Sovint es compara l'ADN a un conjunt de plantilles, una recepta, o un codi, car conté les instruccions requerides per produir altres components de lescèl·lules, com araproteïnes i molècules d'àcid ribonucleic (ARN). Els segments d'ADN que porten aquesta informació genètica reben el nom de «gen», però altres seqüències d'ADN tenen una funció estructural o ajuden a regular l'ús d'aquesta informació genètica.
Des d'un punt de vista químic, l'ADN es compon de dos llargspolímers d'unitats simples anomenadesnucleòtids, amb un esquelet compost desucres i grups fosfats units per enllaçosèster. Aquestes dues cadenes s'estenen en direccions oposades l'una de l'altra i, per tant, sónantiparal·leles. Cada sucre està unit a una d'entre quatre tipus de molècules anomenadesbases:adenina (A),timina (T),citosina (C) iguanina (G). La seqüència d'aquestes quatre bases al llarg de la cadena en codifica les dades. La informació és interpretada utilitzant elcodi genètic, que especifica la seqüència delsaminoàcids en les proteïnes. El codi és llegit per mitjà de la còpia de segments d'ADN en l'ARN, un àcid nucleic relacionat, en un procés anomenat «transcripció».
Esquema representant l'estructura primària de l'ADN. Elsenllaços d'hidrogen apareixen com a línies de punts.
L'ADN és un llargpolímer que es compon d'unitats repetides anomenades «nucleòtids».[1][2] Té una estructura no-estàtica[3] en les quals totes les espècies es componen de dues cadenes helicoïdals que es caragolen al voltant d'un mateix eix, amb un pas de 34 Å (3,4 nm) i un radi de 10 Å (1,0 nm).[4] En un altre estudi, una cadena d'ADN mesurada en una solució determinada tenia una amplada de 22–26 Å (2,2–2,6 nm), mentre que un nucleòtid tenia una llargada de 3,3 Å (0,33 nm).[5] Tot i que cada unitat repetida és molt petita, els polímers d'ADN poden ser molècules enormes que contenen milions de nucleòtids. Per exemple, el cromosoma humà més gros (cromosoma 1) es compon d'aproximadament 220 milions deparells de bases[6] i tindria una llargada de 85 mm si se l'estirés.
En els organismes vius, l'ADN no sol existir en forma de molècula única, sinó com un parell de molècules estretament associades.[7][8] Aquestes dues cadenes s'entrellacen, formant una doblehèlix. Els nucleòtids repetits contenen tant el segment de l'esquelet de la molècula, que manté la cadena unida, i una base, que interacciona amb l'altra cadena d'ADN de l'hèlix. Una base unida a un sucre s'anomenanucleòsid, i una base unida a un sucre i un o més grups fosfat rep el nom denucleòtid. Si diversos nucleòtids estan units, com en el cas de l'ADN, el polímer rep el nom depolinucleòtid.[9]
L'esquelet de la cadena d'ADN es compon de residus defosfats i depentoses - sucres de cinc àtoms de carboni - que es van alternant.[10] El sucre de l'ADN és la 2-desoxiribosa. Una de les diferències principals entre l'ADN i l'ARN és el sucre; en l'ARN, la 2-desoxiribosa és substituïda pel sucre pentosa alternatiuribosa.[8] Les pentoses s'uneixen per grups fosfat que formenenllaços fosfodièster entre el tercer i el cinquè àtom de carboni dels anells de sucres adjacents.
La doble hèlix de l'ADN és estabilitzada perenllaços dèbils, especialmentenllaços d'hidrogen entre les bases unides a les dues cadenes. Les quatre bases de l'ADN són l'adenina (abreujada com a A), lacitosina (C), laguanina (G) i latimina (T). Aquestes quatre bases s'uneixen al sucre/fosfat per formar el nucleòtid complet, com es mostra en el cas delmonofosfat d'adenosina.
Les bases es classifiquen en dos tipus; l'adenina i la guanina sóncompostos heterocíclics de cinc i sis membres anomenatspurines, mentre que la citosina i la timina són anells de sis membres anomenatspirimidines.[8] Una cinquena base pirimidínica, anomenadauracil (U), pren sovint el lloc de la timina en l'ARN, i se'n diferencia pel fet que manca degrup metil a l'anell. L'uracil no se sol trobar a l'ADN, existint únicament com a producte de la desfragmentació de la citosina. Per tal de mantenir el diàmetre de la doble hèlix estable les pirimidines s'uneixen a les purines i específicament G s'uneix a C i A s'uneix a T. Aquest aparellament de bases fa que les dues cadenes s'oposin una a l'altra de la mateixa manera que ho fa una cremallera.
La seqüència de nucleòtids de la cadena acostuma a anomenar-se estructura primària. Tanmateix en ser una cadena tan llarga la disposició que prenen les cadenes origina una estructura secundària que és la que es produeix per a l'empaquetament de l'ADN a l'interior de la cèl·lula.
