fost purtătorul informațiilor genetice ale primelor forme de viață care au apărut pe planeta noastră. ARN - ul s - ar fi jucat rolul central într - o formă timpurie a metabolismului celular în măsura în care este probabil atât pentru a transmite informații genetice și cataliza de reacțiile chimice care formează ribozomi . Această lume ARN , în care ARN ar fi servit atât ca suport pentru ereditate , cât și ca enzime , ar fi influențat evoluția codului genetic cu patru baze nucleice , ceea ce oferă un compromis între precizia codării informațiilor genetice favorizate de un număr mic de baze pe de o parte și eficiența catalitică a enzimelor favorizate de un număr mai mare de monomeri pe de altă parte.
Cu toate acestea, nu există dovezi directe pentru existența trecută a sistemelor metabolice și genetice diferite de cele pe care le cunoaștem astăzi, deoarece rămâne imposibil să extragem material genetic din majoritatea fosilelor . ADN-ul nu persistă mai mult de un milion de ani înainte de a fi împărțit în fragmente scurte. A fost propusă existența celui mai vechi ADN intact, în special o bacterie viabilă extrasă dintr-un cristal de sare vechi de 150 de milioane de ani, dar aceste publicații rămân controversate.
Unele componente ale ADN-ului - adenina , guanina și compușii organici înrudiți - s-ar fi putut forma în spațiu . Constituenții ADN-ului și ARN-ului, cum ar fi uracilul , citozina și timina, au fost de asemenea obținuți în laborator în condiții de reproducere a celor întâlnite în mediul interplanetar și interstelar din compuși mai simpli, cum ar fi pirimidina , găsiți în meteoriți . Pirimidina, la fel ca unele hidrocarburi aromatice policiclice (HAP) - cei mai bogați compuși de carbon detectați în univers - s-ar putea forma în stele roșii gigantice sau în nori interstelari .
Au fost dezvoltate metode pentru a purifica ADN-ul de la viețuitoare, cum ar fi extracția fenol-cloroformului și a-l manipula în laborator, cum ar fi enzimele de restricție și PCR . Biologie si biochimie face uz moderne pe scară largă a acestor tehnici în donarea moleculară (în) . ADN - ul recombinant este o secvență de ADN sintetic asamblat din alte secvențe ADN. Un astfel de ADN poate transforma organismele sub formă de plasmide sau cu ajutorul unui vector viral . Organismele modificate genetic (OMG-uri) rezultate pot fi utilizate pentru a produce, de exemplu , proteine recombinate, utilizate în cercetarea medicală sau în agricultură .
ADN-ul extras din sânge , material seminal , salivă , un fragment de piele sau păr prelevat la locul crimei poate fi utilizat în criminalistică pentru a determina amprenta ADN-ului unui suspect. În acest scop, secvența segmentelor de ADN, cum ar fi secvențele de microsateliți sau minisateliții, este comparată cu cea a indivizilor aleși pentru ocazie sau deja enumerați în baze de date. Această metodă este, în general, foarte fiabilă pentru identificarea ADN-ului corespunzător cu cel al unui individ suspect. Identificarea poate fi, totuși, mai complexă dacă scena crimei este contaminată cu ADN de la mai multe persoane. Identificarea ADN a fost dezvoltată în 1984 de către geneticianul britanic Sir Alec Jeffreys și a fost folosită pentru prima dată în 1987 pentru a confunda un violator cu un criminal în serie .
În măsura în care ADN-ul acumulează mutații în timp care sunt transmise prin ereditate , acesta conține informații istorice care, atunci când sunt analizate de geneticieni prin compararea secvențelor din organisme cu istorii diferite, face posibilă urmărirea istoriei evoluției acestor organisme, adică a lor filogeneză . Această disciplină, punând genetica în slujba paleobiologiei , oferă un instrument de investigație puternic în biologia evoluției . Prin compararea secvențelor ADN din aceeași specie , geneticienii populației pot studia istoria anumitor populații de ființe vii, un domeniu care variază de la genetica ecologică la antropologie . Astfel, studiul ADN - ului mitocondrial în cadrul populațiilor umane este utilizat pentru a urmări migrațiile de Homo sapiens . De exemplu, haplogrupul X a fost studiat paleodemografia pentru a evalua posibila rudenie a paleo-indienilor cu populații europene din paleoliticul superior .
( fr ) Arborele filogenetic subliniind cele trei domenii ale vieții: eucariotele sunt reprezentate în roșu, arheea în verde și bacteriile în albastru.
