Современная генетика

fiecare cromozom con?ine dou? molecule gigantice absolut identice. El a

f?cut presupunerea, c? aceste molecule ereditare sunt ni?te proteine. Mai

mult, el a propus ?i explica?ia mecanismului de autodublare a moleculelor

ereditare, mecanism care a fost demonstrat pe cale experimental? abia peste

30 de ani. Conform opiniei lui Col?ov, la diviziunea celulelor trebuie s?

aib? loc procesul de formare pe baza moleculei deja existente a unei a doua

molecule identice cu prima. Оn aceast? privin?? Col?ov s-a dovedit a fi un

adev?rat profet, de?i ideea despre natura proteic? a materialului ereditar

era gre?it?. Mult timp mai tвrziu a devenit cunoscut faptul c? informa?ia

ereditar? se con?ine оn moleculele acizilor nucleici.

Ce reprezint? acizii nucleic? Primele cercet?ri asupra acizilor nucleic

au fost оntreprinse оn anul 1868 de c?tre tвn?rul savant elve?ian F.

Miescher. Оn laboratorul lui E. Hoppe-Zeiller - cunoscut biochimist german

- el s-a ocupat de studierea compozi?iei nucleelor leucocitelor. Miescher a

reu?it s? extrag? din acestea o substan?? bogat? оn fosfor, pe care a numit-

o nuclein? (de la latinescul «nucleus» - «nucleu»).

Cercet?rile оntreprinse ulterior au ar?tat, c? nucleina nu este o

substan?? simpl?, ce un compus complex, alc?tuit din protein? ?i acid

nucleic.

Dat fiind faptul c? la acel timp proteinele erau cunoscute, chimi?tii ?i-

au propus s? extrag? din nuclein? cel?lalt component al ei - acidul nucleic

- оn vederea studierii compozi?iei acestuia. Оn 1871 au fost publicate

rezultatele cercet?rilor ini?iale asupra nucleinei, de aceea, оn mod

formal, acest an este considerat drept anul descoperirii unei noi clase de

compu?i organici - acizii nucleici.

Оn anul 1889 chimistul Altmann a ob?inut pentru prima oar? acid nucleic

оn stare pur? din drojdie, fapt ce l-a determinat s?-l numeasc? acid

nucleic de drojdie. Peste trei ani alt chimist, pe nume Lilienfeld, din

timusul unui vi?el a extras un alt acid nucleic, care avea o compozi?ie

оntrucвtva diferit? ?i pe care l-a numit acid timonucleic. Cercet?ri

оntreprinse оn continuare au ar?tat c? acidul nucleic de drojdie este

prezent оn diferite organe ?i ?esuturi ale plantelor, animalelor ?i omului,

оn special оn citoplasma celulelor. Din aceast? cauz? i s-a dat numele de

acid nucleic citoplasmatic. Cel de-al doilea acid nucleic, оns?, s-a putut

extrage numai din nucleele celulelor ?i a fost numit acid nucleic nuclear.

Aceste denumiri ale acizilor nucleici s-au p?strat pвn? ce ei au fost

supu?i unei analize mai minu?ioase. Dup? cum s-a putut constata, ambii

acizi, оn ce prive?te compozi?ia chimic?, seam?n? unul cu altul, de?i

exist? ?i anumite deosebiri.

Structura primar? a ambilor acizi nucleic este compus? dintr-un num?r

mare de monomeri - a?a-numitele nucleotide - care, la rвndul lor, constau

din trei componente diferite: un hidrat de carbon (zah?r), acid fosforic ?i

o baz? azotat?. Nucleotidele se disting dup? compozi?ia hidratului de

carbon ?i a bazelor azotate. Astfel, nucleotidele acidului nucleic

citoplasmatic con?in riboz?, iar cele ale acidului nucleic nuclear con?in

un alt glucid - dezoxiriboz?. Оn leg?tur? cu aceasta savan?ii au оnceput s?

denumeasc? acizii nucleici nu оn dependen?? de localizarea lor оn celul?

(nucleic?, citoplasmatic?), c? dup? glucidul, care intra оn componen?a lor

?i anume acidul dezoxiribonucleic (prescurtat ADN) ?i respectiv acidul

ribonucleic (prescurtat ARN).

Din componen?a ADN fac parte urm?toarele patru baze azotate: adenina (A),

guanina (G), ctozina (CE) ?i timina (T), iar ARN con?ine adenin?, guanin?,

citozin? ?i uracil (U).

Оn ce const? rolul genetic al acizilor nucleic? Func?ia genetic? a

acizilor nucleic a fost relevat? experimental pentru prima oar? оn anul

1944 de c?tre O. Avery, C. Mac-Leod ?i M. Mac-Carty. Introducвnd оntr-o

cultur? de pneumococi оncapsula?i ADN, ei au reu?it s? le induc? un nou

caracter - apari?ia capsulei. Оn esen??, avea loc transformarea unei forme

de pneumococi оn alta.

Dup? stabilirea rolului pe care оl joac? ADN оn procesul transform?rii

pneumococilor experien?e similare au fost оnf?ptuite ?i cu alte bacterii. S-

a putut constata c?, cu ajutorul ADN-ului extras din unele bacterii se pot

determina la altele nu numai modific?ri оn caracterele externe (de exemplu,

formarea de capsule sau cili), ci ?i оn propriet??ile lor biologice,

bun?oar?, rezisten?a la antibiotice (penicilin?, streptomicin?), la

diferite substan?e medicamentoase (sulfatizol, sulfonamid), precum ?i

capacitatea de a sintetiza aminoacizi (lizin?) ?i vitamine (B12).

Moleculele de ADN ating dimensiuni gigantice ?i, de regul?, sunt formate

din dou? catene, оn timp ce moleculele de ARN au o mas? molecular? mult mai

mic? ?i sunt formate dintr-o singur? caten?.