L'expressió dels gens està influenciada per la manera en què l'ADN està empaquetat als cromosomes, en una estructura anomenadacromatina. Les modificacions de bases poden estar implicades en l'empaquetament; les regions que tenen poca o cap expressió gènica solen contenir nivells elevats demetilació de bases decitosina. Per exemple, la metilació de la citosina produeix5-metilcitosina, que és important en lainactivació del cromosoma X.[11] El nivell mitjà de metilació varia entre organismes - el cucCaenorhabditis elegans no presenta metilació de citosina, mentre que els vertebrats tenen nivells més elevats, i fins a un 1% del seu ADN conté 5-metilcitosina.[12] Malgrat la importància de la 5-metilcitosina, es potdesaminar per formar una base de timina, de manera que les citosines metilades són especialment propenses amutar.[13] Altres modificacions de bases inclouen la metilació de l'adenina en els eubacteris, la presència de5-hidroximetilcitosina alcervell,[14] i laglicosilació de l'uracil per produir la «base-J» en elscinetoplàstids.[15][16]
L'ADN pot resultar danyat per molts tipus diferents demutàgens, que canvien la seqüència de l'ADN. Els mutàgens inclouenagents oxidants,agents alquilants iradiació electromagnètica d'alta energia com ara la llumultraviolada i elsrajos X. El tipus de danys a l'ADN depèn del tipus de mutagen. Per exemple, la llum ultraviolada pot danyar l'ADN produintdímers de timina, que sónreticulacions entre bases de pirimidina.[18] D'altra banda, oxidants com ara elsradicals lliures o elperòxid d'hidrogen causen múltiples formes de danys, incloent-hi modificacions de bases (particularment de guanosina) i trencaments de la cadena doble.[19] Una cèl·lula humana típica conté unes 150.000 bases que han patit danys oxidatius.[20] D'aquestes lesions oxidatives, les més perilloses són els trencaments de la cadena doble, car resulten difícils de reparar i poden produirmutuacions puntuals,insercions idelecions de la seqüència d'ADN, així comtranslocacions cromosòmiques.[21]
Molts mutàgens s'insereixen a l'espai entre dos parells de bases adjacents, un fenomen anomenatintercalació. La majoria d'intercaladors són molècules planars iaromàtiques, i inclouen elbromur d'etidi, ladaunomicina i ladoxorubicina. Perquè un intercalador es pugui inserir entre els parells de bases, cal que se separin les bases, distorsionant les cadenes d'ADN pel desenrotllament de la doble hèlix. Això inhibeix tant la transcripció com la replicació de l'ADN, provocant toxicitat i mutacions. Com a resultat, els intercaladors d'ADN sovint sóncarcinògens; l'epòxid diol de benzo[a]pirè, lesacridines, lesaflatoxines i elbromur d'etidi en són exemples coneguts.[22][23][24] Tanmateix, a causa de la seva capacitat d'inhibir la transcripció i la replicació de l'ADN, altres toxines similars també es fan servir en laquimioteràpia per inhibir les cèl·lulescanceroses en creixement ràpid.[25]
Funcions biològiques
L'ADN existeix habitualment en forma decromosomes linears en els eucariotes, i circulars en els procariotes. El conjunt de cromosomes d'una cèl·lula forma el seugenoma; elgenoma humà té aproximadament 3.000 milions de parells de bases d'ADN arranjats en 46 cromosomes.[26] La informació emmagatzemada a l'ADN es troba a lesseqüències de peces d'ADN anomenadesgens. Latransmissió de la informació genètica dels gens es fa per aparellemant de bases complementàries. Per exemple, en la transcripció, quan una cèl·lula utilitza la informació d'un gen, la seqüència d'ADN és copiada a una seqüència complementària d'ARN per mitjà de l'atracció entre l'ADN i els nucleòtids d'ARN adequats. Habitualment, aquesta còpia d'ARN és utilitzada per generar unaseqüència proteica corresponent en un procés anomenattraducció que depèn de la mateixa interacció entre nucleòtids d'ARN. Alternativament, una cèl·lula pot simplement copiar la seva informació genètica en un procés anomenat replicació de l'ADN. Els detalls d'aquestes funcions estan explicats en altres articles; aquest es concentra en les interaccions entre l'ADN i les altres molècules que medien el funcionament del genoma.
L'ADN genòmic és empaquetat de manera compacta i endreçada per un procés conegut com a «condensació de l'ADN», que l'adapta al petit volum de l'espai intracel·lular. Els eucariotes conserven el seu ADN alnucli cel·lular, i, en quantitats baixes, alsmitocondris icloroplasts. En els procariotes, l'ADN es troba alnucleoide, un cos de forma irregular situat al citoplasma.[27] Els gens contenen la informació genètica encabida en un genoma, mentre que el conjunt complet de dades dins un organisme és el seugenotip. Un gen és una unitat d'herència i és una regió de l'ADN que influeix un caràcter determinat en un organisme. Els gens contenen unapauta oberta de lectura que es pot transcriure, així comseqüències reguladores com arapromotors iestimuladors, que controlen la transcripció de la pauta oberta de lectura.
En moltesespècies, només una fracció petita de tot elgenoma codifica proteïnes. Per exemple, només un 1,5% del genoma humà es compon d'exons codificadors de proteïnes, i més del 50% de l'ADN humà es compon deseqüències repetides no codificants.[28] Les raons darrere la presència de tantADN no codificant als genomes eucariotes i les extraordinàries diferències en lamida del genoma, ovalor C, entre espècies representen un trencaclosques que ve de fa molt de temps, conegut com aparadoxa del valor C.[29] Tanmateix, les seqüències d'ADN que no codifiquen proteïnes encara poden codificar molècules funcionals d'ARN no codificant, que participen en laregulació de l'expressió gènica.[30]
T7 ARN polimerasa (blau) produint ARNm (verd) a partir d'una plantilla d'ADN (taronja).[31]
Algunes seqüències d'ADN no codificant tenen un paper estructural als cromosomes. Elstelòmers icentròmers típicament contenen pocs gens, però són importants pel funcionament i l'estabilitat dels cromosomes.[32][33] Una forma abundant d'ADN no codificant en els humans són elspseudogens, que són còpies de gens que han estat desactivats per mutació.[34] Sovint aquestes seqüències no són més quefòssils moleculars, tot i que a vegades serveixen com a matèria primera genètica per crear nous gens a través del procés deduplicació idivergència gènica.[35]
Un gen és una seqüència d'ADN que conté informació genètica i pot influir en elfenotip d'un organisme. Dins d'un gen, la seqüència de bases al llarg d'una cadena d'ADN defineix una seqüència d'ARN missatger, que després defineix una o més seqüències de proteïnes. La relació entre les seqüències de nucleòtids dels gens i les seqüències d'aminoàcids de les proteïnes ve determinada per les regles de latraducció, conegudes col·lectivament com acodi genètic. El codi genètic es compon de "paraules" de tres lletres anomenadescodons, formades a partir d'una seqüència de tres nuclèotids (p. ex.: ACT, CAG, TTT).
