Arosoaie Andrei, Pascariu Alexandru
Genetică moleculară
În capitolele precedente am văzut cum studiul transmiterii caracterelor ereditare s-a desfăşurat la început în planul macroscopic ajungând să stabilească principiile generale ale eredităţii sintetizate magistral de Gr.Mendel.
Acest studiu s-a deplasat apoi în planul microscopic şi datorită unei pleiade de naturalişti a dus la creerea geneticei celulare s-au mai precis a celei cromozomiale cu rezultatele impresionante obţinute în prima jumătate a secolului XX .
Între timp,naturaliştii,biologii,medicii şi chimişti au început să ia din ce in ce mai mult în considerare rolul chimiei şi al chimiei fizice pentru descifrarea misterelor biologice. Acest demers va da studiului eredităţii o dimensiune nouă şi va face din genetică una din disciplinele cele mai importante ale celei de a două jumătăţi a secolului XX şi ale începutului secolului XXI
Încă de la sfârşitul veacului XIX chimia biologică a început să facă paşi importanţi începând cu identificarea moleculelor organice ce intră în alcătuirea fiinţelor vii. În acest sens merită să amintim că în 1869 Fr. Meicher a descoperit prezenţa în nucleul celulelor(din sperma de peşte şi din puroiul unor răni deschise) a moleculelor de nucleoproteine (pe care le-a numit nucleine)fără însă nici măcar să bănuiască ce imensă importanţă au în economia organismelor vii. Structura acestor molecule a fost stabilită de abia în 1920 e chimistul Levene
De la acesta ştim că aceste mari molecule sunt constituite dintr-un lanţ format din glucide pentozice (desoxiriboză)interconectate printr-un fosfat şi că de fiecare glucid este ataşată câte o bază azotată Aceste baze aparţin unui grup format din două baze purinice :adenina şi guanidina,şi două baze primidinice :timina şi citozina
Fosfaţii care unesc între ele glucidele se leagă cu un capăt de carbonul 5' al glucidului precedent şi de carbonul 3' al glucidului următor. Acest fapt permite orientarea lanţului care va avea totdeauna un capăt 3' şi altul 5'
Fiecare cuplu bază –glucid se numeşte nucleotid .De aceea acizii nucleici sunt lanţuri de nucleotizi reuniţi de fosfaţi
Trebuie să precizăm universalitatea acestor molecule care se găsesc în nucleul tuturor fiinţelor vii animale sau plante .
Lanţul de acid desoxiribonucleic
Prin 1928 în urma unor laborioase experienţe cu două tulpini de bacterii(Streptococus pneumoniae)începute în 1920 Fr.Griffith a demonstrat că se pot modifica proprietăţile ereditare acţionând asupra unor „misterioase” molecule chimice din structura organismelor vii,fără să poată preciza care însă sunt acestea. Nimeni nu se gândea atunci la acizii nucleici,căci toată comunitatea ştiinţifică era fascinată de proteine Doar la Institul Rokefeler din New York ,Oswald Averry şi colab săi începând din 1944 pe baza unor cercetări considerate însă de unii drept neconcludente susţineau rolul acizilor nucleici în ereditate
De abia în 1952 în urma unor experienţe pe bacteriofag(un virus care agresează colibacilul –Escheria colli)făcute de A.Hershey şi Marta Chase aceştia au demonstrat că indiscutabil suportul biochimic al eredităţii sunt acizii nucleici.
Cu această descoperire genetica a intrat într-o eră nouă
Odată făcută această preciziune ,oamenii de ştiinţă au fost curioşi să afle prin ce secret aceste molecule sunt capabile să asigure ereditatea. Mingea a fost aruncată în curtea fizicienilor şi cristalografilor care au început să cerceteze cu metodele lor(mai ales prin difracţia razelor X),forma şi organizarea internă a moleculelor de acid desoxiribonucleic(ADN).O serie de fizicieni ca M.Willkins,J.Randall,R,Gossling,Linus Pauling ş.a, s-au angajat în cercetări laborioase.