Оn anul 1953 pe baza a numeroase date, ob?inute prin diferite metode J.

Watson ?i F. Crick au creat pentru prima oar? un model al structurii

moleculei de ADN, conform c?ruia ea este format? din dou? catene de

polinucleotide unite оntre ele ?i r?sucite, avвnd aspectul unei spirale

duble. Pe lвng? aceasta, molecula de ADN este capabil? s? formeze ?i o

superspiral?, adic? poate c?p?ta o astfel de configura?ie care permite

acestei molecule gigantice s? ocupe un loc ne оnsemnat оn nucleele

celulelor. De exemplu, оn colibacil, una din bacteriile cele mai

r?spвndite, оntreaga molecul? de ADN este «оmpachetat?» оntr-o' structur?,

amintind un nucleu minuscul. Dac?, оns?, enorma molecul? de acid nucleic,

strвns? ghem, ar fi desf??urat? ?i оntins? оntr-o linie dreapt?, lungimea

ei ar constitui un milimetru. Aceasta este de o sut? de mii de ori mai mult

decвt diametrul nucleului оn care s-a aflat instalat? molecula! Cu ce este

mai prejos decвt un autentic fir al vie?ii?!

4.2 Mecanismul de replicare a ADN

Molecula de ADN este elementul activ, care transmite de la p?rin?i la

urma?i, din genera?ie оn genera?ie, оntreaga informa?ie ereditar? ?i

aceast? capacitate poate fi considerat? cea mai uimitoare dintre toate

capacit??ile cu care este оnzestrat?.

Modelul structurii moleculei de ADN, propus de Watson ?i Crick, a permis

s? fie explicate ?i оn?elese un ?ir de procese biologice importante ca:

mecanismul de reproducere (replica?ie) a оns??i moleculei de ADN,

transmiterea caracterelor prin ereditate, codul genetic al sintezei

proteinelor, cauzele variabilit??ii organismelor ?. a. m. d. Despre toate

acestea vom vorbi оn continuare.

T. Watson (n. 1928) Fr.

Crick (n. 1916)

Probabil, c? pu?ini sunt cei care n-au auzit despre unicelulara amib?. Ea

se оnmul?e?te prin diviziune formвnd оn consecin?? dou? celule-fiice.

Fiecare dintre amibele-fiice, la rвndul s?u, se divid iar??i оn cвte dou?

celule. S-a calculat c? оn celulele-fiice, rezultate din cea de-a 500-a

diviziune, nu se mai p?streaz? nici o molecul? din substan?ele care оntrau

оn compozi?ia celulei materne primare. Dar de fiecare dat?, dup? aspectul

exterior ?i оnsu?iri, celulele-fiice au tr?s?turi comune cu celula matern?

primar?: dispun de aceea?i compozi?ie chimic? ?i au acela?i tip de

metabolism. Оn virtutea acestui fapt, la fiecare diviziune a celulei,

concomitent cu dublarea, are loc ?i reproducerea unei substan?e care

con?ine informa?ia ce determin? toate caracterele ?i оnsu?irile ereditare

ale amibei ?i asigur? transmiterea acestora la descenden??. Aceast?

substan?? urma s? posede capacitatea de a se dubla.

Iat? оn ce mod prezentau Watson ?i Crick mecanismul autoreproducerii

moleculei de ADN. Оn corespundere cu schema propus? de ei, molecula

r?sucit? sub form? de spiral? dubl? trebuia la оnceput s? se desfac? de-a

lungul axei sale. Оn timpul acestui proces are loc ruperea leg?turilor

hidrogenice dintre dou? filamente care, odat? ajunse оn stare liber?, se

separ?. Dup? aceasta de-a lungul fiec?rui filament din nucleotidele libere

cu ajutorul fermentului ADN - polimeraz? se sintetizeaz? cel de-al doilea

filament. Aici intr? оn vigoare legea complimentarit??ii оn conformitate cu

care la adenin?, оntr-un filament comun, se alipe?te timina, iar la

filamentul cu guanin? se alipe?te citozina. Ca urmare, se formeaz? dou?

molecule-fiice, care dup? structur? ?i propriet??i fizice sunt identice cu

molecula matern?. Aceasta-i totul. E simplu, nu-i a?a? La o examinare mai

atent? a acestui proces, оns?, cercet?torii au avut de оntвmpinat o

dificultate.

Fapt este c? moleculele de ADN sunt foarte lungi, fiind de aceea numite

adesea molecule centimetrice. Оn celulele organismelor superioare, s?

zicem, la om, lungimea unor filamente din cromozomi atinge cв?iva

centimetri.

Fire?te, aceasta nu оnseamn? deloc c? molecula de ADN poate fi v?zut? cu

ochiul liber: grosimea acestor filamente este infim?-de 20-25 angstromi (1

angstrom – 10-8 cm). Tocmai de aceea оn munca cu acizii nucleici ?i este

nevoie de utilizarea celor mai perfecte microscoape.

Dar dac? lungimea acestor molecule este atвt de mare, cum de reu?esc ele,

totu?i , s? se dezr?suceasc? оn celul?, f?r? a se оnc?lca ?i оn intervale

foarte mici de timp?

S? examin?m procesul de dezr?sucire a ADN-ului оn celulele celor mai mici

organisme - a bacteriilor.

Lungimea ADN-ului bacterial constituie cв?iva milimetri.

Jirul (bucla) unei spirale este egal cu 34 angstromi iar intervalul de

timp care se scurge оntre dou? diviziuni consecutive ale celulelor

bacteriene este de 20-45 minute Pentru replicarea (autoreproducerea) ADN-

ului se consum? mai pu?in de o treime din acest timp Dac?, pornind de la

aceste considera?ii, se va calcula viteza de rota?ie a capetelor

moleculelor de ADN la dezr?sucire, se va ob?ine o m?rime fantastic?: 15000

rota?ii pe minut?!

