IV. Bazele Moleculare Ale Ereditatiiacizii Nucleici

21
IV. BAZELE MOLECULARE ALE EREDITĂŢII IV. BAZELE MOLECULARE ALE EREDITĂŢII Acizii nucleici Acizii nucleici Cromozomii, în care sunt localizate genele, sunt nişte structuri cu caracter molecular, alcătuite dintr-un mare număr de elemente de natură chimică diferită. Aproximativ 90% din masa totală a cromozomilor o constituie aşa-numitul complex nucleo- histonic, format din acid dezoxiribonucleic (ADN) şi proteine histonice. În afară de aceasta, în componenţa cromozomilor mai intră şi mici cantităţi de proteine bazice, de lipide, acizi ribonucleici (ARN) şi cationi ai unor metale (calciu, magniu ş. a.). Să vedem, ce funcţii îndeplinesc fiecare dintre aceste componente şi care molecule sunt înzestrate cu proprietăţi ereditare. La dezvoltarea cunoştinţelor despre moleculele ereditare o mare contribuţie a adus remarcabilul savant N.C.Colţov. Încă în anul 1927 el a emis o serie de ipoteze şi presupuneri în legătură cu natura chimică a substanţei responsabile de păstrarea, transmiterea şi realizarea capacităţilor ereditare (genetice) ale organismelor. Colţov a exprimat aceste idei privind mecanismul care asigură continuitatea materialului ereditar prin formula: «Omnis molecula ex molecula»: «Fiecare moleculă provine din altă moleculă». Către acest timp, datorită lucrărilor lui Morgan, şi-a câştigat încredere unanimă ideea că genele sunt aranjate într-o ordine strict determinată în cadrul structurilor liniare cromozomale. Dar structura moleculară a cromozomilor rămânea complet necunoscută. Pornind de la raţionamente pur logice, Colţov a ajuns la concluzia că fiecare cromozom conţine două molecule gigantice absolut identice. El a făcut presupunerea, că aceste molecule ereditare sunt nişte proteine. Mai mult, el a propus şi explicaţia mecanismului de autodublare a moleculelor ereditare, mecanism care a fost demonstrat pe cale experimentală abia peste 30 de ani. Conform opiniei lui Colţov, la diviziunea celulelor trebuie să aibă loc procesul de formare pe baza moleculei deja existente a unei a doua molecule identice cu prima. În această privinţă Colţov s-a dovedit a fi un adevărat profet, deşi ideea despre natura proteică a materialului ereditar era greşită. Mult timp mai târziu a devenit cunoscut faptul că informaţia ereditară se conţine în moleculele acizilor nucleici. 2

description

ZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZaharulZah

Transcript of IV. Bazele Moleculare Ale Ereditatiiacizii Nucleici

Page 1: IV. Bazele Moleculare Ale Ereditatiiacizii Nucleici

IV. BAZELE MOLECULARE ALE EREDITĂŢIIIV. BAZELE MOLECULARE ALE EREDITĂŢII

Acizii nucleiciAcizii nucleici

Cromozomii, în care sunt localizate genele, sunt nişte structuri cu caracter molecular, alcătuite dintr-un mare număr de elemente de natură chimică diferită. Aproximativ 90% din masa totală a cromozomilor o constituie aşa-numitul complex nucleo-histonic, format din acid dezoxiribonucleic (ADN) şi proteine histonice. În afară de aceasta, în componenţa cromozomilor mai intră şi mici cantităţi de proteine bazice, de lipide, acizi ribonucleici (ARN) şi cationi ai unor metale (calciu, magniu ş. a.).

Să vedem, ce funcţii îndeplinesc fiecare dintre aceste componente şi care molecule sunt înzestrate cu proprietăţi ereditare.

La dezvoltarea cunoştinţelor despre moleculele ereditare o mare contribuţie a adus remarcabilul savant N.C.Colţov. Încă în anul 1927 el a emis o serie de ipoteze şi presupuneri în legătură cu natura chimică a substanţei responsabile de păstrarea, transmiterea şi realizarea capacităţilor ereditare (genetice) ale organismelor. Colţov a exprimat aceste idei privind mecanismul care asigură continuitatea materialului ereditar prin formula: «Omnis molecula ex molecula»: «Fiecare moleculă provine din altă moleculă».

Către acest timp, datorită lucrărilor lui Morgan, şi-a câştigat încredere unanimă ideea că genele sunt aranjate într-o ordine strict determinată în cadrul structurilor liniare cromozomale. Dar structura moleculară a cromozomilor rămânea complet necunoscută.

Pornind de la raţionamente pur logice, Colţov a ajuns la concluzia că fiecare cromozom conţine două molecule gigantice absolut identice. El a făcut presupunerea, că aceste molecule ereditare sunt nişte proteine. Mai mult, el a propus şi explicaţia mecanismului de autodublare a moleculelor ereditare, mecanism care a fost demonstrat pe cale experimentală abia peste 30 de ani. Conform opiniei lui Colţov, la diviziunea celulelor trebuie să aibă loc procesul de formare pe baza moleculei deja existente a unei a doua molecule identice cu prima. În această privinţă Colţov s-a dovedit a fi un adevărat profet, deşi ideea despre natura proteică a materialului ereditar era greşită. Mult timp mai târziu a devenit cunoscut faptul că informaţia ereditară se conţine în moleculele acizilor nucleici.

Ce reprezintă acizii nucleic? Primele cercetări asupra acizilor nucleic au fost întreprinse în anul 1868 de către tânărul savant elveţian F. Miescher. În laboratorul lui E. Hoppe-Zeiller - cunoscut biochimist german - el s-a ocupat de studierea compoziţiei nucleelor leucocitelor. Miescher a reuşit să extragă din acestea o substanţă bogată în fosfor, pe care a numit-o nucleină (de la latinescul «nucleus» - «nucleu»).

2

Page 2: IV. Bazele Moleculare Ale Ereditatiiacizii Nucleici

Cercetările întreprinse ulterior au arătat, că nucleina nu este o substanţă simplă, ce un compus complex, alcătuit din proteină şi acid nucleic.

Dat fiind faptul că la acel timp proteinele erau cunoscute, chimiştii şi-au propus să extragă din nucleină celălalt component al ei - acidul nucleic - în vederea studierii compoziţiei acestuia. În 1871 au fost publicate rezultatele cercetărilor iniţiale asupra nucleinei, de aceea, în mod formal, acest an este considerat drept anul descoperirii unei noi clase de compuşi organici - acizii nucleici.