En la transcripció, els codons d'un gen són copiats a l'ARN missatge per l'ARN polimerasa. Aquesta còpia d'ARN és posteriorment descodificada per unribosoma que llegeix la seqüència d'ARN aparellant les bases de l'ARN missatger a l'ARN de transferència, que porta aminoàcids. Com que hi ha quatre bases en combinacions de tres lletres, hi ha 64 codons possibles ( combinacions). Aquests codons codifiquen els vintaminoàcids estàndard, donant més d'un codó possible a la majoria d'aminoàcids. També hi ha tres codons "stop" o "sense sentit" que signifiquen que s'ha arribat a la fi de la regió codificant; són els codons TAA, TGA i TAG.
El codi genètic és universal: tot i que hi ha algunes excepcions (principalment entre els protozous) en totes les espècies cada codó es tradueix pel mateix aminoàcid. Això té especial importància, ja que és el que es permet que es puguin fertransgènics (on gens d'una espècie s'insereixen en una altra).
Ladivisió cel·lular és essencial pel creixement d'un organisme, però quan una cèl·lula es divideix li cal replicar l'ADN del seu genoma per tal que les dues cèl·lules filles tinguin la mateixa informació genètica que la mare. L'estructura bicatenària de l'ADN té un mecanisme simple per lareplicació de l'ADN. Les dues cadenes són separades i aleshores unenzim anomenatADN polimerasa recrea la seqüència d'ADN complementari de cada cadena. Aquest enzim crea la cadena complementària trobant la base correcta per mitjà d'aparellament de bases complementàries, i unint-la a la cadena original. Com que les ADN polimerases només poden allargar una cadena d'ADN en una direcció de 5′ a 3′, s'utilitzen diferents mecanismes per copiar les cadenes antiparal·leles de la doble hèlix.[36] D'aquesta manera, la base de la cadena inicial determina la base que apareixerà a la cadena nova, i la cèl·lula acaba amb una còpia perfecta del seu ADN.
Interacció amb les proteïnes
Totes les funcions de l'ADN depenen de les interaccions amb les proteïnes. Aquestesinteraccions proteiques poden ser no específiques, o la proteïna es pot unir específicament a una sola seqüència d'ADN. Els enzims també es poden unir a l'ADN i, entre ells, les polimerases que copien la seqüència de bases d'ADN en la transcripció i la replicació de l'ADN són especialment importants.
Interacció de l'ADN ambhistones (a dalt, en blanc). Els aminoàcids bàsics d'aquestes proteïnes (a baix a l'esquerra, en blau) s'uneixen als grups fosfat àcids de l'ADN (a baix a la dreta, en vermell).
Les proteïnes estructurals que s'uneixen a l'ADN són exemples ben compresos d'interaccions no específiques entre ADN i proteïnes. Dins dels cromosomes, l'ADN es troba dins de complexos amb proteïnes estructurals. Aquestes proteïnes organitzen l'ADN en una estructura compacta anomenadacromatina. En els eucariotes, aquesta estructura implica la unió de l'ADN amb un complex de petites proteïnes bàsiques anomenadeshistones, mentre que en els procariotes hi estan implicats múltiples tipus de proteïnes.[37][38] Les histones formen un complex en forma de disc anomenatnucleosoma, que conté dues capes completes d'ADN bicatenari embolcallant-ne la superfície. Aquestes interaccions no específiques es formen quan residus bàsics de les histones formenenllaços iònics amb l'esquelet sucre-fosfat àcid de l'ADN i, per tant, són en gran manera independents de la seqüència de bases.[39] Les modificacions químiques d'aquests residus d'aminoàcids bàsics inclouen lametilació, lafosforilació i l'acetilació.[40] Aquests canvis químics alteren la força de la interacció entre l'ADN i les histones, fent que l'ADN sigui més o menys accessible pelsfactors de transcripció i canviant la velocitat de transcripció.[41] Altres proteïnes d'unió a ADN no específiques de la cromatina inclouen les proteïnes del grup d'alta mobilitat, que s'uneixen a ADN tort o distorsionat.[42] Aquestes proteïnes són importants en la flexió de les fileres de nucleosomes i els endrecen en estructures més grans que fan els cromosomes.[43]
Un grup distint de proteïnes d'unió a ADN són les que s'uneixen específicament a l'ADN monocatenari. En els humans, laproteïna de la replicació A és el membre més ben comprès d'aquesta família i se la fa servir en processos en què se separa la doble hèlix, incloent-hi la replicació, la reparació i la recombinació de l'ADN.[44] Sembla que aquestes proteïnes d'unió estabilitzen l'ADN monocatenari i eviten que formillaços o sigui degradat pernucleases.