Se оn?elege de la sine c? acest lucru este pu?in probabil. Aceasta f?ceau

necesar elaborarea de noi modalit??i pentru explicarea modului оn care ADN

reu?e?te s? se dubleze оn intervalele de timp atвt de scurte.

Numeroasele date confirm? c? оn procesul diviziunii оn celule se produce

o repartizare exact? оn p?r?i egale a ADN-ului оntre celulele-fiice. Cum se

produce acest fenomen?

Оn principiu оn celulele-fiice sunt posibile trei c?i diferite de

diviziune a ADN-ului: calea conservativ?, calea semiconservatic? ?i calea

dispers?.

Оn caz de replica?ie conservativ? a ADN-ului pe o molecul? integral? cu

dou? filamente, se construie?te din nou, ca pe o matri??, o molecul?

identic? de ADN, iar celula ini?ial? r?mвne neschimbat?.

La metoda semiconservativ? molecula primar? se descompune оn dou?

filamente ?i pe fiecare din ele se construie?te cвte o molecul? integral?

de ADN.

Metoda de dispersie prevede ca materialul ADN-ului ini?ial s? fie

repartizat uniform la celulele-fiice, iar celelalte sectoare ale ADN-ului

s? fie construite din nou.

Care din aceste metode de replica?ie a ADN-ului se aplic? оn realitate?

La aceast? оntrebare au r?spuns Meselson ?i Stahl, elaborвnd o metoda

special? de centrifugare echilibrat? a moleculelor de ADN.

Esen?a acestei metode const? оn urm?toarele: dac? la o centrifugare

obi?nuit? moleculele polimere se divizau conform greut??ii moleculare, apoi

la centrifugarea echilibrat? macromoleculele se divizau conform densit??ii

specifice. Оn acest scop centrifugarea se f?cea оntr-o solu?ie de s?ruri cu

mare densitate.

Deoarece оntotdeauna se poate alege o concentra?ie a solu?iei care ar

corespunde densit??ii polimerului studiat, moleculele substan?ei studiate

se concentreaz? оn acel loc оngust al epruvetei, unde densitatea substan?ei

este egal? cu densitatea mediului, adic? a solu?iei. Ajungвnd aici,

substan?a nu se va mai disloca.

Dac? preparatul studiat con?ine cвteva tipuri de molecule cu diferit?

densitate, ele se vor concentra оn diferite sectoare ale epruvetei.

Efectuвnd o serie de experien?e fine, Meselson ?i Stahl au reu?it s?

determine mecanismul semiconservativ al replica?iei ADN-ului (des. 8).

Dar mai r?mвnea ne solu?ionat? оnc? o problem?, cea a dinamici procesului

de replica?ie: a fost descoperit un ferment special, care realiza

replica?ia. Fermentul a fost numit ADN-polimeraz?.

A. Cornberg, biochimist american, a Clarificat c? ADN-polimeraza se

deplaseaz? din direc?ia polului 5' spre polul 3' al filamentului ADN.

Pentru c? filamentele ADN-ului nu sunt paralele оn orice pol al lor, un

filament purta liber un 3' -atom de hidrat de carbon, iar cel?lalt filament

- un 5' -atom. Aceasta оnseamn? c? fermentul ADN-polimeraza se putea alipi

numai la un pol al ADN (la polul 5') ?i tвrо de-a lungul acestui filament,

iar al doilea trebuia s? r?mвn? liber.

Dar experien?ele ar?tau, c? se оntвmpl? invers - ambele filamente de ADN

erau supuse replica?iei.

Оn anul 1968 savan?ii japonezi, оn frunte cu R. Ocazachi, au contribuit

la solu?ionarea acestei controverse. S-a dovedit c? Cornberg a avut

dreptate ?i c? ambele filamente de ADN au fost supuse la dublare, numai c?

sinteza noilor filamente se efectua pe segmente scurte - «fragmente

Ocazachi», c?ci a?a au fost numite ele mai tвrziu.

Conform concluziei lui Ocazachi, moleculele fermentului ADN-polimeraza se

alipesc de ambele filamente de ADN, dar ele trebuie s?-?i оncap? munca оn

direc?ii opuse. Acest lucru e explicat schematic оn figura 9: a, b,

c.

La оnceput ADN-ul se desface de la un pol, formвnd o furc? de replica?ie

de care se alipesc moleculele de ADN-polimeraz?. Оn timp ce ele muncesc,

sintetizвnd copii ale polilor elibera?i, ADN-ul continu? s? se desfac? ?i

pentru ADN-polimeraza devine accesibil un nou sector al ambelor filamente.

Prima molecul? a fermentului о?i poate continua mi?carea de-a lungul

filamentului 5' eliberat, iar de sectorul elibera al filamentului 3' se

alipe?te o nou? molecul? de ADN-polimeraz?.

Cu cвt se desf??oar? mai mult procesul de desfacere a ADN-ului, cu atвt

va apare o cantitate mai mare de fragmente. Este interesant c? оn

experien?ele lui Ocazachi pe filamentele 5' copiile noi se sintetizau ?i

ele оn fragmente.

Ce se оntвmpl? cu pun?ile dintre fragmente? Doar ADN-ul din celulele оn

care s-a terminat diviziunea nu este fragmentar.

