Làcid desoxiribonucleic (ADN, conegut igualment per la sigla anglesa DNA) és una molècula composta de dues cadenes de polinucleòtids enrotllades al llarg d'un eix comú que formen una doble hèlix amb les instruccions genètiques per al desenvolupament, el funcionament, el creixement i la reproducció de tots els organismes coneguts i molts virus. L'ADN i l'àcid ribonucleic (ARN) són àcids nucleics, que constitueixen els quatre tipus de macromolècules essencials per a la vida juntament amb els lípids, les proteïnes i els glúcids.
Les cadenes d'ADN són polinucleòtids, és a dir, es componen de monòmers més petits que es coneixen com a «nucleòtids».
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 les cèl·lules, com ara proteïnes 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 llargs polímers d'unitats simples anomenades nucleòtids, amb un esquelet compost de sucres i grups fosfats units per enllaços èster. Aquestes dues cadenes s'estenen en direccions oposades l'una de l'altra i, per tant, són antiparal·leles. Cada sucre està unit a una d'entre quatre tipus de molècules anomenades bases: adenina (A), timina (T), citosina (C) i guanina (G). La seqüència d'aquestes quatre bases al llarg de la cadena en codifica les dades. La informació és interpretada utilitzant el codi genètic, que especifica la seqüència dels aminoàcids 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».
Dins de les cèl·lules, l'ADN s'organitza en estructures anomenades cromosomes. Aquests cromosomes són duplicats abans que les cèl·lules es divideixin, en un procés anomenat replicació de l'ADN. Els organismes eucariotes (animals, plantes, fongs i protists) emmagatzemen l'ADN dins del nucli cel·lular, mentre que en els procariotes (eubacteris i arqueus), es troba dins del citoplasma de la cèl·lula. Dins dels cromosomes, proteïnes cromatines com ara les histones compacten i organitzen l'ADN. Aquestes estructures compactes guien la interacció entre l'ADN i altres proteïnes, ajudant a controlar quines parts de l'ADN són transcrites.
Propietats químiques
miniatura|Esquema representant l'estructura primària de l'ADN. Els enllaços d'hidrogen apareixen com a línies de punts. L'ADN és un llarg polímer que es compon d'unitats repetides anomenades «nucleòtids». Té una estructura no-estàtica en les quals totes les espècies es componen de dues cadenes helicoidals 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). 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). 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 de parells de bases 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.Berg J.; Tymoczko J.; Stryer L. (2002) Biochemistry. W. H. Freeman and Company Aquestes dues cadenes s'entrellacen, formant una doble hèlix. 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'anomena nucleòsid, i una base unida a un sucre i un o més grups fosfat rep el nom de nucleòtid. Si diversos nucleòtids estan units, com en el cas de l'ADN, el polímer rep el nom de polinucleòtid.Abbreviations and Symbols for Nucleic Acids, Polynucleotides and their Constituents IUPAC-IUB Commission on Biochemical Nomenclature (CBN), Consultat el 3 gener 2006
L'esquelet de la cadena d'ADN es compon de residus de fosfats i de pentoses - sucres de cinc àtoms de carboni - que es van alternant. 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 alternatiu ribosa. Les pentoses s'uneixen per grups fosfat que formen enllaços fosfodièster entre el tercer i el cinquè àtom de carboni dels anells de sucres adjacents.
La doble hèlix de l'ADN és estabilitzada per enllaços dèbils, especialment enllaços d'hidrogen entre les bases unides a les dues cadenes. Les quatre bases de l'ADN són l'adenina (abreujada com a A), la citosina (C), la guanina (G) i la timina (T). Aquestes quatre bases s'uneixen al sucre/fosfat per formar el nucleòtid complet, com es mostra en el cas del monofosfat d'adenosina.
Les bases es classifiquen en dos tipus; l'adenina i la guanina són compostos heterocíclics de cinc i sis membres anomenats purines, mentre que la citosina i la timina són anells de sis membres anomenats pirimidines. Una cinquena base pirimidínica, anomenada uracil (U), pren sovint el lloc de la timina en l'ARN, i se'n diferencia pel fet que manca de grup 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.