El factor de transcripcióhèlix-gir-hèlix repressor lambda unit a la seva diana d'ADN.[45]
En canvi, altres proteïnes han evolucionat per unir-se a determinades seqüències d'ADN. Entre elles, les que han estat estudiades més intensament són els diversosfactors de transcripció, que són proteïnes que regulen la transcripció. Cada factor de transcripció s'uneix a un conjunt particular de seqüències d'ADN i activa o inhibeix la transcripció dels gens que tenen aquestes seqüències a prop dels promotors. Els factors de transcripció fan això de dues maneres. Primerament, es poden unir a l'ARN polimerasa encarregada de la transcripció, o bé directament o bé a través d'altres proteïnes mediadores; això situa la polimerasa al promotor i li permet iniciar la transcripció.[46] Alternativament, els factors de transcripció poden unir-se aenzims que modifiquen les histones del promotor; això canvia l'accessibilitat de la plantilla de l'ADN per la polimerasa.[47]
Com que aquestes dianes d'ADN poden trobar-se arreu del genoma d'un organisme, els canvis en l'activitat d'un tipus de factor de transcripció pot afectar milers de gens.[48] Per consegüent, aquestes proteïnes són sovint la diana dels processos detransducció de senyals que controlen les respostes als canvis ambientals o ladiferenciació i el desenvolupament cel·lulars. L'especificitat de les interaccions d'aquests factors de transcripció amb l'ADN deriva del fet que les proteïnes fan múltiples contactes amb les vores de les bases de l'ADN, permetent-los "llegir" la seqüència d'ADN. La majoria d'aquestes interaccions amb les bases es fan al solc major, on les bases són més accessibles.[49]
Lesnucleases són enzims que tallen cadenes d'ADN catalitzant lahidròlisi delsenllaços fosfodièster. Les nucleases que hidrolitzen nucleòtids dels extrems de les cadenes reben el nom d'exonucleases, mentre que lesendonucleases fan talls dins de les cadenes. Les nucleases utilitzades més sovint en labiologia molecular són lesendonucleases de restricció, que retallen l'ADN a seqüències específiques. Aquestes seqüències s'anomenen dianes de restricció, i solen ésser palindròmiques (es llegeixen igual en els dos sentits de la cadena d'ADN). Per exemple, l'enzim EcoRV mostrat a l'esquerra reconeix la seqüència de sis bases 5′-GAT|ATC-3′ i fa un tall a la línia vertical. A la natura, aquests enzims protegeixen elsbacteris de la infecció per part debacteriòfags, digerint l'ADN del fag quan penetra a la cèl·lula bacteriana, actuant com a part delsistema de restricció-modificació.[51] En la tecnologia, aquestes nucleases específiques per cada seqüència s'utilitzen en laclonació molecular i laidentificació de l'ADN.
Lestopoisomerases són enzims amb activitat tant de nucleasa com de ligasa. Aquestes proteïnes canvien la quantitat desuperenrotllament de l'ADN. Alguns d'aquests enzims funcionen tallant l'hèlix d'ADN i permetent la rotació d'una secció, reduint-ne així el nivell de superenrotllament; aleshores l'enzim segella el trencament de l'ADN.[53] Altres tipus d'aquests enzims són capaços de tallar una hèlix d'ADN i aleshores fer passar una segona cadena d'ADN per aquest trencament, reajuntant així l'hèlix.[54] Les topoisomerases són necessàries per molts processos relacionats amb l'ADN, com ara la replicació i la transcripció de l'ADN.[55]
Leshelicases són proteïnes que són una mena demotor molecular. Utilitzen l'energia química delsnucleòsids trifosfats, majoritàriamentATP, per trencar els enllaços d'hidrogen entre les bases i desenrotllar la doble hèlix d'ADN en cadenes separades.[56] Aquests enzims són essencials per la majoria de processos en què enzims necessiten accedir a les bases de l'ADN.
Polimerases
Lespolimerases són enzims que sintetitzen cadenes de polinucleòtids a partir de nucleòsids trifosfats. La seqüència dels seus productes són còpies de cadenes ja existents de polinucleòtids, anomenades «plantilles». Aquests enzims funcionen afegint nucleòtids algrup hidroxil 3′ del nucleòtid previ d'una cadena d'ADN. Per consegüent, totes les polimerases funcionen en direcció 5′ a 3′.[57] A lazona activa d'aquests enzims, el nucleòsid trifosfat entrant aparella les bases amb la plantilla: això permet a les polimerases sintetitzar amb precisió la cadena complementària de la seva plantilla. Les polimerases es classifiquen segons el tipus de plantilla que utilitzen.
En la replicació de l'ADN, unaADN polimerasa ADN dependent crea una còpia d'una seqüència d'ADN. La precisió és vital en aquest procés, de manera que moltes d'aquestes polimerases tenen una activitat decorrecció de proves. Aquí, la polimerasa reconeix els errors ocasionals de la reacció de síntesi per la manca d'aparellament de bases entre els nucleòtids mal aparellats. Si es detecta un malaparellament, s'engega una activitat d'exonucleasa 3′ a 5′ i la base incorrecta és eliminada.[58] En la majoria d'organismes les ADN polimerases funcionen en un gran complex anomenatreplisoma que conté múltiples subunitats accessòries, com ara l'abraçadora d'ADN o leshelicases.[59]
Les ADN polimerases ARN dependents són una classe especialitzada de polimerases que copien la seqüència d'una cadena d'ARN en ADN. Inclouen latranscriptasa inversa, que és un enzimvíric implicat en la infecció de les cèl·lules perretrovirus, o latelomerasa, que és necessària per a la replicació dels telòmers.[60][61] La telomerasa és una polimerasa inusual, car conté la seva pròpia plantilla d'ARN com a part de la seva estructura.[32]
La transcripció és executada per unaARN polimerasa ADN dependent que copia la seqüència d'una cadena d'ADN en ARN. Per començar a transcriure un gen, l'ARN polimerasa s'uneix a una seqüència d'ADN anomenada «promotor» i separa les cadenes d'ADN. Aleshores copia la seqüència gènica a un transcrit d'ARN missatger fins que arriba a una regió de l'ADN, el «terminador», on s'atura i se separa de l'ADN. Com en les ADN polimerases ADN dependents humanes, l'ARN polimerasa II, l'enzim que transcriu la majoria de gens del genoma humà, opera com a part d'un grancomplex proteic amb múltiples subunitats reguladores i accessòries.[62]
La recombinació implica el trencament i la reunió de dos cromosomes (M i F) per generar dos cromosomes rearranjats (C1 i C2).
Una hèlix d'ADN no interacciona habitualment amb altres segments d'ADN, i en les cèl·lules humanes els diferents cromosomes fins i tot ocupen parts separades del nucli anomenades "territoris cromosòmics".[64] Aquesta separació física dels diferents cromosomes és important per la capacitat de l'ADN de funcionar com a dipòsit estable d'informació, car una de les poques ocasions en què interaccionen els cromosomes és durant l'encreuament cromosòmic quan esrecombinen. L'encreuament cromosòmic és quan dues hèlixs d'ADN es trenquen, s'intercanvien una secció i aleshores es tornen a ajuntar.