Cu un an pвn? a descoperi Ocazachi acest lucru, savan?ii Riciardson ?i

Veis din SUA au g?sit un nou ferment. Func?ia lui consta оn a uni, a alipi

polii liberi zaharo-fosfatici ai moleculei de ADN. ?i deoarece verbul «a

alipi» оn englez? sun? «ligaze» fermentul a fost numit «ligaz?». Tocmai

ligaza e responsabil? de «cusutul» оntr-un tot unic al fragmentelor

Ocazachi, noi sintetizate, ?i transform? catena fragmentar? de ADN оntr-o

caten? оntreag?.

Replica?ia ADN este, оns?, numai unul din numeroasele procese care

asigur? p?strarea ?i continuarea informa?iei genetice. Pentru transmiterea

acestei informa?ii ?i traducerea ei оn caractere concrete ale organizmelor,

exist? alte procese, la fel de complicate, ?i alte «personaje». Despre

unele din ele vom vorbi оn continuare.

4.3 Codul genetic

Informa?ia genetic? este codificat? оn molecula de ADN prin intermediul a

4 tipuri de nucleotide, care fac parte din componen?a ei. Se cunoa?te de

asemenea c? informa?ia genetic?, codificat? оn ADN, se realizeaz? оn

procesul sintezei biologice a proteinelor оn celul?.

Ca ?i acizii nucleici, proteinele sunt compu?i polimerici, dar оn

calitate de monomeri ele con?in nu nucleotide, ci diferi?i aminoacizi. Оn

structura proteinelor au fost descoperi?i 20-21 de tipuri de aminoacizi.

Оn ce prive?te propriet??ile moleculei de protein?, ele depind nu numai

de componen?a lor general?, dar ?i de aranjarea reciproc? a aminoacizilor,

exact a?a precum sensul cuvвntului depinde nu numai de literele din care

este compus, ci ?i de ordinea lor.

N. C. Col?ov a calculat cвte molecule diferite (izomeri) se pot ob?ine

printr-o simpl? schimbare a locului aminoacizilor dintr-un lan? de 17.

M?rimea ob?inut? era de circa un trilion' Dac? am dori s? tip?rim un

trilion de izomeri, оnsemnвnd fiecare aminoacid printr-o liter?, iar toate

tipografiile de pe glob ar tip?ri anual cвte 50000 de volume a cвte 100

coli fiecare, pвn? la оncheierea acestei munci vor trece tot atв?ia ani

cв?i s-au scurs din perioada arhaic? ?i pвn? оn prezent

Dar majoritatea proteinelor sunt compuse nu din 17, ci din cвteva sute de

aminoacizi. Оn acest sens sunt impresionante calculele efectuate de

savantul Senger Greutatea molecular? medie a proteinei este egal? cu

aproximativ 34000 S-a dovedit c? din 12 tipuri de aminoacizi prin varierea

succesiunii lor se poate ob?ine un num?r de 10300 de diferite proteine,

greutatea lor total? constituind 10280 grame. E mult sau pu?in? Evident, e

o greutate enorm?. Este suficient s? compar?m aceast? greutate cu greutatea

p?mвntului nostru, egal? cu doar 1027 grame.

Оn acest fel, odat? ce fiecare dintre ace?ti izomeri are propriet??i

specifice, rezult? c? оnc?rc?tura semantic? оn structura primar? a materiei

este datorat? secven?ei (de fiecare dat? alta) a aminoacizilor de-a lungul

lan?ului polipeptidic. Dac? este a?a, atunci prin analogie, o astfel de

оnc?rc?tur? semantic? (informa?ie) trebuie c?utat? ?i оn succesiunea

nucleotidelor оn moleculele de ADN.

Se isc? оntrebarea: оn ce mod succesiunea a patru nucleotide diferite din

molecula de ADN determin? secven?a a 20 de aminoacizi оn molecula de

protein?. E cam acela?i lucru ca ?i cum prin combinarea оn diferite feluri

a patru litere ale alfabetului se pot forma 20 de cuvinte diferite dup?

con?inut ?i structur?. S-a dovedit c? prin intermediul a patru baze azotate

(nucleotide) se poate transmite o cantitate nelimitat? de informa?ie.

Calculele demonstreaz? c? o singur? baz? este capabil? s? codifice nu mai

mult de un aminoacid, iar toate cele patru baze (nucleotide) care оntr? оn

componen?a acizilor nucleici, respectiv nu mai mult de patru aminoacizi. De

aici reiese c? aminoacizii sunt codifica?i (specifica?i) de c?tre grupe de

baze. Combina?iile din dou? baze pot codifica numai 16 aminoacizi (42), ne

fiind capabile s?-i specifice pe to?i 20. Оn schimb, combina?iile de trei

baze (nucleotide) sunt capabile s?-i specifice pe to?i cei 20 de aminoacizi

?i chiar pe mai mul?i (43=64). Asemenea trei baze, situate una lвng? alta

(triplete), se numesc codoni ?i fiecare poate codifica un aminoacid anumit.

Urmau de asemenea s? fie rezolvate оnc? un ?ir de alte sarcini

complicate. Оn primul rвnd, era necesar? relevarea modului оn care оn

celul? are loc «citirea» informa?iei genetice. Оn al doilea rвnd, care sunt

tripletele ce codific?, anumi?i aminoacizi. Prin eforturile mai multor

savan?i din diferite ??ri au fost elaborate cвteva variante ale codului

genetic, dar dintre acestea nu toate au rezistat la verific?ri minu?ioase.

Primul care a emis (оnc? оn anul 1954) ipoteza c? codul genetic are un

caracter tripletic a fost fizicianul american de origine rus? G. Gamov.