Una din contribuţiile cele mai importante le-a adus Rosalind Franklin (1920-1058)de la Kings College din Londra care printre altele a obţinut şi imaginile de difracţie ce au fundamentat modelul helicoidal. al moleculei de ADN Din motive obscure a fost marginalizată,şi cum a murit foarte tânără a fost foarte nedreptăţită de „colegii”ei. I s-a spus „Te Dark Lady of DNA”(Doamna din intunerec al ADN-ului)(Brenda Maddox).Fotografiile pe care le-a făcut cu privire la difracţia razelor X prin moleculele de ADN şi care i-au fost luate fără permisiune au îngăduit lui Watson şi Crik să realizeze modelul helicoidal al ADN-ului
Una din fotografiile lui Rosalind Franklin
După minuţioase cercetări duse în anii 1950-1953 în fine a putut fi descifrată structură ADN-ului din nucleii tuturor celulelor şi J Wastson(n.1928)şi Fr Crick(1916-2004)au putut realiza modelul acestei molecule esenţiale pentru viaţa pe planeta noastră (publicat prima oară în 1953) pentru care au luat împreună cu M.Wilkins premiul Nobel în 1962
Francisc Harrzy Compton Crick James Dewey Watson
Watson şi Crick erau fizicieni iar lipsa lor de cunoştinţe chimice (cu care de altfel se lăudau)a impresionat, în cursul unei reuniuni ştiinţifice, negativ pe marele chimist E,Chargaff care i-a numit „clovni ai ştiinţei
Dubla spirală ADN
ADN-ul nuclear este o macromoleculă formată din două lanţuri de nucleotide paralele răsucite spre dreapta sub forma unei spirale.Fiecare lanţ reprezintă structura primară a ADN-ului ân timp ce spirală este structura ei secundară
Am văzut că fiecare lanţ nucleotidic are o orientare determinată de modul cum se leagă fosfaţii de moleculele de desoxiriboză aşa că la un capăt al lanţului se găseşte carbonul 5' şi la celălalt carbonul 3'. În molecula de ADN unul din lanţuri este orientat de la 5' la 3' iar celălalt de la 3' la 5'
Reconstituiri spaţiale ale dublei spirale ADN
Cele două lanţuri sunt legate între ele prin nişte punţi .Fiecare punte e formată de o bază azotată de pe un lanţ cu baza azotată de pe lanţul celălalt situată în dreptul ei unite printr-o legătură de hidrogen
Bazele azotate se leagă intre ele potrivit unei reguli fundamentale _”adenina se leagă totdeauna numai cu timina şi guanidina numai cu citozina”. De aceea cele două lanţuri sunt stric complementare şi se comportă ca o fotografie alb-negru şi negativul ei negru-alb. Cum bazele azotate de pe un lanţ realizează prin distribuţia lor nişte configuraţii,regăsim aceste configuraţii pe lanţul pereche sub o formă complementară dictată de regula de legare a bazelor azotate. Acest aspect este esenţial pentru modul de funcţionare al ADN-ului,aşa cum vom vedea
Punţile
S-a crezut că această surprinzătoare formă de dublă spirală este prezentă numai în materialul genetic nuclear. Recent însă s-a văzut că şi în imensitatea cosmosului pot apare astfel de structuri sub forma unor nebuloase alcătuite dintr-o dublă spirală de astre. De asemenea fizicienii au pus în evidenţă că în anumite condiţii microgrăunţele de praf se organizează în interiorul plasmelor tot sub formă de spirale asemănătoare cu cele ale lui Crick şi Watson
Cele două lanţuri se pot desface sub efectul încălzirii. Este ceea ce s-a numit denaturarea ADN-ului. Odată despărţite cele două lanţuri se pot resuda dacă molecula se răceşte treptat realizând procesul de renaturare
Dubla spirală formează un filament gros de 20Å sau 2 nanomicroni (2nm,). Acest filament din loc în loc se înfăşoară în jurul unor mosoare de 11nm.numite nucleozomi formaţi fiecare din 8 proteine numite histone. Filamentul de ADN cu nucleosomii formează o fibră perlată cu un diametru de 30nm. Această fibră la rândul ei se răsuceşte şi formează un cordon bobinat(un solenoid) cu un diametru de 300nm. Acest cordon se îngrămădeşte şi formează cromatidele cromozomiale care au un diametru de 1400nm
Din cele de mai sus reiese clar că o cromatidă cromozomială, vizibilă cu microscopul optic, nu este decât o uriaşă moleculă de ADN înghesuită prin spiralări şi plicări la care se adaugă histonele din nucleosomii. Astfel ansamblul moleculelor de ADN care realizează o lungime de circa 2 m în fiecare nucleu celular somatic are loc in cei 46 de cromozomi a căror lungime totală este de 220 microni În perioada de diviziune celulară fibrele de ADN,cu histonele din nucleosomi se înghesuie ,devin mai groase şi mai compacte. Acum cromatidele (şi cromozomii) sunt colorabile şi devin vizibile pe toată perioada de diviziune mitotică sau meiotică .