În anul 1889 chimistul Altmann a obţinut pentru prima oară acid nucleic în stare pură din drojdie, fapt ce l-a determinat să-l numească acid nucleic de drojdie. Peste trei ani alt chimist, pe nume Lilienfeld, din timusul unui viţel a extras un alt acid nucleic, care avea o compoziţie întrucâtva diferită şi pe care l-a numit acid timonucleic. Cercetări întreprinse în continuare au arătat că acidul nucleic de drojdie este prezent în diferite organe şi ţesuturi ale plantelor, animalelor şi omului, în special în citoplasma celulelor. Din această cauză i s-a dat numele de acid nucleic citoplasmatic. Cel de-al doilea acid nucleic, însă, s-a putut extrage numai din nucleele celulelor şi a fost numit acid nucleic nuclear.

Aceste denumiri ale acizilor nucleici s-au păstrat până ce ei au fost supuşi unei analize mai minuţioase. După cum s-a putut constata, ambii acizi, în ce priveşte compoziţia chimică, seamănă unul cu altul, deşi există şi anumite deosebiri.

Structura primară a ambilor acizi nucleic este compusă dintr-un număr mare de monomeri - aşa-numitele nucleotide - care, la rândul lor, constau din trei componente diferite: un hidrat de carbon (zahăr), acid fosforic şi o bază azotată. Nucleotidele se disting după compoziţia hidratului de carbon şi a bazelor azotate. Astfel, nucleotidele acidului nucleic citoplasmatic conţin riboză, iar cele ale acidului nucleic nuclear conţin un alt glucid - dezoxiriboză. În legătură cu aceasta savanţii au început să denumească acizii nucleici nu în dependenţă de localizarea lor în celulă (nucleică, citoplasmatică), că după glucidul, care intra în componenţa lor şi anume acidul dezoxiribonucleic (prescurtat ADN) şi respectiv acidul ribonucleic (prescurtat ARN).

Din componenţa ADN fac parte următoarele patru baze azotate: adenina (A), guanina (G), ctozina (CE) şi timina (T), iar ARN conţine adenină, guanină, citozină şi uracil (U).

În ce constă rolul genetic al acizilor nucleic? Funcţia genetică a acizilor nucleic a fost relevată experimental pentru prima oară în anul 1944 de către O. Avery, C. Mac-Leod şi M. Mac-Carty. Introducând într-o cultură de pneumococi încapsulaţi ADN, ei au reuşit să le inducă un nou caracter - apariţia capsulei. În esenţă, avea loc transformarea unei forme de pneumococi în alta.

3

Page 3: IV. Bazele Moleculare Ale Ereditatiiacizii Nucleici

După stabilirea rolului pe care îl joacă ADN în procesul transformării pneumococilor experienţe similare au fost înfăptuite şi cu alte bacterii. S-a putut constata că, cu ajutorul ADN-ului extras din unele bacterii se pot determina la altele nu numai modificări în caracterele externe (de exemplu, formarea de capsule sau cili), ci şi în proprietăţile lor biologice, bunăoară, rezistenţa la antibiotice (penicilină, streptomicină), la diferite substanţe medicamentoase (sulfatizol, sulfonamid), precum şi capacitatea de a sintetiza aminoacizi (lizină) şi vitamine (B12).

Moleculele de ADN ating dimensiuni gigantice şi, de regulă, sunt formate din două catene, în timp ce moleculele de ARN au o masă moleculară mult mai mică şi sunt formate dintr-o singură catenă.

În anul 1953 pe baza a numeroase date, obţinute prin diferite metode J. Watson şi F. Crick au creat pentru prima oară un model al structurii moleculei de ADN, conform căruia ea este formată din două catene de polinucleotide unite între ele şi răsucite, având aspectul unei spirale duble. Pe lângă aceasta, molecula de ADN este capabilă să formeze şi o superspirală, adică poate căpăta o astfel de configuraţie care permite acestei molecule gigantice să ocupe un loc ne însemnat în nucleele celulelor. De exemplu, în colibacil, una din bacteriile cele mai răspândite, întreaga moleculă de ADN este «împachetată» într-o' structură, amintind un nucleu minuscul. Dacă, însă, enorma moleculă de acid nucleic, strânsă ghem, ar fi desfăşurată şi întinsă într-o linie dreaptă, lungimea ei ar constitui un milimetru. Aceasta este de o sută de mii de ori mai mult decât diametrul nucleului în care s-a aflat instalată molecula! Cu ce este mai prejos decât un autentic fir al vieţii?!

Mecanismul de replicare a ADNMecanismul de replicare a ADN

Molecula de ADN este elementul activ, care transmite de la părinţi la urmaşi, din generaţie în generaţie, întreaga informaţie ereditară şi această capacitate poate fi considerată cea mai uimitoare dintre toate capacităţile cu care este înzestrată.

Modelul structurii moleculei de ADN, propus de Watson şi Crick, a permis să fie explicate şi înţelese un şir de procese biologice importante ca: mecanismul de reproducere (replicaţie) a însăşi moleculei de ADN, transmiterea caracterelor prin ereditate, codul genetic al sintezei proteinelor, cauzele variabilităţii organismelor ş. a. m. d. Despre toate acestea vom vorbi în continuare.

T. Watson (n. 1928) Fr. Crick (n. 1916)

Probabil, că puţini sunt cei care n-au auzit despre unicelulara amibă. Ea se înmulţeşte prin diviziune formând în consecinţă două celule-fiice. Fiecare dintre amibele-fiice, la rândul său, se divid iarăşi în câte două celule. S-a

4

Page 4: IV. Bazele Moleculare Ale Ereditatiiacizii Nucleici

calculat că în celulele-fiice, rezultate din cea de-a 500-a diviziune, nu se mai păstrează nici o moleculă din substanţele care întrau în compoziţia celulei materne primare. Dar de fiecare dată, după aspectul exterior şi însuşiri, celulele-fiice au trăsături comune cu celula maternă primară: dispun de aceeaşi compoziţie chimică şi au acelaşi tip de metabolism. În virtutea acestui fapt, la fiecare diviziune a celulei, concomitent cu dublarea, are loc şi reproducerea unei substanţe care conţine informaţia ce determină toate caracterele şi însuşirile ereditare ale amibei şi asigură transmiterea acestora la descendenţă. Această substanţă urma să posede capacitatea de a se dubla.

Iată în ce mod prezentau Watson şi Crick mecanismul autoreproducerii moleculei de ADN. În corespundere cu schema propusă de ei, molecula răsucită sub formă de spirală dublă trebuia la început să se desfacă de-a lungul axei sale. În timpul acestui proces are loc ruperea legăturilor hidrogenice dintre două filamente care, odată ajunse în stare liberă, se separă. După aceasta de-a lungul fiecărui filament din nucleotidele libere cu ajutorul fermentului ADN - polimerază se sintetizează cel de-al doilea filament. Aici intră în vigoare legea complimentarităţii în conformitate cu care la adenină, într-un filament comun, se alipeşte timina, iar la filamentul cu guanină se alipeşte citozina. Ca urmare, se formează două molecule-fiice, care după structură şi proprietăţi fizice sunt identice cu molecula maternă. Aceasta-i totul. E simplu, nu-i aşa? La o examinare mai atentă a acestui proces, însă, cercetătorii au avut de întâmpinat o dificultate.