La recombinació permet als cromosomes intercanviar informació genètica i produeix noves combinacions de gens, cosa que augmenta l'eficàcia de laselecció natural i pot ser important en l'evolució ràpida de noves proteïnes.[65] La recombinació genètica també pot estar implicada en la reparació de l'ADN, particularment en la resposta cel·lular als trencaments de la cadena doble.[66]
La forma més comuna d'encreuament cromosòmic és larecombinació homòloga, en què els dos cromosomes implicats tenen seqüències molt similars. La recombinació no homòloga pot danyar les cèl·lules, car pot produirtranslocacions cromosòmiques i anormalitats genètiques. La reacció de recombinació és catalitzada per enzims coneguts com a recombinases, com araRAD51.[67] El primer pas de la recombinació és un trencament de la cadena doble causat o bé per unaendonucleasa o bé per danys a l'ADN.[68] Aleshores, una sèrie de passos catalitzats en part per la recombinasa porta a la unió de les dues hèlixs a través d'almenys unajunció de Holliday, en què un segment d'una sola cadena de cada hèlix és unida a la cadena complementària de l'altra hèlix. La junció de Holliday és una estructura de junció tetraèdrica que es pot moure al llarg del parell de cromosomes, canviant una cadena per una altra. Aleshores, la reacció de recombinació és aturada pel trencament de la junció i el relligament de l'ADN alliberat.[69]
L'ADN conté la informació genètica que permet funcionar, créixer i reproduir-se a tots els éssers vius actuals. Tanmateix, no és clar durant quant de temps dels 4.000 milions d'anys d'història de la vida l'ADN ha jugat aquest paper, car s'ha proposat que les primeres formes de vida podrien haver utilitzat ARN com a material genètic.[70][71] L'ARN podria haver servit com a part central delmetabolisme cel·lular primitiu, car és capaç tant de transmetre informació genètica com decatalitzar reaccions com a part delsribozims.[72] Aquest anticmón d'ARN en què aquest àcid nucleic hauria estat utilitzat tant per la catàlisi com per la genètica podria haver influït en l'evolució del codi genètic actual basat en quatre bases de nucleòtids. Això hauria passat perquè el nombre de bases úniques d'un organisme és un equilibri entre un nombre reduït de bases, que augmenta la precisió de la replicació, i un nombre gran de bases, que augmenta l'eficàcia catalitzadora dels ribozims.[73]
Desafortunadament, no hi ha proves directes dels sistemes genètics ancestrals, car resulta impossible recuperar ADN de la majoria de fòssils. Això es deu al fet que l'ADN sobreviu menys d'un milió d'anys al medi ambient i a poc a poc es degrada en petits fragments en dissolució.[74] S'ha al·legat el descobriment d'ADN més antic, notablement l'informe de l'aïllament d'un bacteri viable d'un cristall de sal de 250 milions d'anys d'antiguitat,[75] però aquestes al·legacions són controvertides.[76][77]
Elscientífics forenses poden utilitzar l'ADN desang,semen,pell,saliva opèl trobats a l'escena d'un crim per identificar l'ADN d'un individu, com ara el perpetrador del crim. Aquest procés rep el nom d'identificació genètica, o més precisament, anàlisi de perfils d'ADN. En l'anàlisi de perfils d'ADN, es compara la llargada de seccions variables d'ADN repetitiu de diferents persones, com araseqüències repetitives en tàndem iminisatèl·lits. Aquest mètode és habitualment una tècnica extremament fiable per identificar l'ADN corresponent.[82] Tanmateix, la identificació es pot complicar si l'escena està contaminada amb ADN de diverses persones.[83] L'anàlisi de perfils d'ADN fou desenvolupada el 1984 pel genetista britànic SirAlec Jeffreys,[84] i fou utilitzada per primer cop en la ciència forense el 1988, per condemnarColin Pitchfork pels assassinats d'Enderby.[85]
Als condemnats per determinats tipus de crims se'ls pot requerir que donin una mostra d'ADN per posar-la en una base de dades. Això ha ajudat els investigadors a resoldre casos antics en què només s'havia obtingut una mostra d'ADN de l'escena. L'anàlisi de perfils d'ADN també es pot fer servir per identificar les víctimes en els accidents amb molts morts.[86] D'altra banda, molts condemnats han estat posats en llibertat basant-se en les tècniques d'ADN, que no estaven disponibles quan es produí el crim.
