Biologie Manual pentru clasa a XII-a

Citation preview

Stelica ENE Gabriela BREBENEL Elena Emilia IANCU

XII

manual pentru clasa a A

a

BIOLOGIE M inisterul Educatiei, • t 1 Cercetarii si Tineretului

Editura GIMNASIIM

C l J P R lN S

Capitolul I. GENETICA / 5 1.1 GENETiCff MOLECULfiRfl / 5 1. G e n c tic a m o le c u la r a - si tiin ta * v iito r u lu i / 5

1.1. Genetica-trecut, prezent, perspective / 5 2. Acizii nucleici-struetura si • > functii ^ /8 2.1. Rolul si structura acizilor nucleici / 8 ‘ 2.2. ADN-spirala vietii /1 3 LP. Modelarea structurii dublu catenare a ADN /1 8 2.3. Struetura si tipurile de ARN /1 9 2.4. Functia autocatalitica si heterocatalitica / 22 3. Organizarea inaterialului genetic / 29 3.1. Materialul genetic la virusuri si proeariote/29 3.2* Matcrialul genetic la eucariote / 32 L.P. Evidentierea cromozomilor uriasi la Drosophila m elanogaster/35 L.P. Evidentierea cromozomilor prin metoda rapida de colorare cu solutie carm in-acetica/35 3.3. * Genomica / 36 4. Reglajul g e n e tic /40 4.1. * Reglajul genetic la p rocariote/40 4.2. Reglajul genetic la eucariote / 44 Evaluare / 48

I..2. Genctica umana / 50 1. Genomul uman /' 50 ^ 1 . 1 . Complementul cromozomial uman / 50 L.P. Analiza de cariotip / 54 L.P. * Evidentierea cromatinei sexuale la om / 56 2 . Caractere fenotipice umane / 57 ^ 2 . 1 . Determinismul genetic al caracterelor fenotipice umane / 51 L.P. Stabilirea spectrului genetic individual / 62 3. Diversitatea genetica umana / 63 3.1. Genetica raselor umane / 63 4. Mutagcncza si teratogcneza / 6 6 ^ 4 .1 . Mutagenezasi teratogcneza umana 66 4.2. Anomalii cromozomiale asociate cancerului uman / 73

3

5. Imunogenetica / 76 5.1, Antigens. Alergii. Anticorpi / 76 6 . Consideratii biocticc in genetica umana / 81 6 .1. Domenii de aplicabilitate in genctica umana / 8 1 Evaluare / 85

Capitolul II. ECOLOGIA UMANA / 89 1. P a r t i c u l a r i t a t i l e e c o s is te m e lo r a n t r o p i z a t e / 89

1.1. Particularitati ale biotopului si biogenezei in ecosistemele antropizate / 89 L.P. * Investigarea sistem elorantropizate/94 L.P. Analiza factorilor abiotici / 96 L.P. Determinates structurii trofice in ecosistemele antropizate / 99 1.2. * Particularitati« ale fluxului de materie si in ecosistemele « energie c antropizate / 1 0 1 2. * Structura si dinamica populatiilor umane /105 2.1. Stmctura si dinamica populatiilor umane /105 L.P. * Analize statistice ale structurii si dinamicii populatiilor / 110 3. ImpactuI antropic asupra eeosistemelor naturale /114 3.1. ImpactuI antropic asupra ecosistemelor naturale /114 L.P. Evidentierea impactului antropic asupra ecosistemelor / 119 4. Efectele deteriorarii ecosistemelor asupra sanatatii umane /120 4.1. Efectele deteriorarii ecosistemelor asupra sanatatii umane /120 5. Conservarea resurselor naturale si a biodiversitatii /126 5.1. Conservarea resurselor naturale si a biodiversitatii /126 6 . * Dezvoltarea durabila / 131 6.1. Dezvoltarea durabila/131 Evaluare/134 Bibliografie / 136

Sola: Temele evidentiate cu (*) sunt siudiuie la clasele cu 2-3 ore/ saptamdna.

4

1.1. GENETICA MOLECULAR#

i

G E N E T IC A t n n r r A

M O LE C U LA R A a

v i i t o r u l u i

G tn tlie o - trccut, p rtz cn l, perspective G regor Mendel - Teoria facto rilo r e re d ita ri Prim ul oin de stiinta care a inteles ca trasaturile ereditare nu se transm it direct de la m am a si de la tata, la copii, ci indirect prin intermediul factorilor ereditari (denumiti mai tarziu gene), a fost Gregor Mendel (fig. 1). M endel a experim entat in mod deosebit pe mazare (Pisum sa tiv u m ), p la n ta c a re se re p ro d u c e p rin autopolenizare (autogamie). Pentru aceste cercetari, el a ales soiuri care aveau caractere d istin cte (co n trastan te) si constante, efectuand num eroase hibridari, prin polenizare artificiala si a i incrucisata * plantelor,

R e a m in t i t i - v a experientele de m ono hibridare si dihibridare efectuate de Mendel / M eritul lui Mendel a fost introducerea notiunii de factor ere ditar - un c o rp u s c u l de n a tu ra m a te r ia ls lo c a liz a t in nucleul celular. Mendel a analizat statistic rezultatele incrucisarilor. determinand cu precizie frecventa cu

Sfi ne reamintim ! Genetica este stiinta % y ereditatii » si a v a r ia b ili ta tii- la tu ri inseparable ale proceselor vietii. Ereditatea este proprietatea fundamentals a vietuitoarelor care asigura transm iterea cu fidelitate a tr a s a tu r ilo r m o rfo lo g ic e , fiziologice, de com portam ent, adica a caracterelor ereditare, de la p a rin ti la d e s c c n d e n ti. Ereditatea are astfel un caracter stabilizator, care asigura legatura organica dintre generatii. Variabilitatea este forma de manifestare a diversi tatii lumii vii. Este proprietatea urm asilor de a se deosebi de parinti cat si de frati, astfel meat fiecare individ este un unicat. Trasaturile care se transm it constant, cu mare fidelitate, de-a lungul generatii lor dc la parinti ia descendenti se numesc caractere ereditare.

care apar diferitele tipuri de caracteristici, nu numai in prim a generatie filiala ci si in a doua si a treia generatie. Organismele in care factorii ereditari pereche sunt de acelasi fel se numesc homozigote (bob neted AA, bob zbarcit aa), iar cei in care factorii ereditari pereche sunt diferiti, se numesc heterozigote (Aa). La indivizii heterozigoti se manifesta doar unul din caractere si anume cel dominant (A) iar cel recesiv (a) ramanc in stare ascunsa. Conditia ca un caracter recesiv sa se m anifeste este aceea ca faetorul ereditar ce detennina acest caractcr sa fie in dublu exemplar (aa). Mendel a deseoperit deosebirea dintre structura genetica a organismelor, num ita ulterior genotip si infatisarea organ ismelor, numita ulterior fenotip (rezultatul interactiunii dintre genotip si mediul de viata). Studiul modului cum se com porta in descendenta hibrizii rezultati in urma monohibridarii si dihibridarii 1-a condus pe Mendel la formularea teorieifactorilor ereditari descoperind legile ereditatii. 1. Legea puritatii gametilor :gametii sunt totdeauna puri din punct de vedere genetic indiferent ca provin din indivizi heterozigoti sau hom ozigoti deoarece contin numai unul din factorii ereditari pereche. 2. Legea segregarii independente aperechilor de caractere. Prin combinarea probabilistic^ a gam etilor indivizilor din prim a generatie F,, apare in generatia a doua F^ fenomenul segregarii caractere lor. Conform acestei legi fiecare pereche de factori ereditari segrega independent de alte perechi de factori ereditari. Rapoilul de segregare in F 2 este de 3D : Ir pentru fiecare pereche de factori ereditari iar, in cazul a doua pcrechi de caractere raportul dc segregare este de 9:3:3:1 (dihibridare). Mendel devine astfel fondatorul geneticii ca stiinta, iar anul 1865 - anul publicarii rezultatelor experientelor sale reprezinta anul aparitiei uneia dintre cele mai tinere si fascinante stiinte. Contemporanii nu 1-au inteles pe Mendel. Cand acesta a murit. a fost onorat pentru functiile sale sociale, dar ignorat pentru opera sa. In anul 1900 trei mari cercetatori - botanisti europeni: Hugo de Vries, Carl Correns si Erich Tschermak, in urma unor experience efectuate independent unul de altul, uimiti de regularitatea matematica a aparitiei unor caractere la urmasi, s-au grabit sa-si publice rezultatele. Impecabilele lor lucrari nu mai constituiau piioritati, ci doar confinnai’ea cercetarilor efectuate cu aproape 35 dc ani in urma de Gregor Mendel.

Th. Morgan - Teoria croxnozonaiala a ereditatii Mendel nu dispunea nici de cunostintc citologiee. nici de mijloaee tehnice care sa-i pernrita detectarea factorilor ereditari. Odata cu dezvoltarea unor noi ramuri ale biologiei (citologia - stiinta care se ocupa cu studiul celulei) se descopera cromozomii si ulterior rolul lor in transmiterea caracterelor ereditare. La inceputul secolului al XX-lea, Thomas Hunt Morgan (fig.2) a demonstrat ca factorii ereditari, num iti gene . sunt localizati in cronuKomi. Th. H. M organ - laureat al premiului Nobel, si echipa de cercetatori de la Univcrsitatea Colum bia au elaborat teoria cromozontiala a ereditatii. Ca urmare apare o noua stiinta, citowenetica. care studiaza ereditatea la nivel celular. Tezele acestci teorii sunt uiTnatoarele: I. Pentru fiecare caracter exists cel putin o gemu iar fiecare gcna ocupa un anumit loe (locus loci) in cromozom. G enelesuntdispusein cadrul caimozomului intr-oanumitasuccesiunc: dispunerea

lineara a gene tor in cromozomi;

6

2. Genele localizate in acelasi * crom ozom au tendinta • de a se transmite impreunS la dcscendenti (linkage): trammiterea inlantuita

a genelor dispuse in acelasi cromozom; 3. Intre cromozomii perechi se pot realiza schimburi reciproce de fragmente de ADN (crossing-over): schitnbul reciproc de gene

intre cromozomii omologi. Rezultatele obtinute prin experience realizate pe Drosophila melanogaster, i-au dat o mare satisfactie lui Morgan deoarece, pe de o parte confirma teoria sa dupa care genele se transmit inlantuit si, in acelasi timp, ofereau o exceptie fenomenul de crossing-over, ce facea ca teoria lor ereditara sa poata explica si aparitia diversitatii in natura. Catre anul 1933 Morgan si colaboratorii sai au alcatuit deja primele ”harticromozomiale*.

A cizii nucfeici in c e n tra l atentiei In anul 1928, m edicul englez F Griffith a deseoperit un fenomen de o foarte m are importanta - transformarea genetica - caruia nu a reusit sa-i dea o explicatie foarte clara la momentul respectiv, dar care va deveni una din m etodele ingineriei genetice, de transfer de gene de la o specie la alta. In 1944 se publica rezultatele unei experiente cruciale in biologie. O. T. Avery, C. McLeod si M. McCarty, continuand experientele doctorului Griffithsdescopera ca ADN-ul extras din pneumococi III S transform apneum ococii II R in pneumococi III S, deci ADNeste misteriosulfactor transformator al doctorului Griffith. Ideea ca ADN este purtatoru! informatiei ereditare a fost confirmata de multe alte experiente de transform are genetica efectuatc pe bacterii, plante si animate. ./. Watson si F. Crick anunta in 1953 ca au reusit, cu ajutorul razelor Roentgen, sa descopcre structura m acrom olecuiei ADN. M odetul lor este confirm at de M. Wilkins si % toti trei vor fi distinsi cu premiul Nobel pentru m edicina si biologie (1962), Modelul structurii bicatenare a ADN-ului este cea mai mare descoperire din secolul al XX-lea in domeniul biologiei. Daca in epoca aparitiei geneticii ca stiinta, la inceputul secolului al XX-lea, factorii ereditari m endclieni erau inca nistc unitati ipotetice deduse pe baza unor calcule statistico matem atice, in epoca noastra, cu ajutorul m etodelor m oderne de investigate s-a patruns tot mai adanc in intimitatea mecanismului ereditar. S-au tacut progrese in studiul bazelor biochimice ale ereditatii, ale codului si reglajului genetic, in cunoasterea procesului mutagen dar si in domeniul geneticii populatiilor. A luat astfel nastertgenetica moleculara,care studiaza ereditatea la ni vel biochim ic/iind cea mai tanara si mai moderna ram ura a geneticii. Caracteristic pentru epoca actuala de dezvoltare a geneticii moleculare este imbinarea armonioasa a cercetarii fundam entale cu cea aplicativa, fenomen care a facut posibila dezvoltarea medicinii, agriculturii, zootehnici, industriei fermentative, etc. ce due la rezolvarea unor probiemc fundamentale aleum anitatii. Inzestrata cu o forta extraordinara de a putea sa schimbe ’’natura biologica“, genetica viitorului poate ti asemanata cu energia atomica. D cpindc de intelepciunea omului dc a sti sa foloseasca aceasta forta in interesul sau in dctrimcntul sau.