Fapt este că moleculele de ADN sunt foarte lungi, fiind de aceea numite adesea molecule centimetrice. În celulele organismelor superioare, să zicem, la om, lungimea unor filamente din cromozomi atinge câţiva centimetri.

Fireşte, aceasta nu înseamnă deloc că molecula de ADN poate fi văzută cu ochiul liber: grosimea acestor filamente este infimă-de 20-25 angstromi (1 angstrom – 10-8 cm). Tocmai de aceea în munca cu acizii nucleici şi este nevoie de utilizarea celor mai perfecte microscoape.

Dar dacă lungimea acestor molecule este atât de mare, cum de reuşesc ele, totuşi , să se dezrăsucească în celulă, fără a se încălca şi în intervale foarte mici de timp?

Să examinăm procesul de dezrăsucire a ADN-ului în celulele celor mai mici organisme - a bacteriilor.

Lungimea ADN-ului bacterial constituie câţiva milimetri.Jirul (bucla) unei spirale este egal cu 34 angstromi iar intervalul de timp

care se scurge între două diviziuni consecutive ale celulelor bacteriene este de 20-45 minute Pentru replicarea (autoreproducerea) ADN-ului se consumă mai puţin de o treime din acest timp Dacă, pornind de la aceste consideraţii, se va calcula viteza de rotaţie a capetelor moleculelor de ADN la dezrăsucire, se va obţine o mărime fantastică: 15000 rotaţii pe minută!

5

Page 5: IV. Bazele Moleculare Ale Ereditatiiacizii Nucleici

Se înţelege de la sine că acest lucru este puţin probabil. Aceasta făceau necesar elaborarea de noi modalităţi pentru explicarea modului în care ADN reuşeşte să se dubleze în intervalele de timp atât de scurte.

Numeroasele date confirmă că în procesul diviziunii în celule se produce o repartizare exactă în părţi egale a ADN-ului între celulele-fiice. Cum se produce acest fenomen?

În principiu în celulele-fiice sunt posibile trei căi diferite de diviziune a ADN-ului: calea conservativă, calea semiconservatică şi calea dispersă.

În caz de replicaţie conservativă a ADN-ului pe o moleculă integrală cu două filamente, se construieşte din nou, ca pe o matriţă, o moleculă identică de ADN, iar celula iniţială rămâne neschimbată.

La metoda semiconservativă molecula primară se descompune în două filamente şi pe fiecare din ele se construieşte câte o moleculă integrală de ADN.

Metoda de dispersie prevede ca materialul ADN-ului iniţial să fie repartizat uniform la celulele-fiice, iar celelalte sectoare ale ADN-ului să fie construite din nou.

Care din aceste metode de replicaţie a ADN-ului se aplică în realitate? La această întrebare au răspuns Meselson şi Stahl, elaborând o metoda specială de centrifugare echilibrată a moleculelor de ADN.

Esenţa acestei metode constă în următoarele: dacă la o centrifugare obişnuită moleculele polimere se divizau conform greutăţii moleculare, apoi la centrifugarea echilibrată macromoleculele se divizau conform densităţii specifice. În acest scop centrifugarea se făcea într-o soluţie de săruri cu mare densitate.

Deoarece întotdeauna se poate alege o concentraţie a soluţiei care ar corespunde densităţii polimerului studiat, moleculele substanţei studiate se concentrează în acel loc îngust al epruvetei, unde densitatea substanţei este egală cu densitatea mediului, adică a soluţiei. Ajungând aici, substanţa nu se va mai disloca.

Dacă preparatul studiat conţine câteva tipuri de molecule cu diferită densitate, ele se vor concentra în diferite sectoare ale epruvetei.

Efectuând o serie de experienţe fine, Meselson şi Stahl au reuşit să determine mecanismul semiconservativ al replicaţiei ADN-ului

Dar mai rămânea ne soluţionată încă o problemă, cea a dinamici procesului de replicaţie: a fost descoperit un ferment special, care realiza replicaţia. Fermentul a fost numit ADN-polimerază.

A. Cornberg, biochimist american, a Clarificat că ADN-polimeraza se deplasează din direcţia polului 5' spre polul 3' al filamentului ADN. Pentru că filamentele ADN-ului nu sunt paralele în orice pol al lor, un filament purta liber un 3' -atom de hidrat de carbon, iar celălalt filament - un 5' -atom. Aceasta înseamnă că fermentul ADN-polimeraza se putea alipi numai la un

6

Page 6: IV. Bazele Moleculare Ale Ereditatiiacizii Nucleici

pol al ADN (la polul 5') şi târî de-a lungul acestui filament, iar al doilea trebuia să rămână liber.

Dar experienţele arătau, că se întâmplă invers - ambele filamente de ADN erau supuse replicaţiei.

În anul 1968 savanţii japonezi, în frunte cu R. Ocazachi, au contribuit la soluţionarea acestei controverse. S-a dovedit că Cornberg a avut dreptate şi că ambele filamente de ADN au fost supuse la dublare, numai că sinteza noilor filamente se efectua pe segmente scurte - «fragmente Ocazachi», căci aşa au fost numite ele mai târziu.

Conform concluziei lui Ocazachi, moleculele fermentului ADN-polimeraza se alipesc de ambele filamente de ADN, dar ele trebuie să-şi încapă munca în direcţii opuse.

La început ADN-ul se desface de la un pol, formând o furcă de replicaţie de care se alipesc moleculele de ADN-polimerază. În timp ce ele muncesc, sintetizând copii ale polilor eliberaţi, ADN-ul continuă să se desfacă şi pentru ADN-polimeraza devine accesibil un nou sector al ambelor filamente. Prima moleculă a fermentului îşi poate continua mişcarea de-a lungul filamentului 5' eliberat, iar de sectorul elibera al filamentului 3' se alipeşte o nouă moleculă de ADN-polimerază.

Cu cât se desfăşoară mai mult procesul de desfacere a ADN-ului, cu atât va apare o cantitate mai mare de fragmente. Este interesant că în experienţele lui Ocazachi pe filamentele 5' copiile noi se sintetizau şi ele în fragmente.

Ce se întâmplă cu punţile dintre fragmente? Doar ADN-ul din celulele în care s-a terminat diviziunea nu este fragmentar.

Cu un an până a descoperi Ocazachi acest lucru, savanţii Riciardson şi Veis din SUA au găsit un nou ferment. Funcţia lui consta în a uni, a alipi polii liberi zaharo-fosfatici ai moleculei de ADN. Şi deoarece verbul «a alipi» în engleză sună «ligaze» fermentul a fost numit «ligază». Tocmai ligaza e responsabilă de «cusutul» într-un tot unic al fragmentelor Ocazachi, noi sintetizate, şi transformă catena fragmentară de ADN într-o catenă întreagă.