Labioinformàtica concerneix la manipulació, la cerca i lamineria de dades de seqüències d'ADN. El desenvolupament de les tècniques per emmagatzemar i cercar en seqüències d'ADN ha conduït a avenços extensament aplicats eninformàtica, especialment enalgoritmes de recerca de cadenes, l'aprenentatge automàtic i lateoria de bases de dades.[87] Els algoritmes de recerca o aparellament de cadenes, que troben una ocurrència d'una seqüència de lletres dins d'una seqüència de lletres més gran, foren desenvolupats per buscar seqüències específiques de nucleòtids.[88] En altres aplicacions com araprocessadors de text, sovint són suficients algoritmes simples per resoldre aquest problema, però les seqüències d'ADN fan que aquests algoritmes presentin un comportament de quasi-pitjor-cas a causa del seu nombre reduït de caràcters diferents. El problema relacionat de l'alineament de seqüències aspira a identificar seqüèncieshomòlogues i ubicar lesmutacions específiques que les fan diferents. Aquestes tècniques, especialment l'alineament múltiple de seqüències, són utilitzades en l'estudi de les relacionsfilogenètiques i el funcionament de les proteïnes[89] Els conjunts de dades que representen totes les seqüències d'ADN d'un genoma, com els que produeix elProjecte Genoma Humà, són difícils d'utilitzar sense marcacions, que etiqueten la situació dels gens i els elements reguladors de cada cromosoma. Les regions de les seqüències d'ADN que tenen els patrons específics associats amb els gens codificadors de proteïnes o ARN es poden identificar per mitjà d'algoritmes dedetecció de gens, que permeten als investigadors predir la presència deproductes gènics en un organisme fins i tot abans d'aïllar-los experimentalment.[90]
Nanotecnologia de l'ADN
L'estructura de l'ADN de l'esquerra (se'n mostra un esquema) s'autoassembla en l'estructura visualitzada permicroscopi de força atòmica a la dreta. Lananotecnologia de l'ADN és el camp que intenta dissenyar estructures a nanoescala utilitzant les propietats dereconeixement molecular de les molècules d'ADN. Imatge de Strong, 2004.[1]
La nanotecnologia de l'ADN utilitza les propietats úniques dereconeixement molecular de l'ADN i altres àcids nucleics per crear complexos d'ADN ramificats autoassemblants amb propietats útils.[91] Així doncs, l'ADN s'utilitza com a material estructural i no com a portador d'informació biològica. Això ha conduït a la creació de llibrets periòdics bidimensionals (tant basats en lloses com mitjançant el mètode de l'origami d'ADN), així com estructures tridimensionals amb forma depolíedre.[92] També s'han demostratdispositius nanomecànics i l'autoassemblatge algorítmic,[93] i aquestes estructures d'ADN s'han utilitzat com a plantilla per l'arranjament d'altres molècules com ara lesnanopartícules d'or o les proteïnesestreptavidines.[94]
Com que l'ADN acumula mutacions al llarg del temps que després són heretades, conté informació històrica, i per mitjà de la comparació de les seqüències d'ADN els genetistes poden inferir la història evolutiva dels organismes, és a dir, la sevafilogènesi.[95] Aquest camp de la filogènia és una eina potent en labiologia evolutiva. Si es comparen les seqüències d'ADN dins d'una espècie, elsgenetistes de poblacions poden esbrinar la història de poblacions concretes. Això es pot utilitzar en estudis, des de lagenètica ecològica fins a l'antropologia; per exemple, s'estan utilitzant proves d'ADN per intentar identificar les deu tribus perdudes d'Israel.[96][97]
També s'ha utilitzat l'ADN per investigar les relacions familiars modernes, com quan es va determinar l'estreta relació familiar entre els descendents deSally Hemings iThomas Jefferson. Aquest ús està estretament relacionat amb l'ús de l'ADN en investigacions criminals, del qual s'ha parlat més amunt. De fet, algunes investigacions criminals s'han resolt quan ADN de l'escena del crim s'ha relacionat amb el de familiars de l'individu culpable.[98]
Història de l'estudi de l'ADN
L'ADN fou aïllat per primer cop pel metgesuísFriedrich Miescher, que el 1869 descobrí una substància microscòpica alpus de benes quirúrgiques per llençar. Com que es trobava al nucli de les cèl·lules, l'anomenà «nucleïna».[99] El 1919,Phoebus Levene identificà els nucleòtids compostos d'unabase nitrogenada, unsucre ifosfats.[100]Levene suggerí que l'ADN consistia en una cadena de nucleòtids enllaçats pels grups fosfat. Tanmateix, Levene creia que la cadena era curta i que les bases es repetien en un ordre fix. Val a dir que en aquells temps era àmpliament acceptat que la informació genètica residia en les proteïnes i no pas en els àcids nucleics, i que aquests últims tenien un paper estructural. El 1937,William Astbury produí els primers patrons dedifracció de rajos X que demostraven que l'ADN té una estructura regular.[101]
El 1953,James D. Watson iFrancis Crick suggeriren el qual actualment s'accepta com el primer model de doble hèlix correcte de l'estructura de l'ADN a la revistaNature.[4] El seu model molecular de doble hèlix de l'ADN es basava en una única imatge perdifracció de rajos X (etiquetada com a "Foto 51")[105] presa perRosalind Franklin iRaymond Gosling al maig del 1952, així com la informació que les bases d'ADN estaven aparellades - obtinguda a través de comunicacions privades ambErwin Chargaff als anys anteriors. Lesregles de Chargaff tingueren un paper molt important en la determinació de les configuracions de doble hèlix tant pel B-ADN com per l'A-ADN.
Les proves experimentals que donaven suport el model de Watson i Crick foren publicades en una sèrie de cinc articles al mateix número deNature.[106] D'aquests, l'article de Franklin i Goslin fou la primera publicació de les seves pròpies dades de ladifracció de rajos X, i del seu mètode analític original que recolzava en part el model de Watson i Crick;[107][108]aquest número també contenia un article sobre l'estructura de l'ADN deMaurice Wilkins i dos dels seus col·laboradors, les anàlisis i els patrons de rajos X delB-ADNin vivo dels quals també recolzaven la presènciain vivo de les configuracions en doble hèlix de l'ADN, com ho proposaven Crick i Watson en el seu model molecular de doble hèlix de l'ADN a les dues pàgines anteriors deNature.[109]El 1962, després de la mort de Franklin, Watson, Crick i Wilkins foren guardonats conjuntament amb elPremi Nobel de Fisiologia o Medicina.[110] Malauradament, les regles del Premi Nobel d'aquell temps només permetien guardonar guanyadors vivents, però encara dura un intens debat sobre a qui se li hauria d'atribuir aquest descobriment.[111]
En una presentació influent del 1957, Crick postulà eldogma central de la biologia molecular, que preveia la relació entre l'ADN, l'ARN i les proteïnes, i articulà la "hipòtesi de l'adaptador".[112] La confirmació final del mecanisme de replicació que implicava l'estructura de doble hèlix arribà el 1958 amb l'experiment de Meselson i Stahl.[113]Treballs posteriors de Crick i col·laboradors demostraren que el codi genètic es basava en triplets no solapats de bases, anomenats codons, permetent aHar Gobind Khorana,Robert W. Holley iMarshall Warren Nirenberg desxifrar el codi genètic.[114] Aquests descobriments representen el naixement de lagenètica molecular.