7

1 ftetineti » r ! • Anul 1865 - Johan M endel, num it dupa calugarie G regor M endel, publica luerarea ’'Experiente asupra hibrizilor la plante“ , in care sunt redate experientele de hibridare la mazare si form ulate primele legi ale ereditatii. G regor Mendel pune bazele celei mai fertile dintre stiintele biologice ale secolului XX - genetica clasica. Anul 1900 - a insem nat actul de nastere al geneticii ca stiinta, cand cei trei cercetatori europeni au readus la lumina legile lui Mendel. Anul 1909 - Johansen propune term enul de gena notiunii de factor ereditar. Anul 1910 - Th. H. M organ elaboreaza teoria crom ozom iala a ereditatii si pune bazele citogeneticii. Anul 1944 - O. T. Avery si colaboratorii au dovedit ca ADN este substratul ereditatii. Anul 1953 - J. D. Watson si F. H. Crick au propus modelul de structure bicatenara a ADN*

1. Precizati trei mom ente decisive din istoria geneticii motivand alegerea voastra. 2. Imaginati m odele de transm itere a genelor folosind doua seturi identice de carti de joc. Puteti avea in vedere 1, 2 , . . . X caractere. 3. Defmiti urmatoarele notiuni pe baza cunostintelor din clasa a IX-a: ereditate, variabilitate, genotip, fenotip, hom ozigot, heterozigot, cromozomi, eariotip, recom binare genetica.

2 f

f

l

HCIZII NUCLEICI - STRUCTURE SI FUNCTII Rolul si structure ocizilor nucleic!

M isterloaul fa cto r tra n ifo rm a to r al doctorului G riffith In 1928, bacteriologul englezJ. Griffith com unica la Cam bridge o experienta extrem de ciudata. Lucra de la un Sfi ne reaminfim ! timp cu pneum ococi, tipul 11 si 111 , care se deosebesc intre Acizii nucleici au un rol deosebit ele prin caracteristici biochim ice usor detectabile. De de im portant in depozitarea informatiei asem enea, avea unele eprubete cu culturi virulente, care g e n e tic e , ei fiin d p u rtS to rii provoaca m oartea soarecilor folositi in experiente si alte caracterelor ereditare. eprubete cu culturi de pneumococi blanzi'\ are nu omorau soarecii. Pe medii decultura, pncumococii virulenti formau colonii mici, netede, de forma ”S“ (”SUde la smooth = neted). Cei nevirulenti formau colonii zbarcite la suprafata, de forma ”R i4 (rough = aspru). Griffith a facut doua suspensii de microbi: a) prima continea pneumococi II R nevirulenti; b) a doua continea pneum ococi III S, virulenti. 8

s s

El nu dorea sa ucida anim alele, ci sa prepare un vaccin. Pentru aceasta a omorat prin caldura microbii din suspensia b., apoi a inoculat am bele suspensii unui Pneumococi Pneumococi nevi­ lot de soared albi de laborator si a asteptat. Pneumococi Pneumococi virulenti rulenti si virulentinevirulenti virulent! omorati prin prin c; Spre su rp rin d e re a lui G riffith , ira marea majoritate a soareeilor au murit, desi prima suspensie le adusese microbi vii dar nepericulosi, iar a doua numai resturile microbilor virulenti. (fig. 3) Contrariat la cuim e, cercetatorul a repetat experienta dc mai m ulte ori cu soarecele soerecete soarecelo aoarocele moare acelasi traieste moar* * rezultat. Pentru a vedea ce m icrob traleste a omorat soared i, el a insamantat pe medii de cultura sange din cordul soareeilor Fig. 3 • E x p e rim e n te le lui G riffith morti. A constatat ca pe medii crescusera si se inm ultisera pneum ococi de tip 111 S virulenti, pe care Griffith ii stia morti si verificase ca sunt morti, Singura ex p licate a fenomenului era ca de la cadavrele pneum ococilor 111 S a trecut "ceva" in celulele pneum ococilor II R pe care i-a transform at in pneumococi III S virulenti. Acel ”ceva “ continea informatia ereditara care, odata ajunsa in noul organism, a functionat si a fost transmisa urmasilor.

9!

S tru ctu re chim ica a a c itilo r nucleici Acizii nucleici sunt substante chimice macromoleculare, care reprezinta cei mai lungi polimeri din lumea vie. Pentru ca unitati le structurale ale acizilor nucleici - monomerii - se numesc nucleotide, atunci putem spune ca m acrom oleculele acizilor nucleici sunt polinucleotide. O nucleotida este alcatuita din trei com ponente (fig.4) a) o baza azotatd; b) un zahar (o pentoza); c) un acidfosforic. (P). Exista doua categorii de acizi nucleici a caror denum ire deriva de la tipul de zahar pentozie pe eare il contin nucleotidele lor si care poate fi dezoxiriboza - D si riboza -R (fig.5). Se deosebesc astfel: - ADN - acidul dezoxiribonucleic, a carei m acrom olecula prezinta doua catene (lanturi) polinucleotidice; - ARN - acidul ribonucleic, a carei molecula prezinta de obicei o singura catena polinucleotidica. Din cele trei com ponente ale nucleotidelor, doar bazele azotate confera specificitate in cadrul fenomenului ereditar deoarece, pentozele si radicalul fosforic sunt comune tuturor m acromoleculelor HO-SCH

Fic. 5 • R iboza si d ezoxiriboza

9

I a d e n in A

L

Pig. 6 • Nuclei*I p u rin ic

GUANINA

l ibt. 7 • Baye p u rin icc : a) A d en in a; l») G u a n in a

NH-

T IM IN A

Fig.8 * N ucleul p irim id iu ic

Fig. 9 ♦ Baze pi rim idi nice

5‘fosfat

L.e|»5luj‘i

Ibsfodicstctice

-O -C H

o0

.Vhidroxil

H H' OH H

Fig. 10 • L e g a tu ri fosfodiesterice 10

t

U R A C IL

in

de ADN din lum ea vie. B azele azo tate din m acrom olecula acizilor nucleici sunt de doua tipuri: purinicc si pirimidinice. Bazele azotate purinice au ca elem ent esential doua cicluri condensate insum and 5 atomi de carbon (C) si 4 atomi de azot (N)(fig. 6 ). Hie sunt adenina - A si guanina - G(fig.7). Bazele pirim idinice au un singur ciclu cu 4 atomi de carbon (C) si doi atomi de (N) (fig. 8 ). Ele sunt: timina -T, citozina - C si uracilul - U ( f i g .9). In tre n u c le o tid e le m acrom oleculelor de acizi nucleici sc stabilesc legaturi intracatenare si intercatenare. a.L egaturile dintre nucleotide in cadrul m o n o caten ei sau lan tu lu i p o lin u c le o tid ic intracatenare - su n t le g a tu ri c o v a le n te , fosfodiesterice pe care le realizeaza radicalul fosfat (P) cu pentozele intre al treilea carbon (C,) al pentozei unui nucleotid si al cincilea carbon (Cs) al pentozei nucleotidului urm ator (fig. 10). Atat in ADN cat si in ARN in cadrul structurii prim ate (m onocatenare) nucleotidele alcatuiesc, prin radicalii lor glucidofosforici, un adevarat schelet sau coloana de care sunt legate bazele azotate (fig . 11)

b. Legaturile dintre nucleotide apartinand celordoua catene polinucleotidice intercatenare - se realizeaza intre bazele azotate purinice si cele pirim idinice. Acestea sunt legaturi de hidrogen, de slaba cncrgie. Ceea ce este cu adevarat uim itor in ”m odelul“ prezentat de Watson si Crick in 1953 privind structure ADN. este faptul ca bazele purinice si cele pirim idinice sunt plasate in molecula de ADN intr-un mod foarte precis. Totdeauna adenina este legata de tim ina prin legaturi duble, iar citozina este legata de guanina prin legaturi triple (fig. 1 2 ): A= T T=A C=G G=C A fost stabilita astfel legea com plem entaritatii bazelor azotate care evidentiaza ca intr-o m olecula de ADN bicatenar (form ata din doua catene) bazele azotate se im perecheaza specific. Acelasi lucru se intam pla si in cazul in care ARN-ul este bicatenar cu o singura exceptie: tim ina este inlocuita cu uracilul: Fig. 11 A= U U=A C=G G=C Observam ca exista 4 tipuri de nucleotide corespunzatoare celor 4 baze azotate caracteristice fiecarui tip de acid nueleic(fig. 13): In ADN: In ARN: P -D -A ; P -R -A ; P -D -G ; P -R -G ; P -D -C ; P -R -C ; P -D -T . P -R -U . Aceste 4 tipuri dc nucleotide sunt echivalente cu 4 litere ale unui alfabet. Alfabctul folosit de "mana evolutiei“, pentru a scrie o atat de vasta inform atie ereditara pe ADN, pare extrem de sarac la o prima vedere -A, T, G, C, dar in realitate posibilitatile de codificare biochimica si deci de realizare de seturi diferite de

• I,a n t p o lim ie lc o tid ic

Fig. 12 • P unti dc h id ro g en

■

f f

ARN Adenina ^

Uracil

Guanina ^

WH O M

B aza az o ta ta

G ru p are

^

Baza azotata

G ru p are fo sfa t OH OH Riboza

H OH H Dezoxiriboza

Fig. 13 • N u cleo tid e cu h a /e p u rin ic e si p irim id in ice 11

inform atie ereditara sunt teoretic infinite. Stiind ca in m od norm al secventa de nucleotide a macromoleculelor de acizi nucleici biologic active au ca limita inferioara circa 3000 nucleotide, ajungand la limite superioare de ordinul de sute de mii de m ilioane de nucleotide, ne putem expliea enormul potential de codificare pe care il poseda acizii nucleici. La aceasta se adauga si faptul ca uniunile de tipul A - T si C - G: a.pot sa altem eze; b.pot sa se repete de 2, 3 ori; c.pot sa altem eze inversat A - T, urm at de T A. Cu cat sistemul are mai multe com ponente si acestea sunt mai diferentiate, informatia este mai bogata si mai complexa. Rolul acizilor nucleici 1. Acizii nucleici reprezinta substratul ereditatii. Ei auinscrisa, sub forma de codificare biochimica informatia ereditara in catena polinucleatidica. 2. Acizii nucleici asigura totodata transm iterea informatiei genetice de la o generatie la alta. Transmiterea informatiei ereditare, de la celula mama la celulele fiice, se realizeaza in cursul procesului de diviziune celulara.

I ftelineti r f ! « A cizii nucleici reprezinta cei mai lungi polim eri din lum ea vie. In organizarea si functionarea m aterialului ereditar, com plem entaritatea bazelor azotate este proprietatea esentiala. * Secventionalizarea bazelor azotate de-a lungul catenelor m acrom oleculelor acizilor nucleici duce la cresterea posibilitatilor de inscriere a inform atiilor ereditare.

I

A PU C bTU

1. Asociati elementele din cele dou3 coloane: /. Nucleotide 1. A-D-P 2. A-R-P 3. T-D-P 4. T-R-P 5. U-D-P 6 . U-R-P

I. Legaturi intre nucleotide A. Legaturi duble de hidrogen B. Legaturi triple de hidrogen C. Legaturi esterice

II. Acizi nucleici A. ADN B. ARN

II. Substante implicate intre aceste legaturi 1. Adenina '•si 5 timina 2. Citozina si guanina 3. Adenina si uracil 4. Radical fosfat si pentoza

2. Urmatoarele afirmatii despre adenina sunt adevarate cu exceptia: A. Este o baza azotata purinica. B. Are doua cicluri condensate insum and 5 atomi de carbon si 4 de azot. C. Este prezenta in ADN si in ARN. D. Este com plem entary cu uracilul si timina. E. Are un singur ciclu cu 4 atomi de carbon si 2 de azot. 12

3. Macromoleculele de ADN si ARN au urmatoarele asemanari cu o exceptie: A. Se num esc polinucleotide deoarece contin mai multe unitati numite nucleotide; B. In nucleotidele celor doi acizi nucleici se afla 3 tipuri de baze azotate: adenina, citozina, guanina; C. N ucleotidele de ADN si ARN contin pentoze (un zahar cu 5 atomi de carbon); D. N ucleotidele sunt legate prin legaturi electrostatice de hidrogen; E. N ucleotidele sunt legate prin legaturi esterice. 4. Explicate care sunt factorii care due la cresterea posibilitatilor deinscriere a informatiilor ereditare si macromolecula acizilor nucleici.

ADN - s^lreSo vlcti! ——i i n—

mart

iim h t m m —

mi

ok —

t i »

a

---------------------------------------------------------------------------------------------------- _--------------- -

Sfi ne reamintim ! Sintetizand datele acumulate in literature de specialitate cu cele obtinute in urma experientclor proprii, in anul 1953 Watson si Crick au propus m odelul de structura bicatenara a ADN.