Modificacions químiques 75px|Citosina95px|5-metilcitosina97px|Timinacitosina5-metilcitosinatimina Estructura de la citosina amb el grup 5-metil i sense. Després de la desaminació, la 5-metilcitosina té la mateixa estructura que la timina.
Modificacions de bases
L'expressió dels gens està influenciada per la manera en què l'ADN està empaquetat als cromosomes, en una estructura anomenada cromatina. Les modificacions de bases poden estar implicades en l'empaquetament; les regions que tenen poca o cap expressió gènica solen contenir nivells elevats de metilació de bases de citosina. Per exemple, la metilació de la citosina produeix 5-metilcitosina, que és important en la inactivació del cromosoma X. El nivell mitjà de metilació varia entre organismes - el cuc Caenorhabditis 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. Malgrat la importància de la 5-metilcitosina, es pot desaminar per formar una base de timina, de manera que les citosines metilades són especialment propenses a mutar. Altres modificacions de bases inclouen la metilació de l'adenina en els eubacteris, la presència de 5-hidroximetilcitosina al cervell, i la glicosilació de l'uracil per produir la «base-J» en els cinetoplàstids.
Danys
miniatura|Un adducte covalent entre una forma activada pel metabolisme de benzo[a]pirè (el principal mutagen del fum de tabac) i ADN.Creat a partir de PDB 1JDG L'ADN pot resultar danyat per molts tipus diferents de mutàgens, que canvien la seqüència de l'ADN. Els mutàgens inclouen agents oxidants, agents alquilants i radiació electromagnètica d'alta energia com ara la llum ultraviolada i els rajos X. El tipus de danys a l'ADN depèn del tipus de mutagen. Per exemple, la llum ultraviolada pot danyar l'ADN produint dímers de timina, que són reticulacions entre bases de pirimidina. D'altra banda, oxidants com ara els radicals lliures o el peròxid d'hidrogen causen múltiples formes de danys, incloent-hi modificacions de bases (particularment de guanosina) i trencaments de la cadena doble. Una cèl·lula humana típica conté unes 150.000 bases que han patit danys oxidatius. D'aquestes lesions oxidatives, les més perilloses són els trencaments de la cadena doble, car resulten difícils de reparar i poden produir mutuacions puntuals, insercions i delecions de la seqüència d'ADN, així com translocacions cromosòmiques.
Molts mutàgens s'insereixen a l'espai entre dos parells de bases adjacents, un fenomen anomenat intercalació. La majoria d'intercaladors són molècules planars i aromàtiques, i inclouen el bromur d'etidi, la daunomicina i la doxorubicina. 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 són carcinògens; l'epòxid diol de benzo[a]pirè, les acridines, les aflatoxines i el bromur d'etidi en són exemples coneguts. 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 la quimioteràpia per inhibir les cèl·lules canceroses en creixement ràpid.
Funcions biològiques L'ADN existeix habitualment en forma de cromosomes linears en els eucariotes, i circulars en els procariotes. El conjunt de cromosomes d'una cèl·lula forma el seu genoma; el genoma humà té aproximadament 3.000 milions de parells de bases d'ADN arranjats en 46 cromosomes. La informació emmagatzemada a l'ADN es troba a les seqüències de peces d'ADN anomenades gens. La transmissió 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 una seqüència proteica corresponent en un procés anomenat traducció 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.
Gens i genomes
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 al nucli cel·lular, i, en quantitats baixes, als mitocondris i cloroplasts. En els procariotes, l'ADN es troba al nucleoide, un cos de forma irregular situat al citoplasma. Els gens contenen la informació genètica encabida en un genoma, mentre que el conjunt complet de dades dins un organisme és el seu genotip. 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 una pauta oberta de lectura que es pot transcriure, així com seqüències reguladores com ara promotors i estimuladors, que controlen la transcripció de la pauta oberta de lectura.