Àcids nucleics: Estructura i funció de l'ADN i l'ARN

L'àcid desoxiribonucleic (ADN)

L'ADN és una macromolècula que serveix per emmagatzemar la informació genètica. Està format per una cadena de nucleòtids, i cada nucleòtid conté una de les quatre bases nitrogenades: adenina (A), guanina (G), citosina (C) i timina (T).

Els nucleòtids s'uneixen entre ells mitjançant enllaços fosfodièster, que es formen entre el carboni 3' del sucre desoxiribosa d'un nucleòtid i el carboni 5' del sucre del nucleòtid següent, a través del grup fosfat. Per això es diu que la cadena d'ADN creix en direcció 5'→3'. La cadena d'ADN no és simètrica, ja que té dos extrems diferents: un extrem 5', que té el fosfat lliure, i un extrem 3', que té un grup -OH lliure.

L'ADN té un pes molecular molt elevat; és a dir, és una molècula molt gran. En els humans, està formada per molts milions de nucleòtids, de manera que és una cadena molt llarga però molt ben plegada.

Localització de l'ADN en les cèl·lules

En les cèl·lules eucariotes (animals, plantes i fongs), l'ADN es troba principalment al nucli formant l'ADN nuclear. Aquest ADN està associat a proteïnes, sobretot histones i també proteïnes no històniques. L'ADN juntament amb les proteïnes forma la cromatina, que és la forma com l'ADN està ordenat i empaquetat dins del nucli.

A més, els mitocondris tenen el seu propi ADN i, en les cèl·lules vegetals, també els cloroplasts. Aquest ADN és més petit i semblant al de les cèl·lules procariotes. En les cèl·lules procariotes (bacteris), no hi ha nucli, però sí que hi ha ADN. Aquest ADN es troba dins la cèl·lula en una zona anomenada nucleoide, que no està delimitada per cap membrana.

En alguns virus també s'ha trobat ADN associat a proteïnes bàsiques, que conté la informació necessària perquè el virus es pugui reproduir.

Composició química dels àcids nucleics

Els àcids nucleics són substàncies molt importants perquè guarden informació. N'hi ha dos tipus: l'ADN, que guarda la informació principal, i l'ARN, que ajuda a fer servir aquesta informació com un missatger.

Aquests àcids nucleics estan fets de nucleòtids. Els nucleòtids tenen tres parts:

• Un fosfat, que serveix per enganxar un nucleòtid amb un altre.
• Un sucre petit (pentosa), que és desoxiribosa si és ADN i ribosa si és ARN (la diferència és que a la desoxiribosa li falta un grup -OH).
• Una base nitrogenada, que és la part que porta la informació.

Hi ha cinc bases: adenina (A), guanina (G), citosina (C), timina (T, només a l'ADN) i uracil (U, només a l'ARN). Primer, el sucre s'uneix a una base i es forma un nucleòsid. Quan al nucleòsid se li afegeix un fosfat, es forma un nucleòtid. És a dir: base + sucre + fosfat = nucleòtid.

Els nucleòtids s'uneixen un darrere l'altre formant una cadena, que pot ser ADN o ARN. S'uneixen gràcies a l'enllaç fosfodièster, on el fosfat d'un nucleòtid s'enganxa amb el sucre del següent. La cadena queda estructurada com sucre–fosfat–sucre–fosfat, i les bases queden cap als costats.

Classificació de l'ADN segons la seva estructura

L'ADN no sempre és igual; depèn d'on el trobem, pot tenir diferents formes. Es pot classificar mirant quatre aspectes: el nombre de cadenes, la forma, les proteïnes associades i la seva longitud.

• Segons el nombre de cadenes: Pot ser monocatenari (una sola cadena, poc freqüent, trobat en virus) o bicatenari (dues cadenes en doble hèlix, el més comú en humans, animals, plantes i bacteris).
• Segons la forma: Pot ser lineal (en el nucli de les cèl·lules eucariotes i alguns virus) o circular (en bacteris, mitocondris, cloroplasts i alguns virus).
• Segons les proteïnes associades: L'ADN mai va sol. En eucariotes va unit a histones (o protamines en els espermatozoides). En bacteris s'uneix a proteïnes similars a les histones i a l'ARN. En els virus s'uneix a proteïnes pròpies o de la cèl·lula infectada.
• Segons la longitud: Pot ser molt curt (virus) o molt llarg (humans, fins a més de dos metres).