S tru c tu ra prlm ara si secundara a AD N A D N se p re z in ta ca o s u b s ta n ta macromoleculara bicatenara alcatuita din doua catene polinucleotidice, rasucite helicoidal, in ju r u l u n u i ax c o m u n . D is tin g e m in m acrom olecula de ADN 2 structuri (fig. 14):

a. Structura primara monocatenara este data de secventa de nucleotide dintr-o catena care exprima m odalitatea de incifrare, de inscriere sub forma codificata biochimic, a informatiei ereditare. b. Structura secundara este data de structura bicatenara dubla helicata. Diametrul dublului helix este de 2 nm ( 2 0 A) avand un pas (spira) de 3,4 nm (34 A). Fiecare spira a dublului helix ADN cuprinde 10 nucleotide (fig. 15). Cele doua lanturi polinucleotidice sunt antiparalele, adica la unul dintre ele, legaturile fo sfo d ie ste ric e se re a liz e a z a in tre C 3 al d e z o x irib o z e i unei n u c le o tid e si ■ » C .} al nucleotidci urm atoare, pe cand la nivelul c e lu ila lt lant p o lin u c le o tid ic , le g a tu rile fosfodiesterice se realizeaza invers: C$+ Ci

F r a g m e n t d in m o le c u la ADN F ra g m e n t de cro m o zo m cele 2 ca te n e com plem entare b a c te r ia n fo rm a t s u n t ra su cite elicoidal d in 2 c a te n e r a s u c ite e lic o id a l perechi de baze pom-

detaliu

seheletul zah^r - fosfat

detaikJ

M olecula ADN: 2 catene antiparalele si com plem entare A denina este m ereu legata de tim ing si guanina de citozina 1 la n t = o c a t e n a

1 la n t = o c a t e n i

p o l in u c le o t id ic a

p o lin u c le o t id ic e

Fig. 14 • S tru c tu ra m olcculci de ADN

13

Im p e re c h e re a in tre b a z e le a z o ta te are la b aza p rin c .r . com plem entaritatii, cel mai de seama in organizarea si fu n ctio n a ry m atcrialului genetic ereditar. Astfel adenina (A) este com plem entara tim in ei (T ), iar g u an in a (G ) este c o m p lem en tara cito z in e i (C ). lm perecherile de baze se realizeaza prin interm ediul unor punti de hidrogen: doua intre adenina si tim ina (A = T) si trei intre guanina si citozina ( C=G )• Legaturile de hidrogen se formeaza si se dezorganizeaza cu usurinta fara sa necesite surse energetice speciale. Acest fapt explica modul in care se desfasoara replicarea ADN, transcrierea informatiei din ADN sau repararea ADN etc, Structura bicatenara a ADN prezinta de regula o mare stabilitate fizica. Ea este asigurataastfel: a. pe verticala, de puntile fosfodiesterice intracatenare; b. pe orizontala, de puntile de hidrogen intercatenare. Caracteristicile structurale finale ale ADN dublu catenar sunt dictate insa de moleculele de dezoxiriboza (D) care se aseaza, cu oxigenul inelului orientat in sus, in cadrul unei catene si orientat in jos, in cadrul catenei complementare(fig. 16) Din cauza acestui aranjament opus al moleculelor de dezoxiriboza Fig. 15 • S tru c tu ra in cele doua catene, si deoarece dezoxiriboza se leaga la o pozitie secu n d arS a ADN excentrica a bazei azotate, intreaga m olecula de ADN este obligata sa se rasuceasca, sa se spiralizeze, rezultand Punte de hidrogen Baza azotata nu o structura dreapta bicatenara ci una spiralata - dublu Dezoxiriboza helix, in care fiecare pereche succesiva de baze azotate se intoarce cu 36° in directia acelor de ceasomic (rasucire dextrogira), iar dublul helix face un tur complet de 360° la fiecare 1 0 percchi de baze. Datorita structurii bicatenare,m acromolccula de ADN poate suferi fenomene de denaturare-renaturare si replicare(autocopiere). Denaturarea -renaturarea ADN

h 2c

\ 0 ^ \

HjC \

o

^ N

e

°

N

ADN (bicatenar)

Fig. 16 * S tr u c tu ra chim ica a ADN

14

*

Prin incalzirca unei solutii in care se afla ADN , cele doua catene com plem entare se despart si ADN-ul devine monocatenar. Daca solutia este racita brusc j, i ADN-ul ram ane m onocatenar ADN denaturat iar, daca se raceste trcptat, cele doua catene se atrag datorita complementaritatii bazelor azotate si ADN-ul isi reface structura dublu-catenara -A D N renaturat (fig. 17). A m estecand m onocatcne ADN de la specii diferite se form eaza prin renaturare partiala hibrizi moleculari. Procedeul este folosit de oamenii de stiinta in studiul relatiilor filogenetice dintre specii.S peciile inrudite au temperaturi apropiate de denaturare a ADN si realizeaza o renaturare rapida si de mari proportii cand

2 —

—

incalzire

------------------------------- * —

f 11

ADN

ADN

bicatenar

monocatenar

Fig. 17> D e n a tu ra rc a - rc n a tu ra re a ADN

1

li se am esteca monocatenele deoarece, secventele polinucleotidice sunt identice pe mari portiuni. De exem plu, procentul de renaturare intre m onocatenele ADN de la om si de la maimute este de 75%, pe cand intre m onocatene ADN de om si soarece este de num ai 25%. Replicarea (autocopierea) ADN Este stiut faptul ca de m iliarde de ani ADN-ul se imparte si se tot imparte numarului imens a miliarde de generatii de celule. Cum se face ca A DN-ul nu se epuizeaza in procesul diviziunii celulare? Raspunsul este replicatia (autocopierea) ADN. D eoarece ADN contine inform atia genetica a celulei, sinteza sa este bifurcatie de unul din cele mai importante evenim ente din viata replicare: separarea lanturilor prin ruperea a c esteia . S in te za A D N , care se re a liz e a z a prin legaturilor de hidrogen interventia unui com plex aparat enzim atic, este o reactie de tip replicativ si este unicul caz din lumea biomoleculelor in care o substanta isi dirijeaza propria sinteza. M o d elu l de s tru c tu ra b ic a te n a ra a A D N sugereaza modul in care poate avea loc sinteza de ADN inaintea procesului de diviziune celulara: • In principiu, m odelul admite realizarea unei denaturari fiziologice progresive a m acrom oleculei bicatenare de ADN, prin desfacerea legaturilor de hidrogen. In acest proces intervin mai m ulte enzime, Ele a c tio n e a z a p recu m c u rso ru l u n u i ferm oar, despartind cele doua catene. Separarea este treptata, poniita din punctul de initiere si se continua progresiv spre un punct term inus, A stfel, in plin proces de replicare, macromolecula de ADN capata forma literei MY“ . Punctul de ramificare a m acrom oleculei de ADN Fig. 18 » S chcina repiicatiei ADN se numeste bifurcatie de replicare (fig. 18). Desfacerea leg atu rilo r p ro g reseaza p an a la ce la la lt capat al biomoleculei helicoidale. Ar urma sa apara doua catene polinucleotidice izolate, ceea ce nu se intampla deoarece, pe m asura ce spirala se desface si procesul avanseaza, incepe refacerea ei.

15

din

Au rezultat doua macromolecule

hidrogen, macromolecula de

citoplasm£ se ataseaza pe

de ADN bicatenar, fiecare avand o

ADN se separa in cele doua

baza de complementaritate

catena veche (care a avut rolul de

catene complementare

de catenele vechi.

model) si o qatenS nou sintetteatg.

Prin

ruperea

p u n tilo r de

N u c le o tid e le

lib e re

Fig. 19 • R cp licarea ADN du p £ m odelul sem ico n serv ativ

• Prin desfacerea puntilor de hidrogen se separa cele doua catene com plem entare ale dublului helix si ca urm are nucleotidele lor ram an expuse cu gruparile chim ice libere. • D ezoxiribonucleotidele libere din citoplasm a celulara se pot asocia succesiv, pe baza de complementaritate, cu cele incadrate deja in monocatenele ADN, ce joaca, in acest fel, rol de matrita. In acelasi tim p intre doua nucleotide aliniate suecesiv se realizeaza legatura ehim ica covalenta, fosfodiesterica ce uneste grupul 3' OH al primei nucleotide cu 5' fosfatul celei dc-a 2-a nucleotide. rezultand cate o catena polinucleotidica noua. Catenele replica raman atasate prin punti de hidrogen de catenele matrita. • Rezulta 2 m olecule fiice de ADN, identice cu cea initiala, care vor fi repartizate in cele doua celule fiice in timpul diviziunii. Fiecare m olecula de ADN confine o catena veche - m atrita si una nou sintetizata. Se poate spune astfel ca replicarea m acrom oleculei de ADN are loc dupa m odelul ’’sem iconservativ44, adica fiecare m olecula fiica de ADN mosteneste doar una din cele 2 catene ale moleculei parentale initiate, de ADN (fig. 19). Tipuri de ADN M odelul clasic de ADN, propus de Watson si Crick este caracteristic zonelor cu eucrom atina si reprezinta tipul B de ADN (fig. 2 0 ). In form a B , dublul helix ADN are rasucire dextrala si 10 perechi de baze per tur: un tur com plet al helixului are 34 A, iar inclinatia fata de orizontala planului perechilor de baze este zero. In alte conditii, m acrom olecula dublu-catenara de ADN se poate afla si sub alte forme structurale: tipul A si tipul Z. 16

Forma A a duplexului ADN arc ,de asem enea, rasucire dextrala si 11 perechi de baze/tur dc helix : pasul helixului are 28 A iar perechea de baze azotate are o inclinatie de 2 0 ° fata de orizontala. Forma Z prezinta seheletnl glucido-fosforic sub forma de z ig -zag ; are rasucire spre stanga,cu 1 2 perechi de nucleotide/turde helix.

Tipuri de AD N

Rotatia moleculei

A B Z

Perechi baze/pas elice

Dreapta Dreapta Stanga

Diametrul molecutei(A)

11

23

10

20

12

18

! ■| Retineti » Replicarca ADN este unica reactie in Univers, in care o m olecula preexistenta serveste drept model pentru sinteza a doua molecule fiice identice. Ea este posibila datorita structurii bicatenare a m acrom oleculei de ADN.

| /(P LIC h JII 1. Cele doua catene ale moleculei de ADN sunt complementare deoarece: A. Sunt opuse B. O baza purinica dintr-o catena se leaga cu o baz5 pirim idinica din cealalta catena C. Cele doua catene sunt antiparalele D. Exista legaturi esterice putem ice intre cele doua catene E. Legaturile electrostatice se desfac usor 2. Rcplicatia - autocopierea: A. Are loc cand celula se pregateste de diviziune B. In acest proces intervine ADN polim eraza C. Cantitatea de ADN se dubleaza D. Vor rezulta doua m olecule bicatenare de ADN E. Are loc in tim pul diviziunii celulare 3. Asociati,------------------------------------------------------notiunile din cele doua coloane: ---------------/. Caracteristici ale macro-

II. Argumente care sustin aceste caracteristici

moleculei de AD N 1. Dublu helix

A. Se stabilesc legaturi intercatenare intre o baza purinica si una pirim idinica 2. Catene antiparalele B. ADN-ul sintetizat are numai o catena noua 3. Catene complem entare C. Are doua catene infasurate in ju ru l unui ax 4. Denaturare D. Cele doua catene sunt legate prin legaturi duble si triple de hidrogen 5. Replica este sem iconservativa E. La incalzire spre 100°C puntile de H se rup 6 . Renaturare F. Prin racire treptata cele doua catene se atrag datorita complem entaritatii intre bazele azotate 7. ADN denaturat G. Prin racire brusca ADN ram ane m onocatenar H. Legaturile intre doua nucleotide succesive sunt de tip 5' - 3' intr-o catena si de tip 3'- 5' in cealalta catena.

17

4. Adevarat sau fals? a) in plin proces de replicare macromolecula de ADN capata forma literei ”Y“ deoarece separarea celor doua catene este treptata pornita din punctul de initiere pana la punctul terminus. b) Replicatia ADN se realizeaza cu inalta fidelitate deoarece datorita com plem entaritatii, nucleotidele libere se vor organiza form and o catena noua pe langa fiecare din cele doua catene vechi (care functioneaza ca o m atrita).

M edtlarto slruclurii dublu cattnors q ADN-ului M aterialenecesare : carton sau placaj, trusa traforaj, echer, com pas, culori diferite, sarma de cupru sau alum iniu de grosimi diferite, ace cu gamalie.