Replicaţia ADN este, însă, numai unul din numeroasele procese care asigură păstrarea şi continuarea informaţiei genetice. Pentru transmiterea acestei informaţii şi traducerea ei în caractere concrete ale organizmelor, există alte procese, la fel de complicate, şi alte «personaje». Despre unele din ele vom vorbi în continuare.

Codul geneticCodul genetic

Informaţia genetică este codificată în molecula de ADN prin intermediul a 4 tipuri de nucleotide, care fac parte din componenţa ei. Se cunoaşte de asemenea că informaţia genetică, codificată în ADN, se realizează în procesul sintezei biologice a proteinelor în celulă.

7

Page 7: IV. Bazele Moleculare Ale Ereditatiiacizii Nucleici

Ca şi acizii nucleici, proteinele sunt compuşi polimerici, dar în calitate de monomeri ele conţin nu nucleotide, ci diferiţi aminoacizi. În structura proteinelor au fost descoperiţi 20-21 de tipuri de aminoacizi.

În ce priveşte proprietăţile moleculei de proteină, ele depind nu numai de componenţa lor generală, dar şi de aranjarea reciprocă a aminoacizilor, exact aşa precum sensul cuvântului depinde nu numai de literele din care este compus, ci şi de ordinea lor.

N. C. Colţov a calculat câte molecule diferite (izomeri) se pot obţine printr-o simplă schimbare a locului aminoacizilor dintr-un lanţ de 17. Mărimea obţinută era de circa un trilion' Dacă am dori să tipărim un trilion de izomeri, însemnând fiecare aminoacid printr-o literă, iar toate tipografiile de pe glob ar tipări anual câte 50000 de volume a câte 100 coli fiecare, până la încheierea acestei munci vor trece tot atâţia ani câţi s-au scurs din perioada arhaică şi până în prezent

Dar majoritatea proteinelor sunt compuse nu din 17, ci din câteva sute de aminoacizi. În acest sens sunt impresionante calculele efectuate de savantul Senger Greutatea moleculară medie a proteinei este egală cu aproximativ 34000 S-a dovedit că din 12 tipuri de aminoacizi prin varierea succesiunii lor se poate obţine un număr de 10300 de diferite proteine, greutatea lor totală constituind 10280 grame. E mult sau puţin? Evident, e o greutate enormă. Este suficient să comparăm această greutate cu greutatea pământului nostru, egală cu doar 1027 grame.

În acest fel, odată ce fiecare dintre aceşti izomeri are proprietăţi specifice, rezultă că încărcătura semantică în structura primară a materiei este datorată secvenţei (de fiecare dată alta) a aminoacizilor de-a lungul lanţului polipeptidic. Dacă este aşa, atunci prin analogie, o astfel de încărcătură semantică (informaţie) trebuie căutată şi în succesiunea nucleotidelor în moleculele de ADN.

Se iscă întrebarea: în ce mod succesiunea a patru nucleotide diferite din molecula de ADN determină secvenţa a 20 de aminoacizi în molecula de proteină. E cam acelaşi lucru ca şi cum prin combinarea în diferite feluri a patru litere ale alfabetului se pot forma 20 de cuvinte diferite după conţinut şi structură. S-a dovedit că prin intermediul a patru baze azotate (nucleotide) se poate transmite o cantitate nelimitată de informaţie.

Calculele demonstrează că o singură bază este capabilă să codifice nu mai mult de un aminoacid, iar toate cele patru baze (nucleotide) care întră în componenţa acizilor nucleici, respectiv nu mai mult de patru aminoacizi. De aici reiese că aminoacizii sunt codificaţi (specificaţi) de către grupe de baze. Combinaţiile din două baze pot codifica numai 16 aminoacizi (42), ne fiind capabile să-i specifice pe toţi 20. În schimb, combinaţiile de trei baze (nucleotide) sunt capabile să-i specifice pe toţi cei 20 de aminoacizi şi chiar

8

Page 8: IV. Bazele Moleculare Ale Ereditatiiacizii Nucleici

pe mai mulţi (43=64). Asemenea trei baze, situate una lângă alta (triplete), se numesc codoni şi fiecare poate codifica un aminoacid anumit.

Urmau de asemenea să fie rezolvate încă un şir de alte sarcini complicate. În primul rând, era necesară relevarea modului în care în celulă are loc «citirea» informaţiei genetice. În al doilea rând, care sunt tripletele ce codifică, anumiţi aminoacizi. Prin eforturile mai multor savanţi din diferite ţări au fost elaborate câteva variante ale codului genetic, dar dintre acestea nu toate au rezistat la verificări minuţioase.

Primul care a emis (încă în anul 1954) ipoteza că codul genetic are un caracter tripletic a fost fizicianul american de origine rusă G. Gamov. După cum s-a menţionat, în moleculele de acizi nucleici bazele sunt amplasate unele după altele în şir liniar şi citirea informaţiei localizate în ele se poate realiza în chip diferit. Mai jos prezentăm două variante de citire a tripletelor care conţin 12 baze:

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

1 AA 2 AA 3AA 4 AA2 AA

3 AA

Citirea tripletelor din acest rând (de la stânga) se poate efectua, de exemplu, în felul în 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) ş. a. m. d.Un astfel de cod se numeşte suprapus, dat fiind faptul că unele baze

întră în componenţa a mai multor triplete vecine. Dar prin cercetări ulterioare s-a demonstrat că un asemenea cod este imposibil, deci, ipoteza lui Gamov nu şi a aflat confirmarea.

Un alt mod de citire a tripletelor, propus în anul 1961 de F. Cric, este prezentat în 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 numeşte ne suprapus. Informaţia pe care o conţine

se citeşte succesiv după triplete, fără omiterea bazelor şi fără suprapunerea lor. În acest fel, textul informaţiei genetice urmează să fie contopit. După opinia lui Cric, citirea informaţiei se va începe de la un anumit punct din molecula de acid nucleic, în mod contrar textul pe care îl conţine s-ar denatura tot aşa cum sensul cuvântului, dacă ar fi să-l citim de la o literă întâmplătoare. Experienţele ulterioare, efectuate de Cric şi colaboratorii săi în anul 1963, au confirmat justeţa ipotezei emise de el. Determinarea principiului de citire corectă a informaţiei după triplete nu constituia însă rezolvarea definitivă a problemei codului genetic, deoarece ordinea de alternare a bazelor în triplete (cuvintele de cod) poate fi variabilă, respectiv:

9

Page 9: IV. Bazele Moleculare Ale Ereditatiiacizii Nucleici

A-G-CE, G-CE-A, CE-G-A, G-A-CE, A-CE-G, CE-A-G ş. a. m. d. Se pune întrebarea: pe care aminoacid îl codifică fiecare dintre tripletele enumerate?

