Muchas personas usan el término ADN. Pero casi no hay artículos que describan normalmente cómo funciona (no es comprensible para los biólogos). Ya he descrito en términos generales la
estructura de la célula y los fundamentos mismos de sus
procesos energéticos . Ahora pasemos al ADN.
El ADN almacena información. Todo el mundo lo sabe. Pero así es como ella lo hace?
Comencemos con el lugar donde está almacenado en la celda. Aproximadamente el 98% se almacena en el núcleo. El resto está en mitocondrias y cloroplastos (la fotosíntesis se lleva a cabo en estos tipos). El ADN es un gran polímero compuesto de unidades de monómero. Se ve algo como esto.
¿Qué vemos aquí? Primero, el ADN es una molécula bicatenaria. ¿Por qué es tan importante? Un poco más tarde. A continuación vemos los pentágonos azules. Estas son las moléculas de
desoxi ribosa (como el azúcar, un poco menos de glucosa. Se diferencia de la ribosa por la ausencia de un grupo OH, lo que le da estabilidad a la molécula de ADN, a diferencia del ARN, que usa ribosa. A continuación, por simplicidad, omitiré el prefijo desoxi y solo diré ribosa, sí camaradas escrupulosos nos perdonarán). Pequeños círculos: los restos de ácido fosfórico. Bueno, en realidad hay bases nitrogenadas. Hay 5 de ellos, pero se encuentran principalmente en el ADN 4. Estos son Adenina, Guanina, Timina y Citosina. Es decir, hay una ribosa con la que se asocia una base nitrogenada. Juntos forman los llamados nucleósidos, que se unen entre sí mediante residuos de ácido fosfórico. Así obtenemos una larga cadena que consiste en monómeros. Ahora mira la cadena izquierda ampliada. Vea C y G conectados por tres líneas discontinuas, y T y A por dos. ¿Qué significa esto? Sí, el ADN tiene dos hebras, pero ¿qué las mantiene unidas? Existe un enlace de hidrógeno. Se ve algo como esto. Se forma una carga negativa parcial en los átomos de oxígeno (O) y nitrógeno (N), y una carga positiva en el hidrógeno (H). Esto conduce a la formación de enlaces débiles.
Las conexiones son realmente muy débiles. Su energía puede ser 200 veces menor que la energía de los enlaces covalentes (se forman debido a la superposición de un par de nubes de electrones, por ejemplo, un enlace en una molécula de CO2). Sin embargo, hay muchos lazos. En cada una de nuestras células, las cadenas de ADN están unidas por casi 16 mil millones de enlaces débiles, no poco, ¿de acuerdo?
Pero volvamos al número de conexiones entre las bases. La citosina y la guanina están conectadas por tres enlaces, y la adenina y la timina son dos. Esto lleva al hecho de que G y C están conectados mucho más fuertemente que A y T. Algunos organismos necesitan una estabilidad especial de los enlaces de ADN, por ejemplo, viviendo a altas temperaturas. Cuando se calienta, el ADN que contiene más pares de HC es más estable. Por lo tanto, desea vivir en un géiser: tener muchos pares HZ. Aunque estudios recientes dicen que no hay una conexión clara entre la composición GC (% de pares de HC de todos los pares) y la temperatura del hábitat. Vale la pena decir que varía mucho. Entonces, en Candidatus Carsonella ruddii PV (endosimbionte intracelular), es aproximadamente el 16%, tenemos casi el 41%, y en Anaeromyxobacter K (una bacteria de tamaño bastante mediano) alcanza el 75%.
Aquí puede ver la relación de la composición de GC con el tamaño del genoma bacteriano. Mb es un millón de pares de nucleótidos. El indicador es bastante variable. Por cierto, a menudo se usa como una característica cuando se enseñan varios tipos de clasificadores. Hace poco, yo mismo escribí un clasificador para reconocer patógenos en base a datos de secuenciación sin procesar, y resultó que la composición de GC se puede usar incluso para un ensayo.
No lo he olvidado todavía. ¿Por qué es importante que el ADN sea bicatenario? Basado en una cadena, puede restaurar otra. Si en una cadena una pieza opuesta a la secuencia Adenina-Adenina-Citosina está dañada, entonces sabemos con certeza que antes del daño había Timin-Timin-Guanine. Por lo tanto, la presencia del segundo circuito permite un almacenamiento de información más confiable.
Genial! Ahora volvamos a la propia molécula de ADN. Esta es una cadena de 4 tipos de enlaces. Sin embargo, ¿cuánto tiempo? Candidatus Carsonella ruddii PV tiene solo 160,000 nucleótidos como se mencionó anteriormente. Usted y yo tenemos 3.200 millones (en una célula haploide, es decir, con un conjunto de cromosomas. La mayoría de nuestras células tienen dos). Parece mucho, ¿verdad? En realidad no En una ameba unicelular (Amoeba dubia), tiene alrededor de 670 mil millones de pares de nucleótidos. Parece ser una cadena infinitamente larga, así que traduzcamos el tamaño a nuestros medidores favoritos. Si todos nuestros cromosomas (hay 46 de ellos, no lo olvides; 23 dos copias cada uno) se despliegan y se extienden en una línea, obtendrás una cadena de aproximadamente 2 metros. El ADN de una ameba es suficiente para rodear un estadio de fútbol. ¿Pero a qué estoy conduciendo? El núcleo en el que se almacena el ADN no es muy grande. Lo tenemos en promedio con un diámetro de 6 micras. No mucho, si quieres enrollar un hilo de 2 metros, aunque muy delgado. Y no solo tiene que empujar el hilo hacia el núcleo. Es necesario colapsar para que en cualquier momento sea posible proporcionar acceso a cualquier parte del mismo. La tarea es difícil. Y las proteínas especializadas lo superan con éxito. Crean una serie de espirales y bucles que proporcionan niveles cada vez más altos de empaque y no permiten que el ADN se enrede en el nudo gordiano. Hablemos de cómo está empaquetado.