M od de lucru , 1. Desenati pe carton sau pe placaj modelele bazelor azotate purinice ( 1 0 cm) si pirimidinice (5 cm). 2. Decupati modelele si colorati-le: Aportocaliu; G- galben; T- rosu; C- rosu deschis; Realizati circa 30 40 de copii pentru fiecare baza azotata. 3. Desenati modelul dezoxiribozei ca cel din figura si stabiliti pozitiile carbonului 3 ’ si 5' . Realizati 3 0 - 4 0 copii de culoare verde. 4. Desenati un patrat cu latura de 3 cm, reprezentand radicalul fosfat; relizati 30 - 40 copii de culoare albastra. 5. Stabiliti o succesiune de baze azotate pentru una din catenele dublei elice. 6 . Pe principiul complementaritatii, stabiliti cu ajutorul decupajelor bazelor azotate, succesiunca de pe catena complementara. 7. Legati bazele azotate de la cele doua catene prin punti de hidrogen (doua intre A - T sau T A si trei intre G - C sau C - G), folosind sarme cu diam ctru mai mare. 8 . L e g a ti b a z e le a z o ta te de dezoxiriboze prin sarme mai subtiri. 9. S ta b iliti le g a tu r ile in tre dezoxiriboza si radicalul fosforic, urmarind regula ca la o catena aceasta legatura sa fie de la C s ’ -> C3’, iar la com plem entara de la C 3’ *> C 5.. A 10. Incercati sa imperecheati purine cu purine si pirim idine cu pirim idine si observati grosimea machetei rezultate. 18

Structure si tlpurile de ARN Sfi ne reaminlim ! D aca ADN reprezinta substanta m acrom oleculara cu functia primara ereditara. ARN este implicat indeosebi in realizarea decodificarii informatiei ereditare.

S tru c tu ra AR N Acidul ribonucleic-ARN este o substanta macromoleculara avand o structura primara monocatenara, cu m olecula constituita,de regula, dintrun singur lant polinucleotidic, in care in locul timinei se afla uraciluh iar in locul dezoxiribozei se afla riboza (fig. 2 1 ). Reamintiti-va componentclc unci nucleotide! Legaturile dintre nucleotidele succesive sunt.ca si in A D N Slegaturi diesterice realizate intre radicalul fosfat si pentoza (riboza). La unii acizi ribonucleici cu catena polinucleotidica mai lunga, ARN se pliaza iar partile pliate pot fi legate prin punti de hidrogen tot pe baza de complementaritate. M oleculele de ARN, nu pot avea dim ensiuni foarte mari, deoarece cu cat creste numarul nucleotidelor (peste cateva mii) cu atat stabilitatea moleculei scade. S in te z a A R N ( tr a n s c r ip tia ) se re a liz e a z a to t pe b aza complementaritatii bazelor azotate ca si in cazul replicatiei ADN. Cele doua catene ale macromoleculei de ADN se despart, pe intervalul care urmeaza a fi transcris, numai ca de data accasta va actiona ARN polimeraza. Acum va transcrie numai una din catenele moleculei de ADN. Catena de ADN care functioneaza ca matrita pentru sinteza ARN, se numeste catena sens. ADN

Uracil

O ij^ O

NH2

9

NH2 Guanina

Fig. 2\ • S ch em a ■ m acrom olcculei d e ARN

ADN

D g:

Pm p#

ADN ♦p

p# p# p*

P^ p«

SG SG

«p #p

o p# B

•

p

G ■ Dt D

ADN ARN p. * v P# P SM V p# »

mam * #P V

g;

p

v:/

p# d h

0

0

#p

TRANSCRIERE

REPLICARE

ADN

DB

*P «p O'

0

© *

d #p

ARNr

RIBOZOMUL C)

Locul sin tezei pro teice

ARNr ARN ribozom ai intra in stru c tu ra ribozom ului Fig. 24 • T ip u ri dc ARN

c.

A R N ribozomal (ARNr)

intra in structura ribozomilor. alaturi de proteinele ribozomale, atat la procariote cat si la eucariote. El este sintetizat tot prin transcriere din ADN, dupa care catena de ARNr, se pliaza form and portiuni bicatenare datorita com plem entaritatii bazelor azotate (fig.24,c). Un ribozom este format din 2 subunitati care vor recunoaste (tot pe baza com plem entaritatii) si vor atasa intre ele nucleotidele de recunoastere de la inceputul moleculei de ARNm.

ftetineti ! Transcriptia (transcrierea) genica este procesul complex de copicre a informatiei genetice purtata in secventa de dezoxiribonucleotide a genei (ADN) intr-o secventa com plem entara dc ribonucleotide cu sinteza diferitelor tipuri de ARN celular. ARNm - purtator de mesaj genetic ARNt - tra n sp o rte d ! de am inoacizi la ribozomi A RNr com ponent al ribozom ilor • sediul sintezei proteice.

|

/4PLICNTII

1. Asociati notiunile din cele doua coloane: /. Tipuri de A R N II. Functii d eA R N 1. ARNm A. Este material genetic pentru viroizi 2. ARNt B. Transfera am inoacizii la ribozomi 3. ARNr C. Copiaza inform atia genetica a unci catene din m acrom olecula de ADN 4. ARN viral D. Se autocopiaza E. Intra in alcatuirea ribozom ilor asociat cu proteinele

21

2. ARN mesager: A. Constituie m aterialul genetic al eucariotelor B. Are succesiunea nucleotidelor com plem entara cu a ADN-ului copiat C. Are portiuni bicatenare D. Este intotdeauna m onocatenar E. Are o greutate m oleculara variabila 3. ARN de transfer ARNt: A. La un pol se ataseaza un anum it am inoacid B. M olecula este monocatenarS si are lungimi diferite C. Are m olecula form ata din 70 - 90 de nucleotide D. Transporta am inoacizii la nivelul ribozom ilor E. La un pol contine o secventa de trei nucleotide care recunoaste o anum ita secventa a ARN ribozomal unde se aseaza pe baza com plem entaritatii 4. ARN ribozomal: A. Este sintetizat prin transcriere din ADN B. Intra in alcatuirea ribozom ilor asociat cir proteine C. Prin pliere formeaza portiuni bicatenare datorita complementaritatii bazelor azotate D. Este purtator al informatiei genetice la virusuri E. Transporta aminoacizii la ribozomi - locul sintezei proteice 5. Adevarat sau fals? A. ARN m esager (ARNm ) are rolul de a copia inform atia genetica dintr-un fragm ent de ADN deoarece m olecula de ARNm are portiuni bicatenare care li dau forma unei frunze de trifoi. B. ARN de transfer (ARNt) este specializat pentru aducerea am inoacizilor la locul sintezei proteice deoarece m acrom olecula de ARNt are doi poli fu n c tio n a l. C. ARN este purtatorul unic al informatiei genetice deoarece ribovirusurile si viroizii nu contin AD N .

funetio eutocotolitic& si h*t*rocotalitic 6 9

9

Sfi ne reamintim ! Informatia ereditara este inscrisa in ADN sub forma de codificare biochimica, adica sub forma unei secvehte date de baze azotate. Ea se poate autoreproduce si poate fl transferata prin transcriere genetica, pe baza principiului complementaritatii. diferitelor molecule de ARN. Dintre acestea. ARN m esager este singurul purtator de mesaj genetic si supus traducerii la nivelul ribozom ilor- sediul sintezei proteice.

Materialul genetic indeplineste doua funtii importante: - autocatalitica - reprezentata de rcplicatia ADN-ului; - heterocatalitica - reprezentata de biosinteza proteica. Conform dogmei centrale a geneticii (fig.25) informatia genetica se reproduce prin

22

replicatie si este decodificata(transform ata intr-o proteina spccifica) prin transcriptie si translatie. 1. Functia autocatalitica consta in capacitatea m oleculelor de ADN de a se autoreproduce cu inare fidelitate dupa modelul semiconservativ. Reamintiti-va modul cum se realizeaza replicatia A D N !

ADN t r a n s c r ip t ie !

I

Studiul ciclului celular (fig. 26) a relevat existenta unei anum ite ARN -m constante a dinamicii cantitatii de ADN in celule. Astfel,in interfaza - prima TRANSLATIE faza a ciclului celular - exista mai m ulte perioade: Proteine -perioada 6 7 - primul gol sintetic, cand cantitatea de ADN din celula ramane constanta; crom ozom ii sunt m onocrom atidici, fiecare este format Fig. 25 • D ogm a dintr-o m acrom olecula de ADN formata din doua crom onem e (2 C); cc n tra la a geneticii -perioada S de sinteza, in care arc loc replicarea ADN care se incheie cu dublarea cantitatii de ADN; crom ozom ii devin bicromatidici, format! din doua m acrom olecule de ADN ce contin patru crom onem e (4 C); - perioada G2 - al doilea gol sintetic, in care se prezerva cantitatea dubla de ADN (4C). In timpul diviziunii cclulare - a doua etapa a ciclului celular cantitatea de ADN este variabila in diferitelc faze ale procesului. Astfel in profaza si metafaza mitozei cromozomii sunt bicromatidici. iar cantitatea de ADN din celula este aceeasi cu cantitatea de ADN a celulei ce a intrat in diviziune. In anafaza, crom ozom ii redevin m onocrom atidici prin clivarea longitudinala a celor bicromatidici migreaza spre polii celulei si in final (la sfarsitul telofazei) rezulta doua celule fiice cu acelasi numar de crom ozom i si ? aceeasi » cantitate dc ADN ca si T celula mama. Diviziunea meiotica, care se desfasoara in organele reproducatoare ale organism elor pomind de la celule diploide (2 n), determina form area celulelor haploide (n) si reduce la jum atate numarul de cromozomi si respectiv, cantitatea de A D N f Astfel, in tim p ce celulele somatice au o cantitate dubla de ADN celulele gametice vor avea doar jum atate. Cantitatea de ADN sedubleazain urma singamiei gametilor si formarii zigotului diploid. Filam ent 2. F u n ctia h etero ca ta litica nuclear consta in faptul ca materialul genetic are duplicat Inceputul Individualizarea ca p a c ita te a de a d e term in a sin teze d u p lic a rij^ j^ ... Filamentul crom ozom ilor spccifice de proteine, cu o anum ita nuclear bicrom atidici secventa de aminoacizi. despiralizat C a lita tile f iin te lo r v ii se intem eiaza in ultim a analiza pe doua entitati: pe aceea pe care biochim istii o C3 numesc proteina si pe aceea pe care s IN T E R F A Z A geneticienii o num esc genii (ADN). O w Q. Prima este unitatea de executie chimica, M IT O Z A care confera structura corpurilor vii. Cea ft- Decoridensarea Q * crom ozom ului de-a doua este unitatea ereditara care r ^ y dirijeaza, in egala masura, reproducerea % ^ Separarea # celor 2 unei functii si variatia ei. Una comanda, & crom atide cealalta realizeaza (Fr. Jacob, 1972). Proteinele sunt m acrom olecule X Crom ozom i A n a fa z a formate din aminoacizi; sunt polimcri de foarte aminoacizi. Polimerizarea aminoacizilor, condensati r e a liz a ta la n iv e lu l rib o z o m ilo r, presupune tbrmarea de legauiri sau punti Fig. 26 t E voiutia unui crom ozom in c u rsu i ciclului celula

\

*

23

peptidice mire gruparea carboxil (-COOH) a unui aminoacid si gruparea amino (NR,) a altui aminoacid, cu eliminarea unei m olecule de H ,0 . Form area de punti peptidice succesive determina polimerizarea aminoacizilor liberi. adica includerea lor intr-o catena polip 6 ptidica. Aeeasta reprezinta structura primara a proteinei. Uncle proteine sunt alcatuite dintr-o singura catena polipeptidica, altele din mai multe catene polipeptidice identice, iar altele din mai multe catene polipeptidice diferite. Dupa sinteza catenei polipeptidice, prin interactiunea aminoacizilor sai (in anumite conditii de temperatura, de pH) prin interm ediul unor punti de hidrogen sau a unor punti bisulfidice ( - S - S) m acrom olecula proteica poate capata o structura secundara cu configuratii bi sau tridimensionale. Cu toate ca la alcatuirea proteinelor participa numai 20 de aminoacizi numarul si varietatea acestora sunt imense. Specificitatea proteinelor este data de: - numarul dc aminoacizi si succesiunea acestora in cadrul catenei polipeptidice; - numarul de catene polipeptidice si structura acesteia; - rolul fiziologic indeplinit etc. Unele proteine au rol structural in viata celulei. iar altele au rol functional. Cele mai multe proteine functioneaza ca enzime. Fiecare enzim a catalizeaza o anum ita reactie biochimica. Aceste reactii lanturi metabolice. Prin transformari succesive celula * se succcd intr-o ordine stricta si formeaza ? • poate produce substante asa numitul produs final - care satisfac nevoile celulei sau organismului si care confers organism elor anum ite caractere fenotipice.

