Современная генетика

IV. BAZELE MOLECULARE ALE EREDIT??II

4.1 Acizii nucleici

Cromozomii, оn care sunt localizate genele, sunt ni?te structuri cu

caracter molecular, alc?tuite dintr-un mare num?r de elemente de natur?

chimic? diferit?. Aproximativ 90% din masa total? a cromozomilor o

constituie a?a-numitul complex nucleo-histonic, format din acid

dezoxiribonucleic (ADN) ?i proteine histonice. Оn afar? de aceasta, оn

componen?a cromozomilor mai intr? ?i mici cantit??i de proteine bazice, de

lipide, acizi ribonucleici (ARN) ?i cationi ai unor metale (calciu, magniu

?. a.).

S? vedem, ce func?ii оndeplinesc fiecare dintre aceste componente ?i care

molecule sunt оnzestrate cu propriet??i ereditare.

La dezvoltarea cuno?tin?elor despre moleculele ereditare o mare

contribu?ie a adus remarcabilul savant N. CE- Col?ov. Оnc? оn anul 1927 el

a emis o serie de ipoteze ?i presupuneri оn leg?tur? cu natura chimic? a

substan?ei responsabile de p?strarea, transmiterea ?i realizarea

capacit??ilor ereditare (genetice) ale organismelor. Col?ov a exprimat

aceste idei privind mecanismul care asigur? continuitatea materialului

ereditar prin formula: «Omnis molecula ex molecula»: «Fiecare molecul?

provine din alt? molecul?».

C?tre acest timp, datorit? lucr?rilor lui Morgan, ?i-a cв?tigat оncredere

unanim? ideea c? genele sunt aranjate оntr-o ordine strict determinat? оn

cadrul structurilor liniare cromozomale. Dar structura molecular? a

cromozomilor r?mвnea complet necunoscut?.

Pornind de la ra?ionamente pur logice, Col?ov a ajuns la concluzia c?

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

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34