Nivelele de organizare a cromatidelor(de la ADN la cromozom)
În interfază pe molecula de ADN există zone condensate hipercrome care formează ceea ce s-anumit heterocromatina nucleară,vizibilă pe imaginile nucleului Sunt zone nefuncţionale în care ADN-ul este condensat şi nu poate fi transcris. Un exemplu tipic este corpuscul lui Barr din nucleul celulelor aparţinând exemplarelor feminine şi care rezultă din condensarea unuia din cei doi cromozomi X care „zace” inactiv. Alte porţiuni sunt slab colorabile şi formează eucromatina nucleară ce conţine zone funcţionale ale ADN-ului care pot fi transcrise. La acest nivel ADN-ul este relaxat
Nucleu celular cu hetero şi eucromatină
Una din proprietăţile cele mai de seamă ale moleculei de ADN este aceea de a se replica.Această proprietate defineşte funcţia autocatalitică a ADN-ului Graţie ei în profaza diviziunii celulare spirala de ADN se dublează şi apare cromatida soră realizându-se cum am văzut cromozomul Această dublare constă în construcţia,cu ajutorul enzimelor din nucleu, a unei copii identice a ADN-ului existent.
Replicarea ADN-ului
Pentru aceasta, iniţial ,cele două lanţuri se dezrăsucesc şi se separă graţie unor proteine iniţiatoare a replicării şi unei enzime(helicaze)ca cele două porţiuni ale unui fermoar. Separarea poate începe în unul sau mai multe locuri de pe lungimea moleculei de ADN(numite origini) care au aspectul unor bulbi sau bucle .De aici separaţia se extinde în ambele sensuri până ce se obţin două lanţuri independente în lungul cărora stau înşirate bazele azotate cu extremităţile libere. Locul unde se separă cele două lanţuri se numeşte din cauza aspectului său furcă la nivelul căreia există o intensă activitate enzimatică. Evident că totul implică un consum de energie care este asigurat de mitocondrii şi de sistemul ATP
În lichidul nuclear plutesc molecule libere de nucleotizi formate din câte o bază azotata ancorată de câte o desoxiriboză Acestea sunt atrase de extremităţile libere ale bazelor de pe lanţurile separate ,şi se fixează prin legături de hidrogen pe ele potrivit regulii generale:adenina cu timina (şi vice versa)şi guanindina cu citozina(şi vice versa).graţie unor enzime speciale ( polimeraze)
Apoi componentele desoxiribozice se conectează intre ele prin fosfaţi şi astfel spirala este completată într-o formă identică cu cea din care provine
Procesul este mult mai complicat şi implică intervenţia a multor enzime dar din motive didactice l-am expus intr-o formă simplificată. Printre altele menţionăm că unul din noile ADN-uri(care este sintetizat pe direcţia 5' -3') este sintetizat într-un flux continuu în timp ce celălalt(care este sintetizat pe direcţia 3'-5')este sintetizat fragmentar(prin fragmentele Okazaky)
Replicarea ADN-ului
Una din constatările revoluţionare din cursul pasionantei istorii a geneticei a fost descoperirea ADN-ului mitocodrial. Se ştie că mitocondriile sunt organele celulare care funcţionează ca nişte centrale energetice.