Codul genetic Informatia necesara sintezei proteinelor, care detin un limbaj de 20 de semne (aminoacizi) este depozitata in m oleculele de ADN care detin un limbaj de 4 sem ne (baze azotate). Pentru traducerea limbajului de 4 sem ne al nucleotidelor in limbajul de 20 dc semne al am inoacizilor este nevoie de un "di.eti.onar “ pc care natura l-a inventat la inceputurile vietii si care se num este "codulgeneticu (fig. ______ _ _______ 27, fig. 28). El reprezinta un sistem biochimic prin care se stabileste relatia nuelodNd.i 2 nuclonuctootid.n ottd.i dintre acizii nucleici si proteine si consta 1 y C A G in c o r c s p o n d e n ta d in tre fie c a re ForsilaUnina S 3', proces realizat prin aditia unui ribonucleotid 5' fosfat la capatul 3 OH al ribonucleotidului precedent; c. faza de incheiere: se poate realiza direct prin intalnirea unui codon "stop " in cadrul secventei transcrise din ADN sau indirect prin interventia unui factor proteic de terminare. La procariote se copiaza informatia genetica a mai multor gene succesive, iar ARNm codifica mai multe proteine de care cclula are nevoie in momentul respectiv. La eucariote se copiaza dc regula inform atia geneticS a unei singure gene rezultand ARNm precursor. Apoi anum ite enzim e sectioneaza m olecula ARNm precursor, separand secventele informationale (exoni) de secventele noninform ationale (ititroni). Alte enzime leaga exonii intre ci si rezulta ARNm m atur care va ajunge la ribozom i prin difuziune (fig.30).

Translatia (traducerea) Are loc la nivelul ribozomilor. Este meritul lui George Emit Palade de a fi deseoperit ribozomii ca organite celulare, la nivelul carora se face asam blarea aminoacizilor. Pentru aeeasta el a primit prem iul Nobel in 1974. Daca ADN-ul celulei poate fi com parat cu un institut de arhitectura care poseda planurile alcatuirii corpului victuitoarelor, ribozomii INCEPUTUL SFARSITUL sunt adevaratii zidari. I GENEI GENEI J Pentru ca translatia sa aiba loc trebuic ^ fR C ^ T e X O N 'IN T R O f ADN 2L . mai intai ca toti factorii implicati sa ajunga la locul sintezei proteice. TRANSCRIERE

ARNm PRECURSOR

gflNTRMi EXON -INTRON

2 :1—:—3--- 2■ 3 !------------E L F M IN A R E A IN T R O N IL O R

ARNm MATUR

i

!

EXON

3

*

TRANSLATIE

♦

CATENA POLIPEPTIDICA

Fig. 30 * T ra n s c rip tie la e u c ario te

26

NUCLEUL CITOPLASMA

1) ARNm recunoaste locul sintezei datorita prim elor nucleotide ale sale care form eaza o secventa de initiere. Ea atrage cele doua subunitati ale ribozom ului care acum se cupleaza prinzand intre ele capatul m oleculei ARNm. La eucariote, ARNm incepe cu codonul AUG care corespunde m etio n in ei. Deei p rim u l am in o acid al m oleculei proteice va fi m etionina care ulterior poate fi inlaturata. ) In tre tim p , in c ito p la s m a aminoacizii sunt pregatiti pentru sinteza in 2 faze: a) In prim a faza am inoacizii sunt activati prin rcactia cu ATP care le va dona energie 2

AA+ATP

am ' n° - - L » smtetaze

AA ~ A |4 P + P - P

AA = un am inoacid oareeare; ATP - acid adcROzintrifosforic; AM P - acid adenozinm onofosforic: P ~ P pirofosfat; ~ - legatura ehim ica purtatoare de energie

b) Apoi am inoacidul activat se ataseaza unei m olecule de ARN de transfer (ARNt): aminoaci 1 , A A ~A M P+A RN t —7 —7 — 7— —— ► AA - ARNt + AMP. S liilc lc iZ t

AM P va fi „ reincdrcat“ cu energie prin fosforilare (AM P + P ~ p ------►ATP ) la nivelul mitocondriilor, deci este „reciclahil'\ Un anum it am inoacid se ataseaza numai la acea molecula de ARNt care la polul opus are anticodonul corespunzator, adica un grup de 3 nucleotide complementare codonului; exemplu: ARNt care ataseaza lizina contine anticodonul UUC. 3) Acum poate incepe etapa translatiei (traducerii), adica sinteza propriu-zisa a proteinei. Ea presupune trecerea ARNm printre subunitatile ribozomului ca o banda m agnetica prin dispozitivul de citire al unui casetofon. In spatiul dintre cele dQua subunitati este loc pentru numai doi codoni ai ARNm.

***Pentru intelegerea modului in care se ordoneazd aminoacizii in succesiuneaprogramatd genetic, urmariti schema din fig. 31. Ea prezinta un moment din etapa translatiei, cand deja prin ribozomi au treeut primii 5 codoni. Amintiti-va ca informatia din ARNm este codificata in sensul 5’ — ►3', deci ordinea nucleotidelor din ? >chem$se citeste de la dreapta la stanga: pe schema, molecula ARNm se deplaseaza spre dreapta, iar nbozomul spre stanga. Primii trei codoni nu mai apar in desen. Asa cum stiti primul codon al lantului y

ARGININA AA 7

ARN de transport

AM INO ACID ATASAT

cliberat

ARNt

Translatia continua formand lantul polipeptidic

> ARN DE TRANSPORT

Incepe

Translatia ANTICODON Serina

ARNt,

Serina AAK

ARNm

Citirea informatiei se face in sens 5*-3'

Rilxwom In procesul de translatie este necesarS participarea urmStoarelor proteine: 1. Factori de initiere

- pentru inceperea translatiei

2. Factori de elongatie

- pentru continuarea traducerii

3. Factori de terminalizare - pentru incetarea traducerii si eliberarea lantului peptidic

Fig. 3 1 • T ra n sla tia

27

ARNm a fost AUG, iar primul am inoacid al lantului in curs de formare (A A ) este metionina. Acum in cele doua spatii disponibile din ribozom se afla codonii UCG si AGG, In dreptul lor au fost atrase moleculele de ARNt care poseda anticodonii complementari AGC si UCC, iar la polul opus prezinta am inoacizii serina (AA6) si arginina (A A ?). Cei doi aminoacizi sunt acum foarte aproape unul de altul. In acest moment sub actiunea enzim ei peptid polimeraza, intre ei se form eaza o legatura peptidica. Ca urmare, lantul polipeptidic s-a m arit de la sase la sapte aminoacizi. In momentul urmator, ribozomul se va deplasa cu un codon spre capatul 3' al ARNm (spre stanga). Codonul AGG se va deplasa in ribozom in spatiul din dreapta imprcuna cu ARNt care poarta aminoacidul arginina (AA7) legati de toti ceilalti sase aminoacizi ai catenei in curs de formare, Acum, in spatiul din stanga va ajunge un codon AGG care va atrage ARNt cu anticodonul UCC. A cesta are atasat am inoacidul AA 8, care asa cum rezulta din tabclul cu codul genetic, este tot arginina. La fel ca in momentul anterior, peptid polim eraza va determ ina formarea legaturii peptidice intre cele doua molecule de arginina, aminoacizii din pozitiile 7 si 8 . in acelasi timp, ARNt care adusese aminoacidul serina la locul sinteza a iesit din ribozom fara aminoacidul respectiv. M olecula de ARNt va putea acum sa ataseze alta m olecula de serina, deci ARNt este reciclabil. Ce aminoacizi sunt in pozitiile 4, 5 si 9? Pe masura ce ARNm este deplasat codon dupa codon, informatia este tradusa din limbajul polinucleotidic in limbajul polipeptidic si lantul de aminoacizi se lungeste. Deplasarea moleculei ARNm continua pana la codonul cu sem nificatia ”stop“ care indica sfarsitul sintezei. Aceeasi molecula de ARNm trece succesiv prin mai multi ribozomi (se formeaza poliribozomi) si pe baza ei se form eaza mai m ulte exem plare din m olecula proteica respective Producerea unui num ar exagerat de exem plare este prevenita prin distrugerea ARNm utilizat. Dupa ce molecula de ARNm a iesit dintr-un ribozom, cele doua unitati ale ribozomului se despart si se vor reuni in jurul secventei de initiere al altei m olecule de ARNm.

I

Retineti I

O rganism ele nu transm it urm asilor caracterc ci inform atia necesara pentru constituirea lo r C elula ou contine

"planuldefabricatie" al viitorului organism constand in program e care determ ina diviziunile eelulare (m itoze, lim ite, d ifercn tieri de celule, tesuturi si organe), bio sin teza m iilo r de su b stan te speeiftce, bioritm uri, com portam ente, etc. Din zigoti dcstul de asem anatori ca infatisarc pot rezulta: un greier. un salcani, o vaca sau un om , in flinctie de program ul genetic pe care ll contin. El este codificat sub form a unor lungi siruri de nucleotide din m oleculele de ADN. U nul din procesele prin care program ul genetic este m aterializat in structuri biologice este sinteza proteinelor.

dPLICfcTII t 1. Asociati notiunile din cele doua coloane: /. Codul genetic. Caracteristici 1. D egenerat 2. Nesuprapus 3. Fara virgule 4. Universal

28

//. Arguntetite A. In toata lumea vie aceeasi codoni codifica acelasi aminoacid. B. Nu exista nucleotide in plus intre codoni C. Doi codoni vecini nu pot avea nucleotide comune D. Acelasi am inoacid poate fi codificat de mai multi codoni ”sinonimi"

/. Transcriptia II. Tipuri de organisme 1. Se copiaza inform atia genetica a unei singure gene A. Procariote 2. Se copiaza inform atia genetica a m ai multor gene succesive B. Eucariote 3. A RNm codifica mai m ulte proteine de care celula are nevoie in momentul respectiv 4. ARNm precursor contine secvente inform ationale (exoni) si secvente noninformationale (introni) 2. In fazele sintezei proteice actioneaza enzimele: 1. Peptidpolimeraze 2. ARN - polim eraze 3. Aminoacilsintetaze 4. Ligazele 3. Care este secventa de ARNm complementara urmatoarei succesiuni de baze azotate AGGCTATTC dintr-o catena de ADN: 1. TCGGUTAAG 2. UGCCUTAAG 3. TCCGATAAG 4. UCCGAUAAG 4. Codonul UGA: 1. Este codon stop in genomul nuclear 2. Codifica triptofanul in m itocondrii 3. Are sem nificatia ’’inceput de sinteza 11 4. Codifica m etionina

r

3

O R G A N IZA R EA MATERIALULUS GENETIC

M otcriolul g c iiflic ia virusuri si p recarfo ic M a te ria lu l genetic v ira l

Si ne reaminiim !

V iru su rile sunt entitati infectioase de nivel subcelular ale caror dim ensiuni variaza intre 80 - 2500 M a te ria lu l g e n e tic p re z in ta o A. Ele sunt alcatuite dintr-un invelis proteic numit an u m ita o rg a n iz a re Tn fu n ctie dc capsida virald si un m ie z - genomul viral, reprezentat gradul de com plexitate al sistem eior de un acid nucleic. Un astfel de virus m atur (complet) b io lo g ic e . S is te m e le a e tu a ie se num este virion . In afara acestei stari de existenta, nucleoproteinice se grupeaza in doua » >* virusurile se mai pot afla si sub alte form e: categorii distincte: sisteme acelulare si - virus vegetativ - acidul nucleic aflat liber in celulare. Din catcgoria sistem elor citoplasma celulei g a zd a ; acelulare fac p a rte : virusurile. virotii, - provirus - acidul nucleic integrat Tn cromozomul plasm idele si p r io n ii . S iste m e le unei celule gazda. celulare cuprind la randul lor doua Virusurile se deosebesc esential de toate celelalte tipuri de organizare: procarioia si sisteme biologice, prin aceea ca miezul lor de acid nucleic eucariota. este alcatuit fie din ADN, tie din ARN. Niciodata, in acelasi virus, nu se intalnesc am bele tipuri de acizi nucleici asa cum se intalnesc in oricc sistcm biologic cu organizare cclulara oricat de simplu ar fi el. Continand in virionul lor fie ADN, fic ARN, •. irusurile se clasifica in dezoxirihovirusuri si ribovirusuri. 29