Dup? cum s-a men?ionat, оn moleculele de acizi nucleici bazele sunt

amplasate unele dup? altele оn ?ir liniar ?i citirea informa?iei localizate

оn ele se poate realiza оn chip diferit. Mai jos prezent?m dou? variante de

citire a tripletelor care con?in 12 baze:

A-T-G-CE -A-T-T-A-G-CE-T-A

1 AA 2 AA 3AA 4 AA

2 AA

3 AA

Citirea tripletelor din acest rвnd (de la stвnga) se poate efectua, de

exemplu, оn felul оn care a pro-pus Gamov, respectiv:

A-T-G-primul aminoacid (1 AA)

T-G-CE-al doilea aminoacid (2 AA).

G-CE-A-al treilea aminoacid (3 AA) ?. a. m. d.

Un astfel de cod se nume?te suprapus, dat fiind faptul c? unele baze

оntr? оn componen?a a mai multor triplete vecine. Dar prin cercet?ri

ulterioare s-a demonstrat c? un asemenea cod este imposibil, deci, ipoteza

lui Gamov nu ?i a aflat confirmarea.

Un alt mod de citire a tripletelor, propus оn anul 1961 de F. Cric, este

prezentat оn continuare:

A-T-G - 1 AA; CE-A-T - 2 AA; T-A-G - 3 AA; CE-T-A - 4 AA.

Un astfel de cod se nume?te ne suprapus. Informa?ia pe care o con?ine se

cite?te succesiv dup? triplete, f?r? omiterea bazelor ?i f?r? suprapunerea

lor. Оn acest fel, textul informa?iei genetice urmeaz? s? fie contopit.

Dup? opinia lui Cric, citirea informa?iei se va оncepe de la un anumit

punct din molecula de acid nucleic, оn mod contrar textul pe care оl

con?ine s-ar denatura tot a?a cum sensul cuvвntului, dac? ar fi s?-l citim

de la o liter? оntвmpl?toare. Experien?ele ulterioare, efectuate de Cric ?i

colaboratorii s?i оn anul 1963, au confirmat juste?a ipotezei emise de el.

Determinarea principiului de citire corect? a informa?iei dup? triplete nu

constituia оns? rezolvarea definitiv? a problemei codului genetic, deoarece

ordinea de alternare a bazelor оn triplete (cuvintele de cod) poate fi

variabil?, respectiv: A-G-CE, G-CE-A, CE-G-A, G-A-CE, A-CE-G, CE-A-G ?. a.

m. d. Se pune оntrebarea: pe care aminoacid оl codific? fiecare dintre

tripletele enumerate?

Primele date privind componen?a cuvintelor de cod au fost prezentate оn

anul 1961 оn cadrul Congresului interna?ional de biochimie de la Moscova de

c?tre savan?ii americani M. Nirenberg ?i J. Mattei. Utilizвnd sistemul de

sintez? artificial? (acelular?) a proteinei, savan?ii au оnceput s? depun?

eforturi оn vederea descifr?rii «sensului» cuvintelor de cod, adic? a

modului de alternare оn triplete a bazelor. La оnceput ei au sintetizat un

polinucleotid artificial, a?a-numitul poli-U (U-U-U-U-U-U...), care

con?inea sub form? de baz? numai uracil. Introducвnd оntr-un sistem

acelular toate componentele necesare .(suc celular, ribozomi, complexul de

fermen?i necesari, o surs? de energie sub form? de acid adenozintrifosforic

(ATF), o garnitura complecta compus? din 20 de aminoacizi ?i molecule de

poli-U), au constatat c? оn acest caz are loc sinteza proteinei compuse din

r?m??i?ele unui singur aminoacid - fenilalanin? (fen-fen-fen-fen-fen...).

Оn felul acesta identitatea primului codon a fost descfrat?: tripleta U-U-U

corespunde fenilalaninei.

Apoi cercet?torii au realizat sinteza altor polinucleotide ?i au stabilit

care sunt codonii prolinei (CE-CE-CE) ?i ai lizinei (A-A-A). Оn continuare

s-a realizat sintetizarea garniturilor de trinucleotide (tripletele) cu

diferite оmbin?ri ale bazelor ?i s-a stabilit ce fel de aminoacizi se leag?

cu ribozomii. Treptat au fost descifra?i to?i cei 64 de codoni ?i a fost

alc?tuit «dic?ionarul» complect al codului genetic.

Codul genetic (ARN)

Dar la ce folosesc tocmai 64 de codoni, dac? оn protein? intr? doar 20

aminoacizi? Оnseamn? c? ceilal?i sunt de prisos?

La оnceput aceast? оntrebare i-a pus оn оncurc?tur? pe savan?i, dar mai

tвrziu a devenit clar c? nu exist? nici un fel de «surplus» de codoni.

Experien?ele оntreprinse de Nirenberg ?i Leder au demonstrat c? numero?i

aminoacizi pot fi codifica?i nu de una, ci de cвteva triplete-sinonime.

Bun?oar?, aminoacidul numit cistein? poate fi codificat de dou? triplete

(UGU, UGC), alanina - de patru (GCC, GCA, GCG, GCU), iar leucina de ?ase,

(UUA, UUG, CUU, CUC, CUA ?i CUG). Codul оn care unul ?i acela?i aminoacid

este codificat de cвteva triplete se nume?te cod degenerativ. S-a constatat

c? din punct de vedere biologic caracterul degenerativ al codului este

avantajos. Este ca un. fel de «m?sur? de siguran??» a naturii, elaborat? оn

procesul evolu?iei, cвnd, prin оnlocuirea unor codoni prin al?ii, se

realizeaz? posibilitatea p?str?rii structurii ?i a оnsu?irilor specifice

ale proteinelor. Datorit? caracterului degenerativ al codului, diferite

organisme pot s? introduc? оn proteinele de care dispun unii ?i aceea?i

aminoacizi, folosind оn acest scop diferi?i codoni.