Primele date privind componenţa cuvintelor de cod au fost prezentate în anul 1961 în cadrul Congresului internaţional de biochimie de la Moscova de către savanţii americani M. Nirenberg şi J. Mattei. Utilizând sistemul de sinteză artificială (acelulară) a proteinei, savanţii au început să depună eforturi în vederea descifrării «sensului» cuvintelor de cod, adică a modului de alternare în triplete a bazelor. La început ei au sintetizat un polinucleotid artificial, aşa-numitul poli-U (U-U-U-U-U-U...), care conţinea sub formă de bază numai uracil. Introducând într-un sistem acelular toate componentele necesare .(suc celular, ribozomi, complexul de fermenţi necesari, o sursă de energie sub formă de acid adenozintrifosforic (ATF), o garnitura complecta compusă din 20 de aminoacizi şi molecule de poli-U), au constatat că în acest caz are loc sinteza proteinei compuse din rămăşiţele unui singur aminoacid - fenilalanină (fen-fen-fen-fen-fen...). În felul acesta identitatea primului codon a fost descfrată: tripleta U-U-U corespunde fenilalaninei.

Apoi cercetătorii au realizat sinteza altor polinucleotide şi au stabilit care sunt codonii prolinei (CE-CE-CE) şi ai lizinei (A-A-A). În continuare s-a re-alizat sintetizarea garniturilor de trinucleotide (tripletele) cu diferite îmbinări ale bazelor şi s-a stabilit ce fel de aminoacizi se leagă cu ribozomii. Treptat au fost descifraţi toţi cei 64 de codoni şi a fost alcătuit «dicţionarul» complect al codului genetic.

Codul genetic (ARN)Dar la ce folosesc tocmai 64 de codoni, dacă în proteină intră doar 20

aminoacizi? Înseamnă că ceilalţi sunt de prisos?La început această întrebare i-a pus în încurcătură pe savanţi, dar mai

târziu a devenit clar că nu există nici un fel de «surplus» de codoni.Experienţele întreprinse de Nirenberg şi Leder au demonstrat că

numeroşi aminoacizi pot fi codificaţi nu de una, ci de câteva triplete-sinonime. Bunăoară, aminoacidul numit cisteină poate fi codificat de două triplete (UGU, UGC), alanina - de patru (GCC, GCA, GCG, GCU), iar leucina de şase, (UUA, UUG, CUU, CUC, CUA şi CUG). Codul în care unul şi acelaşi aminoacid este codificat de câteva triplete se numeşte cod degenerativ. S-a constatat că din punct de vedere biologic caracterul degenerativ al codului este avantajos. Este ca un. fel de «măsură de siguranţă» a naturii, elaborată în procesul evoluţiei, când, prin înlocuirea unor codoni prin alţii, se realizează posibilitatea păstrării structurii şi a însuşirilor specifice ale proteinelor. Datorită caracterului degenerativ al codului, diferite organisme pot să introducă în proteinele de care dispun unii şi aceeaşi aminoacizi, folosind în acest scop diferiţi codoni.

10

Page 10: IV. Bazele Moleculare Ale Ereditatiiacizii Nucleici

Pri

ma

nucl

eoti

a

A doua nucleotidă a codonului

A

treia

nucle

otid

ă

a

U C A G

U} fenilalanină

} leucină }serină

}tirozină,

UAA ocruUAG ambră

}cisteină

UGA azurUGG triptofan

UCAG

C} leucină

}prolină

}histidină

}glutamină }arginină

UCAG

A } izoleucină

AUG metionină }treonină

}asparagină

}lizină

}serină

}argină

UCAG

G } valină

GUG valină sau formilmet.

}alanină

}acid

asparatic

}acid

glutamic

}glicocol

UCAG

Şi într-adevăr, să ne imaginăm pentru o clipă că moleculele de ADN (şi corespunzător cele de ARN) ale fiecărei celule conţin numai câte un singur codon pentru fiecare aminoacid. În rezultatul unor mutaţii aceşti codoni se pot modifica şi dacă ei nu au schimb, aminoacizii care le corespund nu vor fi cuprinşi în proteine, fapt care va duce la schimbarea structurii şi funcţiilor lor iar aceasta poate conduce, în consecinţă, la urmări negative pentru activitatea vitală a întregii celule. Dacă, însă, în urma mutaţiei se va forma un codon-sinonim, atunci totul va rămâne fără schimbări.

Ceva asemănător ne putem imagina şi în cazurile când într-o şcoală sau instituţie de învăţământ superior pentru predarea unui obiect oarecare există numai un singur cadru didactic. Dacă, de exemplu, acesta se îmbolnăveşte şi nu are cine să-l înlocuiască pentru un timp predarea disciplinei respective se întrerupe. Probabil, că ar fi fost mai chibzuit dacă ar fi existat un învăţător (lector) care, intervenind la timp, să continue predarea acestei discipline. Cel puţin pentru ca elevii să nu dovedească să uite materialul studiat sau pentru ca predarea obiectului dat să nu fie reprogramată pentru alt trimestru.

Cum s-a remarcat deja, moleculele acizilor nucleici sunt catene polinucleotidice, alcătuite din şiruri lungi de triplete. De-a lungul moleculelor de ADN numeroase triplete – codonii - formează sectoare aparte, numite

11

Page 11: IV. Bazele Moleculare Ale Ereditatiiacizii Nucleici

cistrone sau gene. Fiecare genă conţine informaţia necesară pentru realizarea sintezei unei anumite proteine. Dar deoarece genele sunt am-plasate în moleculele de ADN în ordine liniară, una după alta, se întreabă: unde începe şi unde se termină citirea şi transmiterea informaţiei genetice privind fiecare proteină în parte şi ce semne convenţionale sunt folosite în acest scop? Doar codul genetic este, după cum ştim, compact, fără nici un fel de virgule în «textul» său.

S-a dovedit că între cei 64 de codoni există astfel de triplete a căror funcţie constă în marcarea începutului şi sfârşitului citirii (transcripţiei) şi transmiterii (translaţiei) informaţiei genetice, conţinută în gene. Începutul translării genelor (sau, aceea ce e acelaşi lucru, începutul sintezei proteinei date) se marchează prin tripleta AUG. denumită respectiv de iniţiere. Tripletele UAG şi UAA marchează sfârşitul translării genelor (încheierea procesului de sinteză a proteinelor) şi sunt corespunzător denumite finale.

În ce constă esenţa procesului de descifrare a codului genetic şi a biosintezei proteinelor?

Toate caracterele şi însuşirile organismelor sunt determinate de proteine. Prin urmare, transmiterea informaţiei genetice în procesul sintezei proteice se desfăşoară strict conform unui anumit plan (program), schiţat din timp.