Este important de retinut faptul ca, la ambele tipuri de virusi, informatia genetica se afla codificata in miezul dc acid nucleic viral care se mai num este crom ozom viral sau genom viral. M olecula de acid nucleic viral poate fi circular! sau lineara, m onocatenara sau bicatenara: -A DN viral m onocatenar (bacteriofagu! phi X 174); -ADN viral bicatenar (virusul herpetic, majoritatea bacteriofagilor-fig.32a) -A RN viral m onocatenar (virusul gripal-fig.32b, H IV -fig.32c , virusul mozaicul tutunului VM T) -A RN viral bicatenar (reovirusuri). Pe unicul crom ozom viral pot exista 4 gene (fagul M S J sau 135 gene (bacteriofagul T4). M olecula de acid nucleic viral are o lungim e variabila de la 3000 - 10000 nucleotide. Multiplicarea virusurilor. Desi virusurile detin in acizii lor nucleici codifiCate planurile arhitecturale ale formarii de noi particule virale, adica ale multipliearii lor, virusurile nu se multiplica, nu se tnmultesc. Virusurile sunt multiplicate (sunt inmultite) de celula gazda, deoarece toate virusurile sunt paraziti absoluti de nivel genetic, dependenti total de o celula gazda fie bacteriana, fie vegetala, fie animala. Niciodata o particula virala nu provine prin diviziunea unei particule virale preexistente. Virusurile sunt reproduse in celula gazda, oferind doar ”instructiuni“ (informatia ereditara) pentru a fi reproduse, iar celula gazda asigura substantele, echipamentul enzim atic si energia necesare. Genomul viral patruns in celula gazda, determina devierea proceselor de biosinteza caracteristice acesteia, astfel incat celula gazda va efectua sinteze noi dupa modelul furnizat de virionul decapsidat (numit virus vegetativ). Se sintetizeaza acid nucleic viral, proteine virale si apoi are loc asam blarea noilor componentc intr-un num arm are de virioni, dupa care, prin lizarea celulei gazda are loc eliberarea noilor virioni. Replicarea materialuluigenetic viral se realizeaza tot pe baza de complementaritate a bazelor azotate.,dar cu unele particularitati. La dezoxiribovirusuri catena ADN poate servi ca matrita pentru sinteza alteia. La ribovirusuri catena dc ARN poate servi ca matrita pentru sinteza alteia com plem entare, care la randul ei, devine matrita pentru sinteza ARN initial. In cazul retrovirusurilor (virusul HIV 1, agentul etiologic al SIDA), replicarea ARN se realizeaza cu ajutorul enzimei reverstranscriptaza. Aeeasta enzim a utilizeaza ca matrita ARN viral pentru sinteza unei catene de ADN. Rezulta, in prim a etapa un hibrid m olecular ARN - ADN dupa care ARN este hidrolizat, iar ADN com plem entar este trecut sub form a bicatenara si, sub aeeasta forma, se integreaza intr-unul din crom ozom ii celulelor im plicate in rcalizarea raspunsului imun la om, paralizandu-i activitatea: in acest fel organism ul infectat cu HIV 1 nu mai poate da raspunsuri imune la actiunea celor mai comuni agcnti patogeni. glicoproteine

anvelopS

bistra lipidic

miez de ADN capsida proteica

a)

■

miez viral

b) ARN

filament ---------miez de ADN

|

30

capsidS

Fig. 32 • a) B actc rio fa^ul T4; b) V iru su l g rip a l; c) N'iriisul F ll\'

revers transcriptaza p9. p7

B"

Chiar daca sunt sistem e supram oleculare, virusurile prezinta variabilitate genetica. In cazul dezoxiribovirusurilor se poate realiza recom binarea genetica prin crossing - over, iar in cazul ribovirusurilor variabilitatea se realizeaza, in special prin mutatie. Ca urmare apare o variabilitate genetica in cadrul populatiilor virale si respectiv o adaptare a lorm arita la conditiile variabileale mediului. De exemplu virusul gripal cu genom ARN m anifesta o atat de mare variabilitate incat fiecare epidem ic se datoreaza unei alte tulpini virale.

M aterialul genetic la P ro cariote Organizarea Procariota caracterizeaza bacteriile si algele albastre verzi (numite si cianobacterii), Toate aceste forme prezinta structura cclulara cu dim ensiuni cuprinse intre 1 $i 1Onm. O celula bacteriana este alcatuita din citoplasma, delimitate de membrana plasmatica, protejata la exterior de un perete celular. In celula se distinge o regiune centrala care reprezinta nucleoidul. Nucleoidul nu este separat fata de citoplasm a printr-o structura m embranara. astfel ca el nu poate fi socotit un nucleu adevarat. Corespondentul nucleoidului este cromozom ul bacterian de forma circulara. El reprezinta suportul fizic al unicului grup de inlantuire a genelor (aproxim ativ 2000 - 3000 gene). Ca urmare toate genele de la bacteria mam a se transm it in bloc la bacteriile fiice. Cromozomul are o lungime de 1000 de ori mai mare decat diam etrul celulei. contine o m acrom olecula de ADN circulara cu aproximativ 40-50 buclc si superrasuciri (circa 400 pcrechi nucleotide / bucla) care sunt mcntinutc prin interm ediul unor m olecule de A RN (fig. 33), Crom ozomul bacterian este atasat de m embrana plasmatica a celulei bacteriene prin interm ediul unei structuri derivate din aeeasta, carc este numit mezozom. In afara crom ozom ului circular bactcrian (suportul grupului principal de gene), se pot afla in citoplasm a celulei bacteriene, una sau mai multe structuri ereditare aditionale. Aceste structuri extracrom ozom iale, separate fizic de crom ozom ul principal, au fost denum ite plasmMe. Plasmida este o molecula circulara de ADN bicatenar care reprezinta 1% din cromozomul bacterian principal. Ea reprezinta un m inicromozom ce poarta 6 - 8 gene P 6 « » te Nfembrana calulAr si care se rep lica in d ep en d en t de cro m ozom ul pfcramaOca principal. Ca exem ple de plasm ide pot fi considerate 'dc tonil de sex (factoml F) sau factond de rezistenta la antibiotice (factond R). Plasmidele pot fi transferate 2.5 M de la o celula la alta, pot suferi mutatii, pot fi pierdute >au pot fi redobandite de catre celula bacteriana, ADN D atorita acestor procese, o populatie bacteriana dtxaoml ^ cromozomul prezinta o mare heterogenitate, ceea ce reprezinta un bacterian 1----- 1M avantaj selectiv pentru adaptarea la mediu a bactcriilor. S e o b s e rv a c ro m o z o m u l circular atasat da Studiul plasmidelor a trezit interes deosebit din partea membrana plasmatica cercetatori lor mai ales cand s-a constatat ca ele detin 30,^ Intr-o Invaginaro = mezozom genele de rezistenta la antibiotice - m arkeri genetici foarte im portanti si foarte usor de d e celat prin antibiograme, In ultimul timp studiul plasm idelor bacteriene 1. Cromozomul circular suscitat un interes mai mare, cand s-a constatat ca bacterian ■> 2. Bude ele pot fi folosite in experiente de inginerie genetica 3. Superrfisudrl vehiculi cu ajutorul carora pot fi introdusi in celula b a c te ria n a , g en e dc la e u c a rio te . P la sm id e le reprezinta un elem ent esential in tehnoJogia ADN Fig. 33 • C ro m o zo m u l b a c te ria n recombinat. 31

1 ftetinefci r t ! La virusuri, genomul este reprezentat de un singur crom ozom de form a circulara sau lineara pe care sunt dispuse genele intr-o anum ita ordine. Cromozomul viral este reprezentat de o m acrom olecula dc ADN sau o m acrom olecula dc ARN. * La bacterii crom ozom ul are forma circulara si este reprezentat de o m acromolecula de ADN bicatenar care-si pastreaza structura cu ajutorul unor m olecule de ARN.

1. Asociati notiuniie: J— J /.

-

Sisteme de organizare

A. Ribovirusuri B. Dezoxiribovirusuri C. Bacterii

II. Material genetic

----

II. Materialulgenetic 1. Crom ozom circular ce contine ADN si > > ARN 2. Crom ozom ce contine ADN 3. Crom ozom ce contine ARN -------------------------------------------------X- - -----—

II Caracteristici

A. Crom ozom viral B. Crom ozom bacterian C. Plasmid

1. M ezozom 2. Factorul F 3. 1% 4. 2000 - 3000 gene 5 .3 - 200 gene 6 . Bucle si superrasucuri

2. Explicati replicarea materialului genetic la retrovirusuri. 3. Explicati procesul de variabilitate la virusuri si bacterii. 4. Motivati de ce virusurile nu au un metabolism propriu.

M aterialul genetic la eucariote Sfi ne reamintim ! Eucariotele sunt organisme a caror celule poseda nueleu tipic Tnvelit in membrana nucleara.

Materialul genetic la eucariote se afla in nuclcul celular dar si in citoplasma mai precis in mitocondrii, cloroplaste,etc.

1. La nivelul nucleului materialul ereditar este organizat intr-o substanta numita cromatina . Cromatina este forma interfazica a cromozom ilor.

adica a structurilor caracteristice ce apar evident la eucariote doar in timpul diviziunii nucleare. La eucariote crom ozom ii au o arhitectura foarte com plexa, fiind alcatuiti din 13- 15% ADN. 12-13% ARN crom ozom ial; 68-72% proteine histonice si nonhistonice, mici cantitati de lipide. ioni de M g2" §i Ca2". Com ponenta cea mai im portanta a crom ozom ului eucariotic este ADN. El poate fi impartit in doua categorii: secvente unice de nucleotide in care sunt incluse genele si secvente repetitive, reprezentate de una sau mai multe fractii de ADN, in care anumite secvente de nucleotide se repeta de un num ar variabil de ori (de la 10 2 - 10 6 ori). Acest ADN repetitiv este de obicei noninform ational, adica nu contine gene stru c tu ra l, ci indeplineste alte roluri, mai ales in reglajul genetic, diferentierea cclulara si evolutia materialului genetic. In cromozomii eucariotelor, secventele de nucleotide repetitive sunt intercalate cu secvente unice, nonrepetitive. Cromatina prezinta doua stari functional© altern ativ e si reversibile: eucromar;>;j si

heterocromatina. 32

E ucrom atina

p re z in ta proprietati de colorare norm ale cu c o lo ra n ti b a z ic i si un c ic lu de condensare standard (condensare in Cromatide Cromozom metafazic d iv iz iu n e si d e c o n d e n s a re in interfaza). La nivelul eucromatinei se a fla s e c v e n te u n ic e de A D N . * Cromatina Eucrom atina reprezinta partea activa genetic in tran scrierea crom atinei interfazice, la nivelul ei aflandu-se cea m ai m are p a rte din p r o te in e le Nucleosomu! n o n h isto n ic e c are c o n d itio n e a z a Format dintr-un octamer histonic functionarea materialului ereditar in Tnconjurat la exterior replicare sau in transcriere. de un segment din ADN alcatuit din 140 Heterocromatina are un ciclu perechi de nucleotide atipic de condensare. Ea reprezinta dispuse sub forma a dou3 inele la varful si la baza crom atina care este condensata si in octamerului LegStura dintre doi nucleosomi Proteine histonice interfaza cand apare sub form a de se realizeaza printr-o cesventa HjA. H jB. crom ocentri. La nivelul ei replicarea de ADN de cateva zeci de nucleotide ADN este intarziata si este inactiva in unite prin interme­ ■■ 5 diul unei proteine tra n s c r ie r e . D aca e u c ro m a tin a histonice Ht c u p rin d e g e n e le m a jo re , ADN heterocrom atina prezinta mai ales functii reglatoare. Crom atina eucariotelor este un lant flexibil alcatuit din unitati care se Fig. 34 4 M a te ria lu l gcnetic la e u c ario te repeta si care se numesc nucleosomi (fig.34). Fiecare nucleosom are forma unui cilindru turtit format dintr-un octamer de proteine histonice (H 2A, H 2B, I \v H 4 luate cate doua) inconjurat la exterior de un segment de ADN alcatuit din 140 perechi de nucleotide* Acestea form eaza o pereche de inele la varful si la baza cilindrului. Legatura dintre doi nucleosomi se realizeaza cu ajutorul unei secvente de cateva zeci de nucleotide care se gasesc unite cu un alt tip de histone H.r Din com plexarea ADN cu histonele rezulta complexul nucleohistonic, care alcatuieste fibra de cromatina. Nucleii si cromozomii eucariotelor contin asem enea fibre de cromatina al caror diametru este de 100 300 A. Fiecarui crom ozom eucariot ii corespunde o singura fibra de crom atina nucleohistonica si deci, asem anator crom ozom ului procariot, o singura m olecula dublu catenara de ADN. Crom atina nuclcului in terface ca si crom atina crom ozom ului in diviziune contine si variate proteine nonhistonice. Nonhistonele sunt foarte heterogene. Ele prezinta specificitate de specie si dc tesut. N onhistonele apar ca activatori specifici ai genelor eucariote. Prin fosforilarea nonhistonelor crestc rata de transcriere. Descoperirea ca atat cromatina interfazica cat si cromozomii in timpul diviziunii, prezinta aceeasi structura nucleosomala fundamentala, demonstreaza continuitatea organizatorica a materialului genetic de-a lungul intregului ciclu celular. De fapt cromozomii nu dispar in interfaza. Individualizarea lor in profaza diviziunii este un aspect de fenotip crom ozom al realizat in vederea desfasurarii cu mare exactitate a evenimentelor distributive ale ciclului celular, adica repartizarea aceleiasi informatii ereditare in celulele fiice prin distributia unui num ar egal de cromozomi in aceste celule. Pregatirea celulei pentru diviziune presupune atat dublarea cantitatii de ADN cat si a substantelor asociate, adica a Tntregii cantitati de cromatina.Fiecare cromozom este deja dublu la inceputul mitozei 33