Que un ésser viu sigui més complex no vol dir que tingui més ADN. Hi ha espècies simples amb molt d'ADN i d'altres complexes amb menys del que sembla. Això és perquè tenim ADN supernumerari, que no serveix directament per fabricar proteïnes.

L'àcid ribonucleic (ARN)

L'ARN és una molècula que ajuda a fer servir la informació de l'ADN. Està format per una cadena de nucleòtids on cada un té un sucre anomenat ribosa i quatre bases: adenina (A), guanina (G), citosina (C) i uracil (U). L'uracil és equivalent a la timina (T) de l'ADN, però només es troba a l'ARN.

Els nucleòtids s'uneixen igual que en l'ADN, amb un enllaç fosfodièster 5'→3'. L'ARN normalment és monocatenari (una sola cadena), a excepció d'alguns virus que el tenen bicatenari. Es troba en virus i en totes les cèl·lules; de fet, hi ha unes 10 vegades més ARN que ADN perquè és essencial per fabricar proteïnes.

Tipus d'ARN i les seves funcions

• ARN missatger (ARNm): Porta la informació de l'ADN fins als ribosomes.
• ARN de transferència (ARNt): Transporta els aminoàcids als ribosomes.
• ARN ribosòmic (ARNr): Forma part dels ribosomes, les "fàbriques" de proteïnes.
• ARN nucleolar (ARNn): Ajuda a fabricar els ribosomes dins del nucli.

Nivells d'estructura de l'ADN

L'ADN té tres nivells d'estructura:

1. Estructura primària: És la seqüència de nucleòtids i l'ordre de les bases nitrogenades. Conté la informació genètica.
2. Estructura secundària: Correspon a la doble hèlix proposada per Watson i Crick el 1953. Les dues cadenes són antiparal·leles (5'→3' i 3'→5') i complementàries (A amb T, C amb G).
3. Estructura terciària: És el superenrotllament de la doble hèlix, propi de l'ADN circular, que redueix la longitud i facilita la duplicació.

L'ADN és molt estable, però es pot desnaturalitzar a 100 °C (separació de cadenes) i renaturalitzar per sota dels 65 °C.

Empaquetament de l'ADN

L'ADN aconsegueix una gran condensació gràcies a proteïnes com les histones. Els nivells d'empaquetament inclouen la fibra de cromatina de 100 Å, la de 300 Å i els dominis en bucle, fins a formar els cromosomes durant la divisió.

Diferències entre l'ARNm eucariota i procariota

L'ARNm transporta la informació en forma de codons (triplets de bases). En eucariotes, l'ARNm és monocistrònic i pateix un procés de maduració on s'eliminen els introns i s'uneixen els exons. En canvi, en procariotes és policistrònic i no té maduració.

L'ARN de transferència i el nucleolar

L'ARNt té una estructura en forma de trèvol (o forma de L en 3D). Té un braç acceptor per a l'aminoàcid i un anticodó complementari al codó de l'ARNm. L'ARNn es troba al nuclèol i és el precursor de les subunitats ribosòmiques (40S i 60S en eucariotes), que formen el ribosoma de 80S.

Funcions i divisió cel·lular

L'ADN porta la informació genètica i es duplica (replicació) abans de la divisió. L'ARN expressa aquesta informació mitjançant la transcripció (pas d'ADN a ARNm) i la traducció (pas d'ARNm a proteïna).

Les cèl·lules poden ser diploides (2n) o haploides (n). Hi ha dos tipus de divisió:

• Mitosi: Genera cèl·lules idèntiques a la mare.
• Meiosi: Redueix a la meitat el nombre de cromosomes per a la reproducció sexual.

El cicle cel·lular

El cicle cel·lular consta de dues etapes:

• Interfase: La fase més llarga (G1, S, G2), on es duplica l'ADN.
• Divisió cel·lular: Inclou la cariocinesi (nucli) i la citocinesi (citoplasma).

El ritme de divisió depèn de factors com l'augment del citoplasma, la mida de la cèl·lula, l'ancoratge, l'espai disponible i senyals químics com les ciclines.