Harta de migratii umane deduse din filogenetice studii ale omului genomului mitocondrial .
Bioinformatica implică manipularea, cercetarea și explorarea datelor biologice, care includ secvențe de ADN. Dezvoltarea tehnicilor de stocare și căutare a secvențelor de ADN a condus la progrese computerizate utilizate pe scară largă în alte părți, în special în ceea ce privește algoritmii de căutare a șirurilor , învățarea automată și teoria bazelor de date . De șir de caractere de căutare algoritmi , care fac posibilă găsirea unei secvențe de litere incluse într - o succesiune de litere mai lungi, au fost dezvoltate pentru a căuta secvențe specifice de nucleotide . Secvența ADN poate fi aliniată cu alte secvențe ADN pentru a identifica secvențe omoloage și a localiza mutațiile specifice care le disting. Aceste tehnici, inclusiv alinierea mai multor secvențe , sunt utilizate pentru a studia relațiile și funcțiile filogenetice ale proteinelor .
Depozitele de date care reprezintă secvența completă a unui genom, cum ar fi cele produse de Proiectul genomului uman , cresc la o dimensiune atât de mare încât sunt dificil de utilizat fără adnotările care identifică localizarea genelor și a elementelor de reglare pe fiecare cromozom . Regiunile de secvențe de ADN care au motivele caracteristice asociate cu genele care codifică proteinele funcționale sau ARN-urile pot fi identificate prin algoritmi de predicție genică , care permit cercetătorilor să prezică prezența anumitor produse genetice și funcția lor posibilă în organism. sunt izolate experimental. Genomurile întregi pot fi, de asemenea, comparate, ceea ce poate evidenția istoria evoluției anumitor organisme și permite studierea evenimentelor evolutive complexe.
Nanotehnologie ADN utilizează proprietățile unice ale recunoașterii moleculare (en) ADN - ului și , mai general , a acizilor nucleici pentru a crea complecși ADN ramificat de auto-asamblate înzestrat cu proprietăți interesante. Din acest punct de vedere, ADN-ul este folosit mai degrabă ca material structural decât ca purtător de informații biologice. Acest lucru a condus la crearea de matrice periodice bidimensionale, indiferent dacă sunt asamblate în cărămizi sau prin procesul origami ADN , sau tridimensionale având o formă poliedrică . Au fost, de asemenea, produse nanomașini ADN și construcții prin auto-asamblare algoritmică . Astfel de structuri ADN ar putea fi utilizate pentru a organiza aranjarea altor molecule, cum ar fi nanoparticulele de aur și moleculele de streptavidină , o proteină care formează complexe foarte rezistente cu biotina . Cercetările în electronică moleculară bazată pe ADN au condus Microsoft să dezvolte un limbaj de programare numit ADN Strand Displacement (DSD) utilizat în anumite variante ale componentelor nanoelectronice moleculare bazate pe ADN.
Deoarece ADN-ul este folosit de ființele vii pentru a-și stoca informațiile genetice , unele echipe de cercetare îl studiază și ca mijloc de stocare a informațiilor digitale în același mod ca și memoria computerului . De Acizii nucleici ar prezenta , într - adevăr avantajul de a stoca informații densitate considerabil mai mare decât cea a mass - media tradiționale - teoretic mai mult de zece ordinele de mărime - cu o durata de viata , de asemenea , mult mai mare.
Teoretic este posibilă codificarea a doi biți de date pe nucleotidă , permițând o capacitate de stocare care ajunge la 455 de milioane de terabyți pe gram de ADN cu catenă unică, care rămâne lizibilă timp de câteva milenii, chiar și în condiții de depozitare ne-ideale, și tehnică de codificare de până la 215.000 de terabytes pe gram de ADN. a fost propus în 2017; Prin comparație, un DVD cu două fețe dublu strat conține doar 17 gigaocteți pentru o masă tipică de 16 g - cu 400 de miliarde de ori mai puțin capacitatea de stocare pe unitate de masă. O echipă de la Institutul European de Bioinformatică a reușit astfel în 2012 să codifice 757.051 octeți din 17.940.195 nucleotide , ceea ce corespunde unei densități de stocare de aproximativ 2.200 terabyți pe gram de ADN. La rândul său, o echipă elvețiană a publicat în februarie 2015 un studiu care demonstrează robustețea ADN-ului încapsulat în silice ca mediu durabil pentru informare.
În plus, alte echipe lucrează la posibilitatea stocării informațiilor direct în celulele vii, de exemplu pentru a codifica contoare pe ADN-ul unei celule pentru a determina numărul de diviziuni sau diferențieri , care ar putea găsi aplicații în cercetarea cancerului și a îmbătrânirii .