Referències
↑Saenger, Wolfram.Principles of Nucleic Acid Structure (en anglès). Nova York: Springer-Verlag, 1984.ISBN 0-387-90762-9.
↑Gregory S,et al. «The DNA sequence and biological annotation of human chromosome 1». Nature, 441, 7091, 2006, pàg. 315-21.DOI:10.1038/nature04727.PMID:16710414.
↑Ghosh A, Bansal M «A glossary of DNA structures from A to Z». Acta Crystallogr D Biol Crystallogr, 59, Pt 4, 2003, pàg. 620–6.DOI:10.1107/S0907444903003251.PMID:12657780.
↑Kriaucionis S, Heintz N «The nuclear DNA base 5-hydroxymethylcytosine is present in Purkinje neurons and the brain». Science, 324, 5929, Maig 2009, pàg. 929–30.DOI:10.1126/science.1169786.PMID:19372393.
↑Ratel D, Ravanat J, Berger F, Wion D «N6-methyladenine: the other methylated base of DNA». Bioessays, 28, 3, 2006, pàg. 309–15.DOI:10.1002/bies.20342.PMID:16479578.
↑Gommers-Ampt J, Van Leeuwen F, de Beer A, Vliegenthart J, Dizdaroglu M, Kowalak J, Crain P, Borst P «beta-D-glucosyl-hydroxymethyluracil: a novel modified base present in the DNA of the parasitic protozoan T. brucei». Cell, 75, 6, 1993, pàg. 1129–36.DOI:10.1016/0092-8674(93)90322-H.PMID:8261512.
↑Douki T, Reynaud-Angelin A, Cadet J, Sage E «Bipyrimidine photoproducts rather than oxidative lesions are the main type of DNA damage involved in the genotoxic effect of solar UVA radiation». Biochemistry, 42, 30, 2003, pàg. 9221–6.DOI:10.1021/bi034593c.PMID:12885257.
↑Cadet J, Delatour T, Douki T, Gasparutto D, Pouget J, Ravanat J, Sauvaigo S «Hydroxyl radicals and DNA base damage». Mutat Res, 424, 1-2, 1999, pàg. 9–21.PMID:10064846.
↑Braña M, Cacho M, Gradillas A, de Pascual-Teresa B, Ramos A «Intercalators as anticancer drugs». Curr Pharm Des, 7, 17, 2001, pàg. 1745–80.DOI:10.2174/1381612013397113.PMID:11562309.
↑Thanbichler M, Wang S, Shapiro L «The bacterial nucleoid: a highly organized and dynamic structure» (en anglès). J Cell Biochem, 96, 3, 2005, pàg. 506–21.DOI:10.1002/jcb.20519.PMID:15988757.
↑Wolfsberg T, McEntyre J, Schuler G «Guide to the draft human genome». Nature, 409, 6822, 2001, pàg. 824–6.DOI:10.1038/35057000.PMID:11236998.
↑The ENCODE Project Consortium «Identification and analysis of functional elements in 1% of the human genome by the ENCODE pilot project». Nature, 447, 7146, 2007, pàg. 799–816.DOI:10.1038/nature05874.
↑Pidoux A, Allshire R «The role of heterochromatin in centromere function». Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci, 360, 1455, 2005, pàg. 569–79.DOI:10.1098/rstb.2004.1611.PMC:1569473.PMID:15905142.
↑Harrison P, Gerstein M «Studying genomes through the aeons: protein families, pseudogenes and proteome evolution». J Mol Biol, 318, 5, 2002, pàg. 1155–74.DOI:10.1016/S0022-2836(02)00109-2.PMID:12083509.
↑Sandman K, Pereira S, Reeve J «Diversity of prokaryotic chromosomal proteins and the origin of the nucleosome». Cell Mol Life Sci, 54, 12, 1998, pàg. 1350–64.DOI:10.1007/s000180050259.PMID:9893710.
↑Dame RT «The role of nucleoid-associated proteins in the organization and compaction of bacterial chromatin». Mol. Microbiol., 56, 4, 2005, pàg. 858–70.DOI:10.1111/j.1365-2958.2005.04598.x.PMID:15853876.
↑Luger K, Mäder A, Richmond R, Sargent D, Richmond T «Crystal structure of the nucleosome core particle at 2.8 A resolution». Nature, 389, 6648, 1997, pàg. 251–60.DOI:10.1038/38444.PMID:9305837.
↑Spiegelman B, Heinrich R «Biological control through regulated transcriptional coactivators». Cell, 119, 2, 2004, pàg. 157–67.DOI:10.1016/j.cell.2004.09.037.PMID:15479634.
↑Schoeffler A, Berger J «Recent advances in understanding structure-function relationships in the type II topoisomerase mechanism». Biochem Soc Trans, 33, Pt 6, 2005, pàg. 1465–70.DOI:10.1042/BST20051465.PMID:16246147.
↑Wang J. «Cellular roles of DNA topoisomerases: a molecular perspective». Nat Rev Mol Cell Biol, 3, 6, 2002, pàg. 430–40.DOI:10.1038/nrm831.PMID:12042765.
↑Greider C.; Blackburn E. «Identification of a specific telomere terminal transferase activity in Tetrahymena extracts». Cell, 43, 2 Pt 1, 1985, pàg. 405–13.DOI:10.1016/0092-8674(85)90170-9.PMID:3907856.
↑Cremer T, Cremer C «Chromosome territories, nuclear architecture and gene regulation in mammalian cells». Nat Rev Genet, 2, 4, 2001, pàg. 292–301.DOI:10.1038/35066075.PMID:11283701.
↑Pál C, Papp B, Lercher M «An integrated view of protein evolution». Nat Rev Genet, 7, 5, 2006, pàg. 337–48.DOI:10.1038/nrg1838.PMID:16619049.
↑O'Driscoll M, Jeggo P «The role of double-strand break repair - insights from human genetics». Nat Rev Genet, 7, 1, 2006, pàg. 45–54.DOI:10.1038/nrg1746.PMID:16369571.