Debo decir que está empaquetado de maneras muy diferentes. Pero si descarta lo exótico, entonces hay dos formas. El primero es característico de las bacterias, el segundo de los eucariotas (o de otro modo nucleares).
Empaquetado de ADN en bacterias
Comencemos con nuestros hermanos menores. Las bacterias en sí mismas no tienen un genoma muy grande, en promedio de 1 a 5 millones de pares de nucleótidos. La diferencia más característica entre ellos y nosotros es que no tienen un núcleo y el ADN flota en la célula. No nada del todo, está parcialmente unido a la membrana celular y también está plegado, pero no tanto como el nuestro.
El segundo El ADN bacteriano suele ser circular. Por lo tanto, es más fácil de copiar (no hay extremos que se puedan perder al copiar y no es necesario encontrar mecanismos para guardar los extremos). Por lo general, dicho anillo es uno, pero algunas bacterias pueden tener 2 o 3. Hay incluso menos anillos (de un par de miles a un par de cientos de miles de residuos). Su nombre es un plásmido, y esta es otra historia completamente diferente.
De vuelta al paquete de ADN. El ADN está lleno de proteínas histonas (también hay proteínas similares a las histonas). El ADN es ácido desoxirribonucleico.
Ácido Esto significa que tiene carga negativa (debido a los residuos de ácido fosfórico). Por lo tanto, las proteínas que lo unen tienen carga positiva. De esta manera, pueden unirse al ADN. El ADN bacteriano junto con sus proteínas de empaquetamiento forman un nucleoide, con el 80% de su masa siendo ADN. Se ve algo como esto. Es decir, el ADN del anillo se divide en dominios de 40 mil pares de nucleótidos. Entonces hay una torsión. La torsión también ocurre dentro de los dominios, pero su grado difiere en diferentes dominios. En promedio, el grado de empaquetamiento del ADN bacteriano varía de cien a mil veces.
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Empaquetado de ADN en eucariotas
Todo es mucho más interesante aquí. Nuestro ADN está bien empaquetado y oculto dentro del núcleo. Y se empaqueta mucho más eficientemente que las bacterias. Durante la mitosis (división celular), el tamaño del cromosoma 22 es de 2 micras. Si se desenreda y se extrae, ya será de 1,5 cm., Lo que corresponde al grado de embalaje en 10.000 veces. Se trata del grado máximo de empaque de nuestro ADN. Durante la división, debe empacar el ADN tanto como sea posible para dividirlo efectivamente entre las células hijas. En la vida cotidiana, el grado de compactación es de aproximadamente 500 veces. Demasiado ADN es difícil de leer.
Hay varios niveles de empaquetamiento de ADN eucariota
El primero es el nivel de nucleosomas. 8 proteínas histonas forman una partícula sobre la cual se enrolla el ADN. Entonces otra proteína lo arregla. Se ve algo como esto.
Resulta una especie de cuentas. Debido a esto, la densidad de empaque aumenta de 7 a 10 veces. A continuación, los nucleosomas se empaquetan en fibrillas. Un poco como un pepinillo. Aquí el grado total de embalaje puede llegar a 60 veces.
La siguiente etapa de la compactación del ADN está asociada con la formación de estructuras en forma de bucle llamadas cromómeros. La fibrilla se divide en secciones de 10 a 80 mil pares de bases nitrogenadas. En los sitios de descomposición hay glóbulos de proteínas que no son histonas. Las proteínas de unión al ADN reconocen glóbulos de proteínas que no son histonas y los unen. Se forma la boca del bucle. La longitud promedio del bucle incluye aproximadamente 50 mil bases. Esta estructura se llama cromonema interfásico. Y es en él que nuestro ADN se encuentra la mayor parte del tiempo. El nivel de embalaje aquí alcanza 500-1500 veces.
Si es necesario, la célula puede compactar aún más el material genético. La formación de bucles más grandes de fibrillas cromoméricas. Estos bucles a su vez forman nuevos bucles (bucles en bucles ... y esto no es tejido). Que finalmente forman un cromosoma.
En general, el proceso de envasado puede describirse como sigue.
Como resultado, de las cadenas de ADN obtenemos, tras la división, estructuras superenrolladas que se pueden ver bajo un microscopio. Los llamamos cromosomas.
La sustancia de los cromosomas en sí se llama cromatina. Y el grado de su empaquetado varía según el sitio cromosómico. Hay euchromatin y heterochromatin. La eucromatina es una región de cromatina bastante limpia, en ella el ADN está en el nivel cromomérico (empaque de 500 a 1000 veces). Aquí hay una lectura activa de información. Por ejemplo, si una célula está sintetizando activamente la proteína A ahora, entonces la región de ADN que la codifica estará en un estado de eucromatina para que las enzimas que leen el ADN puedan alcanzarla. La heterocromatina contiene esa parte del ADN que la célula realmente no necesita ahora. Es decir, el ADN está tan apretado como sea posible para que no se meta debajo de sus pies. Dependiendo de las necesidades de la célula, algunas regiones de cromatina pueden deshacerse parcialmente, mientras que otras pueden entrelazarse. Por lo tanto, la regulación también se lleva a cabo (una aproximación muy aproximada), porque no se puede llegar a una región retorcida y, por lo tanto, no se puede leer.
En realidad, eso es todo por ahora. Discutimos cómo se almacena el medio de almacenamiento. Tomaremos un breve descanso y en un par de días hablaremos sobre la codificación de la información.