sau meiozei, asa ca acum o celula diploida din punctul b - cromozom submetacentric de vedere al numarului de crom ozom i, este tetraploida c - cromozom subtelocentric din punct de vedere al cantitatii de crom atina.Acum d - cromozom acrocentric 3 fiecare crom ozom este format din doua crom atide. Ele 4 sunt identice din punct de vedere al informatiei subtiri, paralele si unite prin tr-o zona num ita centroraer, Cromatidele reprezinta de fapt cromozomii-fii care inca nu s-au despartit. La inceputul profazei cromozomii devin vizibili la m ie ro s c o p u l o p tic d e o a re c e se s p ira liz e a z a , mgrosandu-se si scurtandu-se. Ei ajung in metafaza la o condensare m axim a. Acum ei au num arul, form a si Fig.35 • T ip u ri de crom ozom i marimea caracteristiee fiecarei specii si aeeasta proprietate constituie un important caracter taxonom ic. Prin distrugerca fusului de diviziune, cromozomii se vor dispersa din planul ecuatorial al celulei putand fi fotografiati la microscop. Decupand im aginile si ordonandu-le in perechi num erotate in ordinea descrescatoare a marimii se obtine cariotipul speciei respective. Pozitia centrom erului este un caracter m orfologic constant, un criteriu de elasificare a crom ozom ilor (fig.35). 2. In citoplasma celulelor eucariote s-a evidential existenta unui material genetic propriu reprezentat de ADN din organitele celulare (ADN mitocondrial, ADN cloroplastic) numit ADN a - q ro m p z o m

m e ta c e n tr ic

extranuclear. Acest ADN poseda unele insusiri particulare, ADN extranuclear se replica dupa modelul semiconservativ, dar nu in perioada S (de sinteza) a ciclului celular, ci independent de ADN nuclear. El se deosebeste de ADN nuclear al speciei respective prin greutatea moleculara si raportul A -r T / G 4 *C ceea ce face ca si viteza cu care se realizeaza denaturarea-renaturarea sa fie diferita, Datorita acestor deosebiri nu sc pot obtine hibrizi molecular! intre ADN nuclear si cel extranuclear. C om parativ cu ereditatea controlata de genele nucleare (ereditatc m endeliana) care se caracterizeaza prin aceea ca genele de la cei doi parinti, tata si mama, contribuie in mod egal la formarea constitutiei genetice a urm asilor (eredilate biparentala), ereditatea citoplasm atica sau nemendeliana se caracterizeaza mai ales prin transmiterea la descendenti a trasaturilor genetice mateme (ereditatc uniparentala - materna). Acest lucru se datoreaza faptului ca in marca majoritate a cazurilor numai gametul femel poseda atat nucleu cat si citoplasm a, in timp ce gametul mascul poseda in general numai nucleu.

I Retineli « r ! • Totalitatea genelor nucleare, num ite cromogene, fonneaza genomul. * Totalitatea genelor citoplasm atice, num ite plasmagene fonneaza plasmonul. Crom ogenele im preuna cu plasm agenele alcatuiesc genotipul. O rganism ele eucariote prezinta diviziune m itotica si meiotica, care asigura reproducerea echilibrata a materialului genetic, precum si posibilitati imense de diversificare aprogram elor genetice si deci de asigurare a variabilitatii genotipice.

n

^PLICNTII

1. Evidentiati principalele caracteristici de superioritate ale cromozomului eucariot prin comparatie cu cel procariot. 2. Care sunt principalele componente ale cromozomului metafazic ? 34

3. Aft'gctTraspunsurile corectc: a. nucleosomul este unitatea structurala a nucleoidului; b. nucleosomul este unitatea structurala a moleculei de ADN; c. nucleosomul este unitatea structurala a cromatinei; d. nucleosomul este unitatea structurala a plasm idului. 4. Asociati notiunile din cele doua coloane : 1 .cromozomi putem ic condensati; a. uneste cele doua cromatide; a b, format din proteine histonice; 2 .centromer; c. metafaza; 3.nucleosom; 4 cromozomi monocromatidici. d. o singura m acrom olecula de ADN *

Cvidentiereo cromozomilor uriosi w w lo Drosophila melanogaster Materiale necesare : lame si lam ele m icroscopiee, ac spatulat, solutie carm in-acetica, lampa de spirt, hartie filtru, larve de drosofila in stadiul III (inainte de impupare). M od de lucru. Se folosesc larve de stadiul III, de Drosophila, femele, care sunt mai mari decat cele mascule. *^ Glandele salivare sunt plasate in partea anterioara a corpului larvei legate de armatura bucala, care apare ca un punct negru. S C A IC Printr-o m iscare de sm ulgere se detaseaza aeeasta parte *®r Crom ozom i uria$i * «< anterioara a corpului care se pune intr-o picatura de carm inacetic in care sta circa 3 min. Se aplica lamela. Se aplica hartia de filtru. Se preseaza putem ic cu degetul mare pentru etalare. Se inlatura excesul de carmin, Se exam ineaza la microscop. •V

Descried si desenati ce observati!

Cvidenliereo cromozomilor prin metotfo ropidi de colorore cu solutie cormin-ocetlcA Materiale necesare: sticla cu dop rodat si cilindrii gradati de diferite capacitati ( ’ 00 pana la 1000 ml), vase Erlenmeyer, baloane de sticla, palnii de sticla, lampi de spirt, sticle de ceas sau cristalizatoare mici (25 m l), fiole de sticla, lame si lamele m icroscopice, hartie de filtru, pensa, ace spatulate, microscop. Dintre substante sunt necesare: acid acetic glacial, carmin, acid clorhidric nor­ mal (HC1 82,5 ml la 1000 ml apa distilata). Ca material biologic se pot folosi bulbi de ceapa, seminte de eeapa, cariopse de secara, orz etc. Mod de lucru. 1. Prepararea fvcatorului: apa acetica (45 ml acid acetic glacial + 55 ml apa distilata). 2. Prepararea colorantului: carm in- acetic 2% (apa acetica 100 ml + 2 g carmin pulbere). Se am esteca intr-un balon de sticla, se lasa sa fiarba circa 30 min. apoi se raceste, se filtreaza si se pastreaza in sticle brune cu dop rodat. 3. Pregatirea materialului biologic: se pun bulbii de ceapa cu discul (tulpina adevarata) in pahare cu apa la incoltit sau seminte de ceapa, cariopse de orz, secara etc. la germinat in cutii Petri, pe hartie de filtru um ectata cu apa. Cand radicelele au 1 cm lungim e se tree intr-o sticla de ceas sau o capsula de sticla cu solutie de carmin acetic 2 % la care se adauga cateva picaturi de acid clorhidric normal (9 parti solutie carm in acetic + 1 parte acid clorhidric normal). Se incalzeste la flacara unei 35

lampi dc spirt (5 minute radicelele de ceapa si 10-14 minute cele de cereale), evitand fierberea. Prin acest tratament se realizeaza concomitent fixarea (omorarea celulelor si pastrarea nealterata a morfologiei constituentilor citoplasm atici), hidroliza (inm uierea tesuturilor prin distrugerca partiala a lamelelor celulozopectice dintre celule) si colorarea cromozomilor. 4. Efectuareadepreparatemicroscopice p ro asp ete, prinm etoda squash(a strivi, a zdrobi): pe o lama microscopica se aseaza o radiccla de la care se detaseaza numai zona meristematica din varf (circa 3 mm) cu un ac spatulat. Se pune o picatura de carmin- acetic 2% (fara HC1) si se aplica deasupra o lamela. Apoi cu un bat de chibrit se bate usor pentru a etala celulele intre lama si lamela, astfel incat sa fie un strat uniform celular. Se face in acelasi timp o buna etalare a cromozomilor. 5. Observarea preparatelor: - Desenati celule aflate in diferite faze: - Precizati in ce faza se afla cele mai multe celule; - A legeti celulele in care metafaza se vede ce! mai bine si desenati cromozomii care pot fi vdzuti mai dar. Scrieti sub desene cefel de cromozomi sunt, avand in vederepozilia centromerului.

G tn o m ica* ~. AC reamintim ! In mod traditional, term enulde genom se refera la setul haploid de crom ozom i din nucleul celular al organism elorpluricelulare.

Genomica - obiect de studiu Astazi notiunea de genom s-a extins de la m aterialul nuclear eucariot la aparatul genetic al o rg a n ite lo r celu lare (genom ul m ito co n d rial, genomul cloroplastic) precum si la cromozomii procariotelor si virusurilor. Cu studiul genomurilor se ocupa genomica .

Genomica este stiinta care se ocupa cu dezvoltarea si aplicarea noilor tehnici si proceduri de carfare, secventiere si analizd computerizatd in studierea genomurilor integrate ale organismelor. Genomica are trei ramuri distincte. a .Genomica structuralcr. $e ocupa cu cartarea genetica, cartarea fizica si secventierea de genomuri integrale; b . Genomica functionala: studiaza functiile genelor si a secventelor necodificatoare la nivelul intregului genom; c ^Genomica comparata : se ocupa cu studii com parative privind organizarea genom urilor diferitelor specii pentru cunoasterea functiilor fiecarui genom si a proceselor evolutive pe care le-au suferit genomurile.

Metode f l tehnici de studiu Tehnicile de prelucrare si analizare a acizilor nucleici si a altor biom olecule au numeroase aplicatii si sunt de m arc viitor. Ele sunt foarte com plexe si de aceea ne limitam la o prezentare a principiilor pe care se bazeaza cateva dintre ele. Tehnologia A D N - ului recombinat Aeeasta tehnologie grupeaza tehnicile care permit sinteza chimica a genelor sau izolarea genelor unor orgamsme, urmata de insertia (transferul) acestora in genomul unor celule apartinand altei specii.

Sinteza genelor: Daca $e cunoaste succesiunea de aminoacizi dintr-o proteina, se poate realiza, pe baza codului genetic, sinteza de ARNm corespunzatoi\ iar apoi sinteza genei respective (ADN). Pe aeeasta cale se poate produce gcna pentru orice proteina.

36

Izolarea genelor unor organisme: Pentru aeeasta se utilizcaza enzim e endonucleaze de restrictie extrase de la diferite specii de bacterii unde au fost identificate peste 150 de asemenea enzime. Fiecare dintre ele recunoaste o anum ita secventa de nucleotide din m olecula de ADN, La acest nivel, enzima num ita si restrictaza actioneaza hidrolizand legatura fosfodicstcrica si taie ADN in asa fel incat lasa niste prelungiri m onocatenare ale fragm entelor de A D N . Aceste prelungiri, care contin secvente com plem entare, se numesc ’’capete lipicioase4*din cauza ca ele se asociaza instantaneu. Fragmentele de ADN rezultate sub actiunea endonucleazelor de restrictie se mai numesc restricte. Ele sunt supuse electroforezei si ca urmare, vor m igra in campul clectroforetic, dupa Incarcatura lor electrica. Imaginea obtinuta este o electroforegrama, care sta la baza hartilor de restrictie.

Transferul genelor de la o specie la alta. Sinteza unei gene sau izolarea unei gene reprezinta indiscutabil o victorie pe plan stiintific, dar ea ram anc fara ecou practic, daca gena nu este introdusa intr-o celula unde sa functioneze. Gena straina functioneaza numai daca este integrata in materialul genetic al ’’celulci gazda“ . In general celulele au mijloace prin care sa recunoasca si sa distruga ADN strain cu ajutorul unor enzim e de restrictie (endonucleaze). Deci pentru a transfera o gena, trebuie gasita o calc pentru a 'Insela" vigilenta celulei tinta. Acest aspect se poate obtine asociind gena cu un vector. Vectorul este o structura genetica pe care celula o recunoaste si o accepta, un fel de ”cal troianu. Plasm idele si virusurile indeplinesc aeeasta conditie si de aceea sunt folosite ca vectori.

Urma ridfig, 36 si identificatiprincipalele etape ale trunsferului de gene! Se actioneaza cu aceeasi enzim a de restrictie si y 3 ' y asupra vectomlui, care din circular va deveni linear. El va a v e a la c a p e te s e c v e n te m o n o c a te n a re , complementare cu ale genei ce urmeaza a fi transferata .Gena si vectorul vor fi amestecate in prezenta enzimei ADN ligaza, sub actiu n ea careia se restabilease legaturile fosfodiesterice taiate de endonucleaza de restrictie. Vectorul si gena form eaza acum o structura genetica noua, un ADN - recombinat, pe care il introducem intr-o cultura de bacterii. Pentru ca nu toate bacteriile "au acceptat cadoul‘fc incorporand ADN recombinat, se aplica in continuare tehnici de eliminare a c e lu le i# necontaminate. Organismele care au primit gene de la alte specii se numesc organisme transgenice. Procesul de in tro d u c e s in celula bacteriana a unui plasm id recom binat si dc replicare a acestuia in descendenta, cu m entinerea si functionarea genei straine in celula bacteriana, de-a lungul generatiilor celulare, se numeste clonare molecularct. Din randul vehiculelor (carausilor) genei de interes face parte si "cromozomul artificial dedrojdie M C '- c e l mai util construct molecular pentru transferul de gene um ane in celulele de drojdie. A ceste celule sunt utilizate preferential ca gazda pentru ca este un eucariot si are toata ”m asinaria“ de transcriptie si translatie de tip eucariot. YAC contine o regiune corespunzatoare centromerului si cele doua capcte ale c ro m o zo m u lu i te lo m e re le .G e n a de in tere s se

.