↑Vispé S, Defais M «Mammalian Rad51 protein: a RecA homologue with pleiotropic functions». Biochimie, 79, 9-10, 1997, pàg. 587–92.DOI:10.1016/S0300-9084(97)82007-X.PMID:9466696.
↑Neale MJ, Keeney S «Clarifying the mechanics of DNA strand exchange in meiotic recombination». Nature, 442, 7099, 2006, pàg. 153–8.DOI:10.1038/nature04885.PMID:16838012.
↑Dickman M, Ingleston S, Sedelnikova S, Rafferty J, Lloyd R, Grasby J, Hornby D «The RuvABC resolvasome». Eur J Biochem, 269, 22, 2002, pàg. 5492–501.DOI:10.1046/j.1432-1033.2002.03250.x.PMID:12423347.
↑Lindahl T «Instability and decay of the primary structure of DNA». Nature, 362, 6422, 1993, pàg. 709–15.DOI:10.1038/362709a0.PMID:8469282.
↑Vreeland R, Rosenzweig W, Powers D «Isolation of a 250 million-year-old halotolerant bacterium from a primary salt crystal». Nature, 407, 6806, 2000, pàg. 897–900.DOI:10.1038/35038060.PMID:11057666.
↑Hebsgaard M, Phillips M, Willerslev E «Geologically ancient DNA: fact or artefact?». Trends Microbiol, 13, 5, 2005, pàg. 212–20.DOI:10.1016/j.tim.2005.03.010.PMID:15866038.
↑Nickle D, Learn G, Rain M, Mullins J, Mittler J «Curiously modern DNA for a "250 million-year-old" bacterium». J Mol Evol, 54, 1, 2002, pàg. 134–7.DOI:10.1007/s00239-001-0025-x.PMID:11734907.
↑Goff SP, Berg P «Construction of hybrid viruses containing SV40 and lambda phage DNA segments and their propagation in cultured monkey cells». Cell, 9, 4 PT 2, 1976, pàg. 695–705.DOI:10.1016/0092-8674(76)90133-1.PMID:189942.
↑Houdebine L «Transgenic animal models in biomedical research». Methods Mol Biol, 360, pàg. 163–202.PMID:17172731.
↑Daniell H, Dhingra A «Multigene engineering: dawn of an exciting new era in biotechnology». Curr Opin Biotechnol, 13, 2, 2002, pàg. 136–41.DOI:10.1016/S0958-1669(02)00297-5.PMID:11950565.
↑Jeffreys A, Wilson V, Thein S «Individual-specific 'fingerprints' of human DNA». Nature, 316, 6023, 1985, pàg. 76–9.DOI:10.1038/316076a0.PMID:2989708.
↑Mount DM.Bioinformatics: Sequence and Genome Analysis. 2. Cold Spring Harbor (Nova York): Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2004.ISBN 0879697121.OCLC55106399.
↑Rothemund PW «Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns». Nature, 440, 7082, Març 2006, pàg. 297–302.DOI:10.1038/nature04586.PMID:16541064.
↑Andersen ES, Dong M, Nielsen MM,et al. «Self-assembly of a nanoscale DNA box with a controllable lid». Nature, 459, 7243, Maig 2009, pàg. 73–6.DOI:10.1038/nature07971.PMID:19424153.
↑Ishitsuka Y, Ha T «DNA nanotechnology: a nanomachine goes live». Nat Nanotechnol, 4, 5, Maig 2009, pàg. 281-2.DOI:10.1038/nnano.2009.101.PMID:19421208.
↑Aldaye FA, Palmer AL, Sleiman HF «Assembling materials with DNA as the guide». Science, 321, 5897, Setembre 2008, pàg. 1795–9.DOI:10.1126/science.1154533.PMID:18818351.
↑Dahm R «Discovering DNA: Friedrich Miescher and the early years of nucleic acid research». Hum. Genet., 122, 6, Gener 2008, pàg. 565–81.DOI:10.1007/s00439-007-0433-0.PMID:17901982.
↑El patró de rajos X del B-ADNa la dreta d'aquesta imatge enllaçada fou obtingut per Rosalind Franklin i Raymond Gosling al maig del 1952 a nivells d'alta hidratació de l'ADN, i fou etiquetat com a "Foto 51"
Calladine, Chris R.; Drew, Horace R.; Luisi, Ben F.; Travers, Andrew A..Understanding DNA: the molecule & how it works. Amsterdam: Elsevier Academic Press, 2003.ISBN 0-12-155089-3.
Dennis, Carina; Julie Clayton.50 years of DNA. Basingstoke: Palgrave Macmillan, 2003.ISBN 1-4039-1479-6.
Judson, Horace Freeland.The eighth day of creation: makers of the revolution in biology. Plainview (Nova York): CSHL Press, 1996.ISBN 0-87969-478-5.
Olby, Robert C..The path to the double helix: the discovery of DNA. Nova York: Dover Publications, 1994.ISBN 0-486-68117-3., publicat inicialment a l'octubre del 1974 per MacMillan, amb un prefaci de Francis Crick; llibre de text sobre l'ADN, revisat el 1994 amb una nota final de nou pàgines.
Olby, Robert C..Francis Crick: A Biography. Plainview (Nova York): Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2009.ISBN 0-87969-798-9.
Ridley, Matt.Francis Crick: discoverer of the genetic code. Ashland (Ohio): Eminent Lives, Atlas Books, 2006.ISBN 0-06-082333-X.
Berry, Andrew; Watson, James D..DNA: the secret of life. Nova York: Alfred A. Knopf, 2003.ISBN 0-375-41546-7.
Stent, Gunther Siegmund; Watson, James D..The double helix: a personal account of the discovery of the structure of DNA. Nova York: Norton, 1980.ISBN 0-393-95075-1.
Wilkins, Maurice.The third man of the double helix the autobiography of Maurice Wilkins. Cambridge (Regne Unit): University Press, 2003.ISBN 0-19-860665-6.
.jpg)