Mitocondrie Celulă cu mitocondrii
Originea lor este obscură .Se pare că este vorba de nişte microorganisme care parazitau formele ancestrale de Eucariote şi care s-au adaptat devenind părţi constitutive ale tuturor celulelor animalelor. Ele au propriul lor material genetic reprezentat de nişte molecule circulare de ADN cu o structură similară cu ADN-ul nuclear. Acest ADN nu este implicat în diviziunea celulară ci are propriul său ritm de multiplicare care este impus de necesităţile energetice ale celulelor
ADN mitochondrial (mtADN)
Replicarea ADN-ului mitocondrial se face la fel ca aceea a ADN-ului nuclear numai că în loc să fie vorba de un filament liniar este vorba de unul circular care generează alte două filamente circulare
Comparaţie între genomul nuclear şi cel cromozomial la om (după Ene şi col.)
Am văzut că Mendel a precizat că transmisia fiecărui caracter ereditar se face independent. Aceasta înseamnă că pe structurile ce transmit aceste caractere fiecare din ele are ca suport un loc special .De asemenea am văzut că Morgan folosind analiza statistică a experienţelor de crossing-over,a precizat locul răspunzător pentru foarte multe caractere ereditare de pe cromozomi realizând primele hărţi cromozomiale.
Odată cu descoperirea faptului că o cromatidă cromozomială este o moleculă de ADN.,a devenit clar că fiecare caracter ereditar este determinat de un anume loc de pe spirala de ADN. Locurile acestea poartă numele de gene. Fiecare genă ocupă un loc precis pe cromatide(pe dubla spirală de ADN) şi două locuri identice simetrice pe cele două cromatide surori din cromozomi în perioada de diviziune
Un anume caracter ereditar este determinat însă de o pereche de cromatide în interfază sau de o pereche de cromozomi în perioada de diviziune. Nu trebuie confundate cromatidele surori care fac parte din acelaşi cromozom,cu cromatidele pereche care aparţin la doi cromozomi diferiţi ce formează însă o pereche determinată. Gena de pe o cromatidă are o copie pe cromatida soră şi o genă omoloagă pe cromatida pereche, iar genele(originală şi copie prin replicarea ADN) de pe un cromozom au două gene omoloage(originală şi copie) pe cromozomul pereche. Fiecare genă însă poate prezenta diferite variante(pricinuite prin modificări ale uneia sau mai multor baze) Variantele unei gene situate pe acelaşi loc de pe molecula de ADN sunt numite alele Când alele omoloage de pe perechea de cromozomi sunt identice(adică determină o aceiaşi variantă a caracterului ereditar respectiv)alelele sunt homozigote în timp ce dacă nu sunt identice( determină variante diferite )alelele sunt heterozigote.
Când două gene diferite se găsesc pe acelaşi braţ al unui cromozom(pe aceeaşi moleculă de ADN) se zice că sunt în poziţia cis în timp ce dacă una se află pe un braţ iar cealaltă pe alt braţ(pe cele două molecule surori) sunt în poziţia trans
La începutul anilor '50 era clar pentru toată lumea că orice caracter fie el somatic(d.ex. culoarea ochilor,tipul constituţional,împlântarea dinţilor,etc.)
psihologic(d.ex. aptitudini profesionale,trăsături de personalitate,nivel cognitiv etc.)sau patologic(d.ex. coreea cronică,hemofilia,unele depresii etc.)este determinat de un fragment anume din molecula de ADN nuclear dar modul cum se face această determinare era obscur. Trecerea de la genom la fenotip, numită exprimarea genei ,era un mister deşi se ştia că presupune o cascadă de evenimente biochimice moleculare
Biologii au putut constata că aspectele morfologice şi funcţionale ale organismelor vii sunt determinate de celule. De asemenea au precizat că procesele de construcţie,diferenţiere şi dezvoltare a celulelor,ca şi funcţionarea lor sunt asigurate de nişte molecule de proteine specifice numite enzime(de la ενζυμον = „în levure”) fiecare din ele având o acţiune proprie pe câte un substrat determinat Între molecula de enzimă şi cea a substratului pe care acţionează trebuie să existe o compatibilitate geometrică astfel ca cele două molecule să se recunoască şi să se reunească(modelul „broasca şi cheia” a lui E Fischer - 1894)Acţiunea enzimelor este cea de a cataliză unele reacţii chimice specifice
De aici rezultă principiul fundamental al exprimării fenotipului :
o genă
o enzimă una sau mai multe gene
una sau mai multe enzime
un caracter
o enzimă una sau mai multe gene
una sau mai multe enzime
Niciun comentariu:
Trimiteți un comentariu