ADN-ul a fost izolat pentru prima dată în 1869 de biologul elvețian Friedrich Miescher ca substanță bogată în fosfor din puroiul bandajelor chirurgicale uzate. Deoarece această substanță a fost găsit în nucleul de celule , Miescher a numit nuclein . În 1878, biochimistul german Albrecht Kossel a izolat componenta neproteică a acestei „nucleine” - acizii nucleici - apoi a identificat cele cinci baze nucleice . În 1919, biologul american Phoebus Levene a identificat constituenții nucleotidelor , adică prezența unei baze , a unei ose și a unui grup fosfat . El a sugerat că ADN-ul consta dintr-un lanț de nucleotide unite între ele prin grupările lor fosfat. El a crezut că lanțurile erau scurte și că bazele se succedau în mod repetat într-o ordine fixă. În 1937, fizicianul și biologul britanic William Astbury a produs primul model de difracție a ADN-ului prin cristalografie cu raze X , arătând că ADN-ul are o structură ordonată.
În 1927 , biologul rus Nikolai Koltsov a intuit că ereditatea se bazează pe o „moleculă ereditară gigantică” formată din „două fire de oglindă una a celeilalte, care s-ar reproduce într-un mod semi-conservator folosind fiecare fir ca model”. El credea, totuși, că acestea sunt proteine care transportă informații genetice. În 1928 , bacteriologul englez Frederick Griffith a efectuat un celebru experiment care acum îi poartă numele și prin care a demonstrat că bacteriile vii non- virulente aduse în contact cu bacteriile virulente ucise de căldură se pot transforma în bacterii virulente. Acest experiment a pregătit calea pentru identificarea în 1944 a ADN-ului ca vector de informații genetice prin experimentul lui Avery, MacLeod și McCarty . Biochimistul belgian Jean Brachet a demonstrat în 1946 că ADN-ul este un constituent al cromozomilor , iar rolul ADN-ului în ereditate a fost confirmat în 1952 de experimentele lui Hershey și Chase care au demonstrat că materialul genetic al fagului T2 este alcătuit din ADN.
Prima structură antiparalelă cu dublă helică recunoscută astăzi drept modelul corect al ADN-ului a fost publicată în 1953 de biochimistul american James Watson și de biologul britanic Francis Crick într- un articol acum clasic în revista Nature . Lucrau la acest subiect încă din 1951 la Laboratorul Cavendish al Universității Cambridge și păstrau astfel o corespondență privată cu biochimistul austriac Erwin Chargaff , inițial al regulilor Chargaff , publicat în primăvara anului 1952, sub care, într-o moleculă de ADN , nivelul fiecărei baze purinice este substanțial egal cu nivelul uneia dintre cele două baze pirimidinice , mai exact nivelul guaninei este egal cu cel al citozinei și că nivelul adeninei este egal cu cel al timinei , ceea ce a sugerat ideea unei perechi de adenină cu timină și guanină cu citozină.
În mai 1952, studentul britanic Raymond Gosling , care lucra sub Rosalind Franklin în echipa lui John Randall , a realizat o imagine de difracție cu raze X ( placa 51 ) a unui cristal ADN foarte hidratat. Acest instantaneu a fost împărtășit lui Crick și Watson fără știrea lui Franklin și a fost esențial în stabilirea structurii corecte a ADN-ului. Franklin le-a indicat, de asemenea, celor doi cercetători că cadrul de fosfor al structurii ar trebui să fie în afara acesteia și nu în apropierea axei centrale așa cum se credea atunci. Ea a identificat în continuare grupul spațial de cristale de ADN, ceea ce i-a permis lui Crick să determine că cele două fire de ADN erau antiparalele. În timp ce Linus Pauling și Robert Corey au publicat un model molecular al unui acid nucleic format din trei lanțuri împletite cu, în concordanță cu ideile vremii, grupurile de fosfați de lângă axa centrală și bazele nucleice orientate spre exterior, Crick și Watson au finalizat în februarie 1953, modelul lor antiparalel cu două lanțuri, cu grupările fosfat la exterior și bazele nucleice din interiorul helixului dublu, un model considerat acum a fi prima structură de ADN corectă care a fost propusă vreodată.
