Современная генетика

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

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, 35, 36, 37, 38