Rolul de bază în biosinteza proteinelor îl joacă acizii nucleici: ADN şi câteva tipuri diferite de ARN, care se deosebesc după structură, masă moleculară şi funcţii biologice. Dintre aceştia face parte aşa-numitul ARN informaţional sau de informaţie (ARN-i), ARN de transport sau de transfer (ARN-t) şi ARN ribozomal (ARN-r). Ei sunt sintetizaţi de pe matriţele de ADN ale celulelor, cu participarea fermenţilor corespunzători - ARN-polimeraze, iar apoi încep să îndeplinească funcţiile ce le au în procesul biosintezei proteinelor. Astfel ARN-r, unindu-se în complexe cu proteine speciale, formează ribozomii, în care are loc sinteza tuturor tipurilor de proteină (proteinosinteza).

Ribozomii constau din două subunităţi. În celulă numărul de ribozomi se ridică la circa 100 mii şi de aceea cantitatea generală de ARN-r din ei constituie circa 80% din totalul de ARN al celulei.

Care sunt, deci, funcţiile biologice ale ADN-ului, ARN-i şi ARN-t? Care este contribuţia lor nemijlocită în procesul de biosinteză a proteinelor?

Vom remarca de la bun început că ADN nu participă nemijlocit la sinteza proteinelor. Funcţia lui se limitează la păstrarea informaţiei genetice şi la replicarea nemijlocită a moleculei, adică la formarea de copii necesare pentru transmiterea informaţiei urmaşilor.

Prima etapă a biosintezei proteinelor o constituie recepţionarea informaţiei genetice de la ADN şi înscrierea ei pe o moleculă ARN-i, proces care se realizează în felul următor: pe unul din firele moleculei de ADN cu

12

Page 12: IV. Bazele Moleculare Ale Ereditatiiacizii Nucleici

ajutorul fermentului ARN-polimerază din nucleotidele libere se sintetizează firul ARN-i, în care locul timinei (T), conţinute în ADN, îl ia uracilul (U). Molecula ARN-i sintetizată, care a preluat informaţia conţinută în ADN, se instalează apoi în ribozomi, unde va servi în calitate de matriţă pentru sintetizarea proteinelor. Aceasta înseamnă că succesiunea aminoacizilor din molecula de proteină este determinată de succesiunea nucleotidelor în ARN-i. Schematic acest proces poate fi exprimat astfel:

ADNARN-proteină.Pe lângă ARN-i citoplasma celulelor mai conţine nu mai puţin de 20 de

tipuri de ARN-t - aceasta fiindcă fiecărui aminoacid îi corespunde cel puţin o moleculă «a sa», specifică, de ARN-t. Funcţia lui ARN-t constă în transportarea aminoacizilor spre ribozomi şi aşezarea lor pe matriţa de ARN-i în cadrul lanţului peptidic, în conformitate cu codul sintezei proteice. Pentru aceasta fiecare ARN-t trebuie «să înhaţe» aminoacidul corespunzător şi împreună cu acesta să treacă în ribozom. La realizarea acestei operaţii ei sunt ajutaţi de omniprezenţii fermenţi, care fac aminoacizii mai activi. La propunerea academicanului V. A. Enghelgard aceşti fermenţi, dat fiind faptul că ei participă la descifrarea codului genetic, au fost numiţi codaze. De remarcat că fiecărui aminoacid îi corespunde o codază specifică. În acest fel, pentru toţi cei 20 de aminoacizi există tot atâtea tipuri de ARN-t şi respectiv de codaze.

La unul din capete moleculele de ARN-t au un sector acceptor cu ajutorul căruia ele ataşă aminoacizii, în timp ce la celălalt capăt se află un anticodon-tripletă cu funcţie complementară faţă de codonul corespunzător din ARN-i. «Încărcate» cu aminoacizi, moleculele de ARN-t se apropie de ribozom şi se unesc cu codonii corespunzători de ARN-i, pentru a-i complini.

Procesul de translare a informaţiei genetice înseamnă transferarea succesiunii nucleotidelor ARN-i în succesiunea aminoacizilor în lanţul polipeptidic al proteinei. Sinteza proteinei începe în momentul în care în ribozomi pătrund două molecule de ARN-t; prima corespunde tripletei iniţiale, iar a doua - unei alte triplete de ARN-i, care urmează nemijlocit după prima. Când aceste molecule ajung să se afle alături, aminoacidul de pe prima moleculă de ARN-t trece pe cea de-a doua moleculă de ARN-t, unindu-se cu aminoacidul acesteia. În acest fel prima moleculă de ARN-t se pomeneşte lipsită de aminoacid şi iese în citoplasmă, în timp ce cea de-a doua moleculă de ARN-t conţine doi aminoacizi, uniţi prin legătură peptidică. În continuare, ribozomul se deplasează cu o tripletă de-a lungul moleculei de ARN-i şi în el întră o nouă moleculă de ARN-t, a cărei anticodon este complementar faţă de cea de-a treia tripletă (codon) a ARN-i din ribozom. Dipeptida (sau primii doi aminoacizi) se desprinde de cea de-a doua moleculă de ARN-t şi trece pe cea de-a treia moleculă de ARN-t numai ce întrată în ribozom. În acest fel se pomenesc unul lângă altul trei aminoacizi

13

Page 13: IV. Bazele Moleculare Ale Ereditatiiacizii Nucleici

legaţi între ei şi procesul se repetă, până când este translat ultimul codon al ARN-i.

În mod obişnuit fenomenul transmiterii informaţiei genetice este comparat cu modul de funcţionare al unei maşini de scris, unde după fiecare apăsare a clapelor careta se deplasează cu o literă, făcând loc pentru imprimarea următoarelor, până nu este dactilografiat tot textul.

Încheind transmiterea informaţiei, ribozomul părăseşte firul de ARN-i şi se localizează iarăşi în citoplasmă.

Moleculele de ARN-i pot avea, în dependenţă de numărul de gene (cistroane) pe care le conţin, diferite mărimi. Este limpede faptul că dacă ctirea de pe o moleculă lungă de ARN-i ar fi efectuată de un singur ribozom, sinteza proteinei

s-ar desfăşura încet: iată de ce la translarea unor astfel de molecule de ARN-i ribozomii lucrează prin «Metoda de brigadă», câteva zeci de ribozomi unindu-se şi formând aşa-numiţii poliribozomi, sau, mai simplu, polizomi.

Dar cum, totuşi , află ribozomii din care capăt al moleculei de ARN-i trebuie să încapă translarea informaţiei genetice? S-a stabilit că ambele capete ale moleculei de ARN-i sunt marcate distinct de anumite grupe. La unul din capete există grupuri fosfatice (însemnate convenţional prin ppp-uri latineşti), iar la altul-grupa hidroxilă (ON). Prescurtat ele sunt însemnate respectiv prin 5' şi 3'. Ribozomii se deplasează întotdeauna de la capătul 5' spre capătul 3', aşa cum e arătat pe schema ce urmează:

5' PPP-uri AUG-GCU-UCU-AAC-UUU-CGA-AAC-CUG ON... 3'.S-a mai constatat şi faptul că în moleculele acizilor nucleici nu toate

tripletele sunt citite. Asemenea triplete ca UAG, UAA şi UGA sunt repartizate în locuri diferite: la începutul, la sfârşitul sau în sectoarele medii ale lanţului între anumite gene. Datorită faptului că nu sunt translate, aceste triplete servesc ca un fel de zone de frontieră între genele pe care sinteza lanţurilor polipeptidice se întrerupe.