|Pri|A doua nucleotid? a codonului |A |

|ma | |tre|

|nuc| |ia |

|leo| |nuc|

|tid| |leo|

|? a| |tid|

|cod| |? a|

|ulu| |cod|

|i 5| |onu|

| | |lui|

| |U |C |A |G | |

|U |[pic]} fenilalanin? |[pic]}serin? |[pic]}tirozin?, |[pic]}cistein?|U |

| |[pic]} leucin? | |UAA ocru | |C |

| | | |UAG ambr? |UGA azur |A |

| | | | |UGG triptofan |G |

|C |[pic]} leucin? |[pic]}prolin? |[pic]}histidin? |[pic]}arginin?|U |

| | | |[pic]}glutamin? | |C |

| | | | | |A |

| | | | | |G |

|A |[pic]} izoleucin? |[pic]}treonin?|[pic]}asparagin? |[pic]}serin? |U |

| |AUG | |[pic]}lizin? |[pic]}argin? |C |

| |metionin? | | | |A |

| | | | | |G |

|G |[pic]} valin? |[pic]}alanin? |[pic]}acid |[pic]}glicocol|U |

| |GUG valin? sau | |asparatic | |C |

| |formilmet. | |[pic]}acid | |A |

| | | |glutamic | |G |

?i оntr-adev?r, s? ne imagin?m pentru o clip? c? moleculele de ADN (?i

corespunz?tor cele de ARN) ale fiec?rei celule con?in numai cвte un singur

codon pentru fiecare aminoacid. Оn rezultatul unor muta?ii ace?ti codoni se

pot modifica ?i dac? ei nu au schimb, aminoacizii care le corespund nu vor

fi cuprin?i оn proteine, fapt care va duce la schimbarea structurii ?i

func?iilor lor iar aceasta poate conduce, оn consecin??, la urm?ri negative

pentru activitatea vital? a оntregii celule. Dac?, оns?, оn urma muta?iei

se va forma un codon-sinonim, atunci totul va r?mвne f?r? schimb?ri.

Ceva asem?n?tor ne putem imagina ?i оn cazurile cвnd оntr-o ?coal? sau

institu?ie de оnv???mвnt superior pentru predarea unui obiect oarecare

exist? numai un singur cadru didactic. Dac?, de exemplu, acesta se

оmboln?ve?te ?i nu are cine s?-l оnlocuiasc? pentru un timp predarea

disciplinei respective se оntrerupe. Probabil, c? ar fi fost mai chibzuit

dac? ar fi existat un оnv???tor (lector) care, intervenind la timp, s?

continue predarea acestei discipline. Cel pu?in pentru ca elevii s? nu

dovedeasc? s? uite materialul studiat sau pentru ca predarea obiectului dat

s? nu fie reprogramat? pentru alt trimestru.

Cum s-a remarcat deja, moleculele acizilor nucleici sunt catene

polinucleotidice, alc?tuite din ?iruri lungi de triplete. De-a lungul

moleculelor de ADN numeroase triplete – codonii - formeaz? sectoare aparte,

numite cistrone sau gene. Fiecare gen? con?ine informa?ia necesar? pentru

realizarea sintezei unei anumite proteine. Dar deoarece genele sunt am-

plasate оn moleculele de ADN оn ordine liniar?, una dup? alta, se оntreab?:

unde оncepe ?i unde se termin? citirea ?i transmiterea informa?iei genetice

privind fiecare protein? оn parte ?i ce semne conven?ionale sunt folosite

оn acest scop? Doar codul genetic este, dup? cum ?tim, compact, f?r? nici

un fel de virgule оn «textul» s?u.

S-a dovedit c? оntre cei 64 de codoni exist? astfel de triplete a c?ror

func?ie const? оn marcarea оnceputului ?i sfвr?itului citirii

(transcrip?iei) ?i transmiterii (transla?iei) informa?iei genetice,

con?inut? оn gene. Оnceputul transl?rii genelor (sau, aceea ce e acela?i

lucru, оnceputul sintezei proteinei date) se marcheaz? prin tripleta AUG.

denumit? respectiv de ini?iere. Tripletele UAG ?i UAA marcheaz? sfвr?itul

transl?rii genelor (оncheierea procesului de sintez? a proteinelor) ?i sunt

corespunz?tor denumite finale.

Оn ce const? esen?a procesului de descifrare a codului genetic ?i a

biosintezei proteinelor?

Toate caracterele ?i оnsu?irile organismelor sunt determinate de

proteine. Prin urmare, transmiterea informa?iei genetice оn procesul

sintezei proteice se desf??oar? strict conform unui anumit plan (program),

schi?at din timp.

Rolul de baz? оn biosinteza proteinelor оl joac? acizii nucleici: ADN ?i

cвteva tipuri diferite de ARN, care se deosebesc dup? structur?, mas?

molecular? ?i func?ii biologice. Dintre ace?tia face parte a?a-numitul ARN

informa?ional sau de informa?ie (ARN-i), ARN de transport sau de transfer

(ARN-t) ?i ARN ribozomal (ARN-r). Ei sunt sintetiza?i de pe matri?ele de

ADN ale celulelor, cu participarea fermen?ilor corespunz?tori - ARN-

polimeraze, iar apoi оncep s? оndeplineasc? func?iile ce le au оn procesul

biosintezei proteinelor. Astfel ARN-r, unindu-se оn complexe cu proteine

speciale, formeaz? ribozomii, оn care are loc sinteza tuturor tipurilor de

protein? (proteinosinteza).

Ribozomii constau din dou? subunit??i. Оn celul? num?rul de ribozomi se

ridic? la circa 100 mii ?i de aceea cantitatea general? de ARN-r din ei

constituie circa 80% din totalul de ARN al celulei.

Care sunt, deci, func?iile biologice ale ADN-ului, ARN-i ?i ARN-t? Care

este contribu?ia lor nemijlocit? оn procesul de biosintez? a proteinelor?