_

- l i i

fragmferit*de: ADN* u’m anlSiat' dfe't fragment de plasmid cu gena inserata apropierea capetelor sudarea prin ligazd

‘ bacterie

bacteria cu hibrid supravietuie^te

bacteria f5ra hibrid moare

Ft i«. 3 6 f T ehnica tra r.s te ru lu i dc

37

Om Fragment de AND uman

i r ?

0 * 0

r

Izolarea genei care determine sinteza hormonului de crestere

Bactene (Escherichia coli)

insereaza intre centroiner si j telomer. Colectia totala de fragm ente de ADN uman introduse in celulele bacteriene sau de drojdie, constituie o ”hibliotecd

Izolarea vectorului:

genomica Umanau.

Deschiderea vectorului

ln$ertia genei la vectors^?

I

Introducerea vectorului sau a

J

nhibridului" in celulS

V

A*

Multipiicarea bacteriilor

I

Cultura industrial de bacterii- productia ( de hormon de crest’eri

u Tratarea copiiior cu deficit

Extragerea si purificarea produsului

de hormon i de crestere

Fig. 37 • O b tin e re a S T H din b a c te rii m o dificafe genetic 3’ + a m o rs e ( ©

ADN polimeraza Taq

□>

□

In e ^ lz ira d e n a tu ra re -

h lb r id a re a m o rs 6

^

5

n i

□

3

Taq adau9*

3 d & z o x in u c ld d tid e

[JJ

, «

In c ilz ir o D o n a tu ra ro

Q

1

1 1 IB « □

jj j

PCR - Reactia de polim erizare in lan t (Polym erase Chain R eactio n )

I

O

Repetare c iclu

J 1

. ?

Rezultatele practice ale transferului de gene nu s-au lasat m ult asteptate. Unul dintre cele mai spectaculoase este obtinerea insulinei prin inginerie g e n e tic a . A c e st h o rm o n se o b tin e a , in m od traditional, din pancreasul de bovine si porcine. In prezent exista deja bacterii din specia Escherichia coli rcprogramate genetic prin transferul genei pentru insulina umana. Celula bacteriana are ritmuri foarte rapide de diviziune. Odata introdusa gena pentru insulina in mod stabil in celula bacteriana, aeeasta se va replica cu fiecare diviziune a celulei bacteriene. A stfel, intr-o cultura bacteriana aflata intr-un bioreactor (vas de cultura in care se realizeaza cresterea in d u strials a bacteriilor) num arul de exem plare ale acestei gene poate ajunge la cateva m iliarde. T ran scrise in m o lecu lele de A RN m purtator de mesaj genetic pentru insulina um an!, aceste m iliarde de exem plare ale genei vor asigura sinteza unor cantitati* industriale de insulina umana in celulele bacteriene. Insulina umana produsa pe aeeasta cale s-a num it hum ulina. Utilizarea ei are avantajul ca sunt eliminate accidentele imunologice. U lterior s-a reusit tran sferu l in bacteria Escherichia coli a genelor pentru horm onul de crestere (fig .3 7 ), pentru angiotenosina 11 (reglator al tensiunii arteriale) sau pentru interferon (proteina ce mobilizeaza mecanismele de aparare antivirala la om si animale). T reb u ie su b lin ia t si faptul ca in g in eria genetica a permis sa se obtina date foarte importante despre structura si functia genelor.

0111001.01, C E O

AtnpUficarea ADN

PCR p e rm ite o ra p id a a m p lific a r e a secventelor s de ADN,* chiar atunci cand materialul de initiere este un ADN putem ic degradat dar care Fig. 38 • T eh n ica a m p lificarii ADN trebuia utilizat in studii de antropologie moleculara si paleogenetica (ADN recuperat din oasele fosile, din mumii, din tesuturi formolizate). Prin reactia polim erizarii in lant putem obtine orice cantitate de ADN pornind chiar de la o singura molecula. 38

Pentru reactia polim erizarii Tn lant sunt necesare: Victim a -A D N polimeraza rezistenta la te m p e ra tu ri in a lte (T aq) e x tra sa f Proba (dc la locul crim ei) dintr-o bacterie care traieste in ape term ale (Therm us aquaticus)\ - M atrita ADN ce urm eaza a fi amplifieata; - Primerii sau am orsele doua oligonucleotide sintetizate ”in vitro “ - alcatuite din lanturi m onocatenare foarte scurte. Ele trebuie sa form eze h ib riz i m o le c u la ri la c a p e te le moleculei de ADN care urmeaza a fi amplificat. Aici se initiaza activitatca Fig. 3 9 * Id e n tific are a ADN ADN polimerazei. Se introduc in reactor: proba de ADN, cele 4 nucleotide ADN trifosforilatc, cele doua amorse si ADN polimeraza. Se incalzeste amestecul pana cand ADN se denatureaza (la temperaturi de peste 100°C se rup legaturile slabe de H, rezultand ADN m onocatenar). Se raceste amestecul si ADN ramane denaturat. Primerii se vor atasa, formand hibrizii m oleculari la capetele celor doua catene acum separate. Sub actiunea ADN- polimerazei fiecare catena serveste ca matrita pentru sinteza catenei complementare. Ca urmare cantitatea de ADN s-a dublat. Se repeta operatiile. La fiecare ciclu, incalzire - racire, cantitatea de ADN se dubleaza (fig.38). Exista aparate care fac aceste operatii autom at Identificarea ADN incepe prin aplicarea unor enzime dc restrictie. Ele vor taia m olecula de ADN in fragmente de diferite dim ensiuni. Se stie ca ADN uman coniine portiuni noninformationalc extrem de variabile, diferite de la o persoana la alta. Din aeeasta cauza, ADN de origini diferite va produce fragmente de restrictie de lungimi diferite (FR). Amestecul de fragmente obtinut este plasat pe o pelicula de gel. Pelicula este asezata intr-un camp electric. Datorita gruparilor fosfat incarcate negativ, fragmcntele m igreaza prin gel spre anod (electroforeza): cele mai mici, mai repede si mai departe, cele mai mari, mai incet si mai aproapc. Pe pelicula dc gel se formeaza o succesiune de benzi (ca In codul de bare de pe marfuri). In gel, benzile sunt invizibile. Pentru a fi puse in evidenta, se im pregneaza pelicula cu coloranli specifici pentru ADN. De exem plu bromura de etidiu face ca ADN sa devina fluorescent in lumina ultravioleta. Configuratia benzilor ditera de la o persoana la alta, ca o "am prenta“ ADN. Ea este idenlica la gemeni si foarte asem anatoare la rudeie apropiate, Aeeasta metoda poate ser\'i la identificarea persoanelor in medicina judiciara (fig.39). Determinarea succesiunii nucleotidelor din ADN poate fl realizata cu ajutorul sondelorgenetice. Acestea sunt fragm ente m onocatenare de ADN sau ARN cu succesiunea nucleotidelor cunoscuta. Ele contin nucleotide m arcate radioaetiv sau chim ie. M arcarea fadioaetiva se realizeaza prin incorporarea unor izotopi radioactivi n P sau tritiu ( 3H) in anumite nucleotide. Sonda genetica se aplica peste un filtru care a absorbit ADN denaturat din benzile separate prin electroforeza. Peste filtru se aplica la intuneric, un film fotografic. Daca ADN cercetat contine secventa com plem entara sondei, se form eaza un hibrid m olecular la nivelul uneia din benzi: pe radiogratie va aparea in dreptul benzii respective o linie; astfel se poate afla daca ADN cercetat contine sau nu o anumita secventa (fig. 40).

39

Cu ajutorul sondelor genetice pot fi diagnosticate mutatii, infectii virale incipiente, cancer in stadiu incipient etc. De asem enea devine posibila stabilirea loeusului diferitelor gene in cromozomi.

ADN de explorat

S e ctio n a re AD N cu o n ilm e de restrictie

xxxxxx Fragment?

restrictie(F R ) S e p a ra re prin electro fo re zd g e l d e a g a ro z &

| R ctin e ti! Anul 1990 a deschis era Genomicii cu proiecte sim ple de descifrare a secventei de nucleotide a unor sistem e prim itive precum virusurile, apoi la b a c te rii, p e n tru ca u lte rio r, sa se tre a c a la descifrarea si fm alizarea in 1 1 februarie 2 0 0 1 a celui mai am bitios p ro iect stiin tific al lum ii contcm porane - Proiectul genomului uman.

itific a rc a pozitiei proboi nibridizato p e film f o t o g r a f i c

8

/4P L IC M II

Fig. 40 * U tapeie tchnicii de m a rc a re ra d io a e tiv a ______

i

1. Descrieti succesiunea operatiilorprin care, pomind de la un fir dc par gasit la locul unei fapte penale, poate fi identi ficata persoana care a comis-o. 2. O celula contine mai multe tipuri de ARNm, in funetie de sintezele proteice aflate in curs. Cum poate fi identificat si extras un anum it ARNm din acest amestec cu ajutorul unei sonde genetice?

4 A tglojul genetic le precoriete* Teorja operonului Celula vie desi are dimensiuni infime, are o activitate Sfi ne ream in iim ! de m are e fic ie n ta ,sin te tiz a n d o anum ita su b stan ta in C e lu la e s te u n ita te a cantitatea, la locul si in momentul potrivit necesitatilor sale s tr u c tu r a la , f u n c tio n a la si » > metabolice. genetica a organism elor vii. De exem plu in celula bacteriei Escherichia coli, se gasesc intre 3000 si 6000 de substante chimice diferite. Toate aceste substante sunt produse de celula bacteriana exact in cantitatile de care are nevoie la momentul respectiv si cu consum minim de energie. Aeeasta inseamna ca nu toate cele 3000 de gene ale bacteriei functioneaza concomitent, ci ele intra in activitate sau isi intremp functionarea in corelatie cu necesitatile celulei. Aeeasta inseamna ca activitatea celulelor este autoreglata genetic. G eneticienii francezi Jacob si Jaques Monod de la Institutul Pasteur din Paris au elaborat in 1960 teoria reglajului genetic al activitatii celulare pe baza cercetarilor efectuate la organismele procariote. Pentru aeeasta realizare ei au fost distinsi cu premiul Nobel.

40

Teoria reglajului genetic al sintezei proteinice la bacterii este cunoscuta si sub denum irea de teoria operonului. Aeeasta teorie pom este de la premisa ea in cromozomul bacterian exista un operonunitate de transcriptie alcatuita din gene structurale , operator si promoter,dispusc in nemijlocita continuitate, pe un acelasi segment crom ozom al. Genele structurale contin inform atia genetica pentru sinteza unor proteine sau a altor biomolecule necesare realizarii structuri lor si functionarii celulei. 5 Operatorul ocupa un sector din cromozomul bacterian situat inaintea genelor structurale. Jacob si Monod au dat num ele de operator unui asemenea sector din crom ozom ul bacterian deoarece de el depinde functionarea sau nefunctionarea genelor structurale. Promotorul este situat inaintea genei operatoare si are rolul de a initia transcrierea genelor structurale prin asociere cu ARN polim eraza. Jacob si M onod au evidentiat ca functionarea normala a operonului este c o n d itio n a l si de un alt elem ent genetic gena reglatoare. A eeasta este situata in crom ozom ul bacterian la o anumita distanta fata de regiunea crom ozom iala a operonului. In secventa sa de nucleotide gena reglatoare contine inform atia genetica care dirijeaza sinteza unei proteine num ita represor. Represorul are 2 conformatii reversibile care ii dau posibilitatea sa fie activ sau inactiv, blocand sau permitand operonului sa functioneze prin asocierea sa cu operatorul. De aceea reglajul genetic este de doua tipuri: inductibil si represibii j

Sistemul inductibil In sistemul inductibil represorul este sintetizat in forma activa. Reglajul inductibil intervine in sinteza enzim elor catabolice, Putem evidentia ca exemplu operonul lactozei. Lactoza reprezinta substanta carc trebuie catabolizata. Pentru catabolizarea ei sunt necesare 3 enzime care sa tatalizeze etapele intermediare, succesive ale acestui lant metabolic.Daca in mediul de cultura nu exista lactoza, bacteria nu are nevoie de enzimele care sa transforme acest substrat.Represorul

ij

•» .» aft

;

i i i i i i i i t i i ■> /

j

i

j

.

. . .

Rp In absenta substratului (substanta A ..materia prim2“) represorul (RB) este activ si operonul nu functioneaza

p

R ............................ I ............................... .... i * '

• « i i

n

o

¥ i •

SA

sB

sc

.....................; " v " " • i

. i

i . . i . .

.

ARNmA

ARNmB

ARNmC

*

SiRP