Cu ce ar putea fi comparată activitatea codului genetic? Vom aduce aici un exemplu interesant din cartea lui X. Raubah «Enigmele moleculelor». Catena polipeptidă ne-o putem imagina ca pe un tren de marfă, iar compunerea catenei peptide poate fi comparată cu formarea acestui tren.

La centrul de comanda (în nucleul celulei) este pregătită o listă în care se indică succesiunea vagoanelor (o catenă de ADN). Această informaţie urmează să fie transmisă la staţiunea de sortare (ribozomele din citoplasmă). Translarea este efectuată de un teleimprimator de construcţie specială. Pentru ca teleimprimatorul să poată funcţiona, lista iniţială trebuie să fie transcrisă pe una complementară (ARNi). În procesul acestei transcrieri se produce transformarea lui CE în G, lui G în CE, lui T în A. Teleimprimatorul

14

Page 14: IV. Bazele Moleculare Ale Ereditatiiacizii Nucleici

mai are o particularitate: de fiecare dată, când la transformarea lui A trebuie să apară semnul T, teleimprimatorul scrie U, după cum se indică mai jos.

Lista iniţială (catena ADN)TAC GAT CCC AGG CGT CAA AAG ATA ATTTranscriereaAUG CUA GGG UCC GCA GUU UUC UAU UAALista complementară (ARNi)Acum această informaţie transmisă prin teleimprimator este tradusă cu

ajutorul tabelelor codului (translarea). Traducerea îi indică şefului de manevră succesiunea în care trebuie cuplate vagoanele. Mii de vagoane aşteaptă să fie aduse la trenul care se formează. O mică locomotivă electrică de manevrare (este a treia varietate de ARN - ARN de transport) trage vagoane aparte la cocoaşa de tiraj.

Şeful de manevră formează acum trenul în conformitate cu traducerea pe care a primit-o. Se obţine următoarea succesiune a vagoanelor (aminoaczilor); Met-Leu-Gli--Ser-Ala-Val-Fen-Tir - sfârşit.

AUG este semnalul de start din ARNi: dă ordinul să se înceapă sintetizarea catenei peptidice; ARNt- aduce la locul de sintetizare aminoacidul metionina (Met.). Met- este locomotiva electrică. Apoi tripleta CUA trebuie să aducă şi să cupleze celălalt vagon - aminoacidul leucina (Leu), apoi tripleta GGG - glicina (Gli) ş. a. m. d. Astfel, conform «planului de construcţie» pus în ADN, catena polipeptidă (trenul) creşte, datorită aminoacizilor (vagoanelor) aduse şi cuplate la locurile lor. Terminarea formării trenului este indicată în lista complementară de tripleta UAA. Tot despre aceasta semnalizează şi ceilalţi codoni finali - UAG şi UGA.

La sfârşitul acestor referinţe despre moleculele ereditare poate să se nască în mod firesc următoarea întrebări: codul genetic este unul şi acelaşi pentru toate organismele sau, de exemplu, între cel al plantelor şi animalelor există anumite diferenţe? Răspunsul la această întrebare este pozitiv. Mecanismul general de sinteză a proteinelor este universal pentru toate organismele vii. Pentru majoritatea aminoacizilor s-a constatat o coincidenţă deplină a codonilor din organisme, făcând parte din regnuri diferite, la unele organisme, însă, codonii prezintă anumite devieri care se explică prin caracterul degenerativ al codului.

În acest fel, «limbajul» genetic al naturii este unitar, dar în el există anumite «dialecte», ca, de altfel, în toate limbile lumii.

Mecanismul de reparaţie a defectelor din ADNMecanismul de reparaţie a defectelor din ADN

Acizii nucleic ca oricare alte molecule organice, oricât ar fi apărate de celule, sunt supuşi permanent acţiunii celor mai diferiţi factori ai mediului. De aceea aceştia modifică structura armonioasă a acizilor şi, respectiv, funcţiile, pe care le realizează.

15

Page 15: IV. Bazele Moleculare Ale Ereditatiiacizii Nucleici

Din modificările principale ce se produc în ADN fac parte: substituirea, excluderea şi amplasarea bazelor.

Aceste transformări din ADN au fost numite mutaţii genice. Ele toate conduc la denaturări în structura primară, precum şi în cele secundară, terţiară şi cvarternară a proteinelor. Aceste modificări sunt succedate de proprietăţi-le lor funcţionale, fapt ce influenţează direct asupra funcţionării celulelor şi a întregului organism.

Mutaţiile genice se mai numesc şi boli moleculare, deoarece acestea provoacă adesea modificarea tipului de metabolism. La om au loc peste o mie de aceste boli moleculare, printre care cităm galactozemia, alcaptonuria, fenilcetonuria, drepanochitoza ş. a.

Celulele sangvine roşii (eritrocitele normale) au o formă rotundă sau elipsoidă. Dacă în timpul sintezei părţii proteice a hemoglobinei acidul glutamic (Glu) în poziţia 6 este substituit cu valina (Val), va apare în loc de hemoglobină normală (HbA) o hemoglobină anormală (HbS). Eritrocitele cu hemoglobină anormală au o formă de seceră şi nu sunt în stare să îndeplinească funcţia lor de bază - să aducă oxigenul la toate ţesuturile organismului. De aceea pruncii care suferă de aceste boli moleculare ca regulă trăiesc aproximativ doi ani şi mor de anemie - insuficienţă de oxigen.

Acestea sunt fenomenele apărute în urma denaturării codului genetic.Factorii mediului înconjurător, care exercită o acţiune directă asupra

moleculelor acizilor nucleici, provocându-le mutaţii de diferite tipuri, sunt, în primul rând, diferitele radiaţii ionizante-şi numeroşii agenţi chimici. Numărul lor total este atât de mare, încât, dacă celulele n-ar fi ocrotite de ei, ar fi imposibilă apariţia unei descendenţe sănătoase.

Natura, însă, a avut grijă să înarmeze la timp celulele cu un sistem puternic de apărare contra acţiunii factorilor mutageni.

Savanţilor le-a revenit sarcina să descopere taina sistemului de protecţie a celulelor.

În deceniul al şaselea s-a început studierea sistematică a acţiunii radiaţiei asupra celulelor, şi, în primul rând, asupra genelor lor, precum şi cercetările metodelor de protecţie a organismelor contra iradierii.

În aceste cazuri experienţele încep prin utilizarea organismelor monocelulare, care, de regulă, se aseamănă între ele. Suspensiile de celule sunt expuse la raze în doze crescânde şi savanţii caută să determine rezistenţa lor biologică după expunere.