Vom remarca de la bun оnceput c? ADN nu particip? nemijlocit la sinteza

proteinelor. Func?ia lui se limiteaz? la p?strarea informa?iei genetice ?i

la replicarea nemijlocit? a moleculei, adic? la formarea de copii necesare

pentru transmiterea informa?iei urma?ilor.

Prima etap? a biosintezei proteinelor o constituie recep?ionarea

informa?iei genetice de la ADN ?i оnscrierea ei pe o molecul? ARN-i, proces

care se realizeaz? оn felul urm?tor: pe unul din firele moleculei de ADN cu

ajutorul fermentului ARN-polimeraz? din nucleotidele libere se sintetizeaz?

firul ARN-i, оn care locul timinei (T), con?inute оn ADN, оl ia uracilul

(U). Molecula ARN-i sintetizat?, care a preluat informa?ia con?inut? оn

ADN, se instaleaz? apoi оn ribozomi, unde va servi оn calitate de matri??

pentru sintetizarea proteinelor. Aceasta оnseamn? c? succesiunea

aminoacizilor din molecula de protein? este determinat? de succesiunea

nucleotidelor оn ARN-i. Schematic acest proces poate fi exprimat astfel:

ADN(ARN-i(protein?.

Pe lвng? ARN-i citoplasma celulelor mai con?ine nu mai pu?in de 20 de

tipuri de ARN-t - aceasta fiindc? fiec?rui aminoacid оi corespunde cel

pu?in o molecul? «a sa», specific?, de ARN-t. Func?ia lui ARN-t const? оn

transportarea aminoacizilor spre ribozomi ?i a?ezarea lor pe matri?a de ARN-

i оn cadrul lan?ului peptidic, оn conformitate cu codul sintezei proteice.

Pentru aceasta fiecare ARN-t trebuie «s? оnha?e» aminoacidul corespunz?tor

?i оmpreun? cu acesta s? treac? оn ribozom. La realizarea acestei opera?ii

ei sunt ajuta?i de omniprezen?ii fermen?i, care fac aminoacizii mai activi.

La propunerea academicanului V. A. Enghelgard ace?ti fermen?i, dat fiind

faptul c? ei particip? la descifrarea codului genetic, au fost numi?i

codaze. De remarcat c? fiec?rui aminoacid оi corespunde o codaz? specific?.

Оn acest fel, pentru to?i cei 20 de aminoacizi exist? tot atвtea tipuri de

ARN-t ?i respectiv de codaze.

La unul din capete moleculele de ARN-t au un sector acceptor cu ajutorul

c?ruia ele ata?? aminoacizii, оn timp ce la cel?lalt cap?t se afl? un

anticodon-triplet? cu func?ie complementar? fa?? de codonul corespunz?tor

din ARN-i. «Оnc?rcate» cu aminoacizi, moleculele de ARN-t se apropie de

ribozom ?i se unesc cu codonii corespunz?tori de ARN-i, pentru a-i

complini.

Procesul de translare a informa?iei genetice оnseamn? transferarea

succesiunii nucleotidelor ARN-i оn succesiunea aminoacizilor оn lan?ul

polipeptidic al proteinei. Sinteza proteinei оncepe оn momentul оn care оn

ribozomi p?trund dou? molecule de ARN-t; prima corespunde tripletei

ini?iale, iar a doua - unei alte triplete de ARN-i, care urmeaz? nemijlocit

dup? prima. Cвnd aceste molecule ajung s? se afle al?turi, aminoacidul de

pe prima molecul? de ARN-t trece pe cea de-a doua molecul? de ARN-t, unindu-

se cu aminoacidul acesteia. Оn acest fel prima molecul? de ARN-t se

pomene?te lipsit? de aminoacid ?i iese оn citoplasm?, оn timp ce cea de-a

doua molecul? de ARN-t con?ine doi aminoacizi, uni?i prin leg?tur?

peptidic?. Оn continuare, ribozomul se deplaseaz? cu o triplet? de-a lungul

moleculei de ARN-i ?i оn el оntr? o nou? molecul? de ARN-t, a c?rei

anticodon este complementar fa?? de cea de-a treia triplet? (codon) a ARN-i

din ribozom. Dipeptida (sau primii doi aminoacizi) se desprinde de cea de-a

doua molecul? de ARN-t ?i trece pe cea de-a treia molecul? de ARN-t numai

ce оntrat? оn ribozom. Оn acest fel se pomenesc unul lвng? altul trei

aminoacizi lega?i оntre ei ?i procesul se repet?, pвn? cвnd este translat

ultimul codon al ARN-i.

Оn mod obi?nuit fenomenul transmiterii informa?iei genetice este comparat

cu modul de func?ionare al unei ma?ini de scris, unde dup? fiecare ap?sare

a clapelor careta se deplaseaz? cu o liter?, f?cвnd loc pentru imprimarea

urm?toarelor, pвn? nu este dactilografiat tot textul.

Оncheind transmiterea informa?iei, ribozomul p?r?se?te firul de ARN-i ?i

se localizeaz? iar??i оn citoplasm?.

Moleculele de ARN-i pot avea, оn dependen?? de num?rul de gene

(cistroane) pe care le con?in, diferite m?rimi. Este limpede faptul c? dac?

ctirea de pe o molecul? lung? de ARN-i ar fi efectuat? de un singur

ribozom, sinteza proteinei

s-ar desf??ura оncet: iat? de ce la translarea unor astfel de molecule de

ARN-i ribozomii lucreaz? prin «Metoda de brigad?», cвteva zeci de ribozomi

unindu-se ?i formвnd a?a-numi?ii poliribozomi, sau, mai simplu, polizomi.