Această lucrare a fost publicată în ediția din 25 aprilie 1953 a revistei Nature prin cinci articole care descriu structura finalizată de Crick și Watson, precum și dovezile care susțin acest rezultat. În primul articol, intitulat Structura moleculară a acizilor nucleici: o structură pentru acidul nucleic dezoxiribozic , Crick și statul Watson: „Nu ne-a scăpat de observația că perechea specifică pe care am postulat-o sugerează imediat un posibil mecanism pentru replicarea materialului. ”. Acest articol a fost urmat de o publicație a britanicului Maurice Wilkins și colab. investigarea difracției de raze X de către ADN-B in vivo , care a susținut existența structurii dublei spirale în celulele vii și nu doar in vitro , și prima publicare a lucrării lui Franklin și Goslin asupra datelor pe care le-au obținut prin difracție de raze X și propria lor metodă de analiză.
Rosalind Franklin a murit în 1958 de cancer și, prin urmare, nu primește Premiul Nobel pentru fiziologie sau medicină acordat în 1962 , „pentru descoperirile lor referitoare la structura moleculară a acizilor nucleici și importanța lor pentru transferul informațiilor genetice în materia vie”, pentru Francis Crick, James Watson și Maurice Wilkins, care nu au avut niciun cuvânt care să-i acorde lui Franklin munca sa; faptul că nu a fost asociată cu acest premiu Nobel continuă să fie dezbătut.
În 1957 , Crick a publicat o lucrare care modelează ceea ce este astăzi cunoscut sub numele de teoria fundamentală a biologiei moleculare, descriind relațiile dintre ADN, ARN și proteine , articulate în jurul „ipotezei„ adaptorului ”. Confirmarea modului de replicare semi-conservatoare a dublei spirale a venit în 1958 odată cu experimentul lui Meselson și Stahl . Crick și colab. și-au continuat activitatea și au arătat că codul genetic se bazează pe triplete succesive de baze nucleice numite codoni , care au permis descifrarea codului genetic în sine de către Robert W. Holley , Har Gobind Khorana și Marshall W. Nirenberg . Aceste descoperiri au marcat nașterea biologiei moleculare .
Structura elicoidală a ADN-ului a inspirat mai mulți artiști, cel mai faimos fiind pictorul suprarealist Salvador Dalí , care a fost inspirat de acesta în nouă picturi între 1956 și 1976 , inclusiv Paysage de papillon (Marele masturbator într-un peisaj suprarealist cu ADN) (1957 -1958) și Galacidalacidesoxyribonucleicacid (1963).
„ Am recuperat 757.051 octeți de informații din 337 pg de ADN, oferind o densitate de stocare a informațiilor de 2,2 PB / g (= 757 051/337 × 10 −12 ) . Observăm că această densitate a informațiilor este suficientă pentru a stoca arhivele electronice naționale ale arhivelor naționale și înregistrărilor din 2011 ale Administrației electronice a arhivelor, în total ~ 100 TB în < 0,05 g de ADN, arhiva 2 PB a site-urilor Internet Archive Wayback Machines în aproximativ 1 g de ADN și sistemul CERN 80 PB CASTOR pentru date LHC în ~ 35 g de ADN. "
" Ich habe mich daher später mit meinen Versuchen an die ganzen Kerne gehalten, die Trennung der Körper, die ich einstweilen ohne weiteres Präjudiz als lösliches und unlösliches Nuclein bezeichnen will, einem günstigeren Material überlassend. "
„Cred că dimensiunea cromozomilor din glandele salivare [a Drosophila ] este determinată de multiplicarea genonemelor. Desemnez prin acest termen firul axial al cromozomului, în care geneticienii localizează combinația liniară de gene; … În cromozomul normal există de obicei doar un genonem; înainte de diviziunea celulară, acest genonem se găsește împărțit în două fire. "
„ Butterfly Landscape (Marele masturbator în peisajul suprarealist cu ADN) arată ideea lui Dali. Deși aceasta a fost prima, creată la doar câțiva ani după anunțul lui Watson și Crick despre dubla helică, ADN-ul ar apărea în multe dintre lucrările viitoare ale lui Dali. Ca agent al creației, este probabil ușor de văzut de ce fluturii izvorăsc din structura iconică din această pictură. Dar, de asemenea, se pare că Dali a folosit ADN-ul pentru a simboliza nu numai creația, ci și ideea mai mare a lui Dumnezeu, și acesta poate fi motivul pentru care o parte din structura moleculară iese vizibil din nor. "
„Salvador Dali evocă relația sa cu știința, în special cu ADN-ul, ca sursă de inspirație pentru munca sa. El conferă științei o dimensiune poetică și o deviază în scopuri plastice. El îl pune în scenă și îl folosește în slujba fanteziilor sale și a metodei „paranoide-critice”. "