Odată A. Chelner a schimbat condiţiile experienţei: jumătate din suspensia iradiată a celulelor a lăsat-o să crească la întuneric, cealaltă jumătate - să crească la lumină. Rezultatul a fost neobişnuit. Celulele care au fost supuse la raze în întuneric şi apoi transferate pentru a creşte la lumină au supravieţuit mult mai bine, decât celulele care creşteau la întuneric.

16

Page 16: IV. Bazele Moleculare Ale Ereditatiiacizii Nucleici

La sfatul magistrului său M. Delbruc a numit acest fenomen fotoreactivare, adică restabilire luminoasă.

Imediat s-a pus întrebarea - ce se produce cu ADN-ul în timpul supunerii la raze. Sa stabilit că în timpul supunerii la raze două timine, care se află alături, se contopesc într-o singură structură (TT), formând o moleculă dublă, numită dimer al timinelor. Sa constatat o corespundere exactă între numărul dimerilor din ADN şi nivelul mortalităţii, Legătura s-a dovedit a fi directă: cu cât erau mai mulţi dimeri, cu atât era mai înaltă mortalitatea. A fost clarificată şi cauza acestui fenomen. Dimerul denaturează molecula de ADN. ADN-ul se desface în locurile dimere şi, natural, cu cât sunt mai multe sectoarele tulburate, cu atât el este mai puţin activ.

A devenit limpede că după fotoreactivare numărul dimerilor din ADN, supus la radiaţie, trebuie să se reducă.

La sfârşitul deceniului al şaselea geneticiianul american C. Rupert a dovedit că procesul fotoreactivării se realizează cu ajutorul unui ferment special, numit ferment fotoreactivator. Rupert a dovedit că fermentul se uneşte cu ADN-ul supus la raze şi restabileşte integritatea lui.

S-a clarificat şi rolul luminii vizibile. Tocmai cvanţii luminii vizibile excitau moleculele fermentului şi le permiteau să-şi manifeste activitatea reparatoare.

La întuneric fermentul rămânea inactiv şi nu putea tămădui ADN-ul.Setlou, un alt savant american, a demonstrat mai târziu că fermentul

fotoreactivator desface pur şi simplu legăturile ce s-au format între moleculele vecine de timină, şi, ca urmare, structura ADN capătă forma lui anterioară şi se restabileşte complect activitatea lui biologică.

Fermenţii reactivanţi au fost descoperiţi nu numai la bacterii, dar şi în celulele plantelor şi animalelor. Însă posibilităţile celulelor vii de a trata moleculele lor ereditare nu se limitează la reacţia fotoreactivării. Sa constatat că celulele pot să se tămăduiască şi la întuneric. Dar în aceste condiţii funcţionează cu totul alte sisteme de fermenţi.

Un alt sistem de protecţie a celulelor - reparaţia la întuneric - s-a dovedit a fi mult mai complicat decât fotoreactivarea. Dacă fotoreactivarea este efectuată numai de un singur ferment, apoi în reparaţia la întuneric particpă cel puţin 5 fermenţi. Dacă în procesul fotoreactivării sunt înlăturate numai leziunile prin expunerea la raze ultraviolete (UV) -dimerii timinei, apoi în timpul reparaţiei la întuneric se vindecă şi celelalte leziuni, inclusiv cele provocate de numeroşii agenţi chimic, care vatămă ADN-ul.

Procesul reparaţiei la întuneric se deosebeşte radical de procesul fotoreactivării. Sectoarele lezate sunt, pur şi simplu, extirpate din ADN. Această extirpare se realizează în câteva etape, precum vedem în fig. 11. La început un ferment special taie unul din filamentele ADN-ului în apropiere de punctul lezat. Apoi un alt ferment taie sectorul lezat. Al treilea ferment

17

Page 17: IV. Bazele Moleculare Ale Ereditatiiacizii Nucleici

lărgeşte breşa formată: el taie unul după altul nucleotidele în catena lezată a ADN-ului. Al patrulea ferment începe a astupa breşa. În conformitate cu ordinea nucleotidelor rămase în al doilea filament al ADN-ului, ce se află în faţa filamentului extirpat, fermentul ADN-polimeraza începe procesul de astupare a breşei. Fermentul al cincilea - ligaza, despre care s-a mai menţionat, uneşte polii filamentului vechi cu cei ai fragmentului nou construit, terminând astfel restabilirea ADN-ului.

Aşa dar, dacă în cazul de fotoreactivare tratamentul constituie un amestec «terapeutic» delicat, apoi în timpul reparaţiei la întuneric se efectuează o adevărată operaţie «chirurgicală». Fragmentul lezat este, pur şi simplu, extirpat din ADN şi dat afară. Celula se autooperează. Părea stranie tendinţa celulei de a lărgi breşa până la mărimi gigantice după extirparea leziunii. Un lucru asemănător face şi chirurgul, care, extirpând ţesutul bolnav, taie şi o parte din ţesutul sănătos pentru a lichida urmele bolii.

Posibil că această lărgire a breşei este determinată de faptul că pentru funcţionarea corectă a fermentului el trebuie să-şi înceapă munca de la un anumit punct. Acest punct de «start» pentru începutul muncii ADN-polimerazei poate fi hotarul genei.

În timpul unor experienţe autorii au notat că breşa era lărgită în unele celule până la 1000 de nucleotide, în altele - doar cu câteva zeci de nucleotide, după care lărgirea breşei se oprea. Să vedem din ce motiv se întâmplă acest lucru,

V. Soifer încă în anul 1969 a presupus că pentru a se evita greşeli în cursul operaţiilor posterioare de vindecare a leziunii, este necesar ca filamentul lezat să fie distrus complect până la capătul genei în care a apărut iniţial leziunea. În cazurile când leziunea se afla în apropiere de hotarul genei, nu e nevoie a se extirpa atât de multe nucleotide. În toate celelalte cazuri e necesară extirparea unor porţiuni mult mai mari.

Am vorbit numai despre două sisteme de reparaţie a celulelor care îşi protejează materialul genetic de acţiunile dăunătoare ale razelor UV şi ale radiaţiei ionizate. Deoarece partea covârşitoare a energiei radiante o formează aceste feluri de radiaţie, este limpede ce proprietate de valoare constituie capacitatea celulelor de a-şi repara structurile genetice după acţiunea acestor raze.

Asupra structurilor genetice exercită, însă, influenţă şi alţi factori cu diverse mecanisme de acţiune. De aceea celulele au elaborat diferite mecanisme de autoprotecţie, dintre care multe au fost studiate doar parţial, majoritatea lor rămânând încă necunoscute şi este puţin probabil ca în viitorul apropiat să fie clarificate definitiv. Natura a înzestrat fiinţele vii cu multe enigme şi procesul de descoperire a tainelor vieţii de bună seamă nu se va sfârşi niciodată.

18