Dar cum, totu?i , afl? ribozomii din care cap?t al moleculei de ARN-i

trebuie s? оncap? translarea informa?iei genetice? S-a stabilit c? ambele

capete ale moleculei de ARN-i sunt marcate distinct de anumite grupe. La

unul din capete exist? grupuri fosfatice (оnsemnate conven?ional prin ppp-

uri latine?ti), iar la altul-grupa hidroxil? (ON). Prescurtat ele sunt

оnsemnate respectiv prin 5' ?i 3'. Ribozomii se deplaseaz? оntotdeauna de

la cap?tul 5' spre cap?tul 3', a?a cum e ar?tat pe schema ce urmeaz?:

5' PPP-uri AUG-GCU-UCU-AAC-UUU-CGA-AAC-CUG ON... 3'.

S-a mai constatat ?i faptul c? оn moleculele acizilor nucleici nu toate

tripletele sunt citite. Asemenea triplete ca UAG, UAA ?i UGA sunt

repartizate оn locuri diferite: la оnceputul, la sfвr?itul sau оn

sectoarele medii ale lan?ului оntre anumite gene. Datorit? faptului c? nu

sunt translate, aceste triplete servesc ca un fel de zone de frontier?

оntre genele pe care sinteza lan?urilor polipeptidice se оntrerupe.

Cu ce ar putea fi comparat? activitatea codului genetic? Vom aduce aici

un exemplu interesant din cartea lui X. Raubah «Enigmele moleculelor».

Catena polipeptid? ne-o putem imagina ca pe un tren de marf?, iar

compunerea catenei peptide poate fi comparat? cu formarea acestui tren.

La centrul de comanda (оn nucleul celulei) este preg?tit? o list? оn care

se indic? succesiunea vagoanelor (o caten? de ADN). Aceast? informa?ie

urmeaz? s? fie transmis? la sta?iunea de sortare (ribozomele din

citoplasm?). Translarea este efectuat? de un teleimprimator de construc?ie

special?. Pentru ca teleimprimatorul s? poat? func?iona, lista ini?ial?

trebuie s? fie transcris? pe una complementar? (ARNi). Оn procesul acestei

transcrieri se produce transformarea lui CE оn G, lui G оn CE, lui T оn A.

Teleimprimatorul mai are o particularitate: de fiecare dat?, cвnd la

transformarea lui A trebuie s? apar? semnul T, teleimprimatorul scrie U,

dup? cum se indic? mai jos.

Lista ini?ial? (catena ADN)

TAC GAT CCC AGG CGT CAA AAG ATA ATT

Transcrierea

AUG CUA GGG UCC GCA GUU UUC UAU UAA

Lista complementar? (ARNi)

Acum aceast? informa?ie transmis? prin teleimprimator este tradus? cu

ajutorul tabelelor codului (translarea). Traducerea оi indic? ?efului de

manevr? succesiunea оn care trebuie cuplate vagoanele. Mii de vagoane

a?teapt? s? fie aduse la trenul care se formeaz?. O mic? locomotiv?

electric? de manevrare (este a treia varietate de ARN - ARN de transport)

trage vagoane aparte la cocoa?a de tiraj.

?eful de manevr? formeaz? acum trenul оn conformitate cu traducerea pe

care a primit-o. Se ob?ine urm?toarea succesiune a vagoanelor

(aminoaczilor); Met-Leu-Gli--Ser-Ala-Val-Fen-Tir - sfвr?it.

AUG este semnalul de start din ARNi: d? ordinul s? se оnceap?

sintetizarea catenei peptidice; ARNt- aduce la locul de sintetizare

aminoacidul metionina (Met.). Met- este locomotiva electric?. Apoi tripleta

CUA trebuie s? aduc? ?i s? cupleze cel?lalt vagon - aminoacidul leucina

(Leu), apoi tripleta GGG - glicina (Gli) ?. a. m. d. Astfel, conform

«planului de construc?ie» pus оn ADN, catena polipeptid? (trenul) cre?te,

datorit? aminoacizilor (vagoanelor) aduse ?i cuplate la locurile lor.

Terminarea form?rii trenului este indicat? оn lista complementar? de

tripleta UAA. Tot despre aceasta semnalizeaz? ?i ceilal?i codoni finali -

UAG ?i UGA.

La sfвr?itul acestor referin?e despre moleculele ereditare poate s? se

nasc? оn mod firesc urm?toarea оntreb?ri: codul genetic este unul ?i

acela?i pentru toate organismele sau, de exemplu, оntre cel al plantelor ?i

animalelor exist? anumite diferen?e? R?spunsul la aceast? оntrebare este

pozitiv. Mecanismul general de sintez? a proteinelor este universal pentru

toate organismele vii. Pentru majoritatea aminoacizilor s-a constatat o

coinciden?? deplin? a codonilor din organisme, f?cвnd parte din regnuri

diferite, la unele organisme, оns?, codonii prezint? anumite devieri care

se explic? prin caracterul degenerativ al codului.

Оn acest fel, «limbajul» genetic al naturii este unitar, dar оn el exist?

anumite «dialecte», ca, de altfel, оn toate limbile lumii.

4.4 Mecanismul de repara?ie a defectelor din ADN

Acizii nucleic ca oricare alte molecule organice, oricвt ar fi ap?rate de

celule, sunt supu?i permanent ac?iunii celor mai diferi?i factori ai

mediului. De aceea ace?tia modific? structura armonioas? a acizilor ?i,

respectiv, func?iile, pe care le realizeaz?.

Din modific?rile principale ce se produc оn ADN fac parte: substituirea,

excluderea ?i amplasarea bazelor.

Aceste transform?ri din ADN au fost numite muta?ii genice. Ele toate

conduc la denatur?ri оn structura primar?, precum ?i оn cele secundar?,

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16