manual pentru clasa a A aXII

Stelica ENE

Gabriela BREBENEL

Elena Emilia IANCU

BIOLOGIEMinisterulEducatiei, t 1Cercetarii

siTineretului

EdituraGIMNASIIM

C lJP R lN S

Capitolul I. GENETICA / 5

1.1 GENETiCff MOLECULfiRfl / 51. G e n c tic a m o le c u la ra -s t i in ta v i i to ru lu i / 5i *

1.1. Genetica-trecut, prezent, perspective / 52. Acizii nucleici-struetura si functii / 8> ^

2.1. Rolul si structura acizilor nucleici / 8 2.2. ADN-spirala vietii /13LP. Modelarea structurii dublu catenare a ADN /182.3. Struetura si tipurile de ARN /192.4. Functia autocatalitica si heterocatalitica / 22

3. Organizarea inaterialului genetic / 293.1. Materialul genetic la virusuri si proeariote/29 3.2* Matcrialul genetic la eucariote / 32L.P. Evidentierea cromozomilor uriasi la Drosophila m elanogaster/35 L.P. Evidentierea cromozomilor prin metoda rapida de colorare cu solutie carmin-acetica/35 3.3. * Genomica / 36

4. Reglajul genetic /404.1. * Reglajul genetic la procariote/404.2. Reglajul genetic la eucariote / 44 Evaluare / 48

I..2. Genctica umana / 501. 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 / 623. Diversitatea genetica umana / 63

3.1. Genetica raselor umane / 634. Mutagcncza si teratogcneza / 6 6

^ 4 .1 . Mutagenezasi teratogcneza umana 664.2. Anomalii cromozomiale asociate cancerului uman / 73

3

5. Imunogenetica / 765.1, Antigens. Alergii. Anticorpi / 76

6 . Consideratii biocticc in genetica umana / 816 .1. Domenii de aplicabilitate in genctica umana / 8 1 Evaluare / 85

Capitolul II. ECOLOGIA UMANA / 891. P a r t ic u la r i ta t i le e c o s is te m e lo r a n t ro p iz a te / 89

1.1. Particularitati ale biotopului si biogenezei in ecosistemele antropizate / 89 L.P. * Investigarea sistem elorantropizate/94L.P. Analiza factorilor abiotici / 96L.P. Determinates structurii trofice in ecosistemele antropizate / 991.2. * Particularitati ale fluxului de materie si energie in ecosistemele cantropizate / 1 0 1

2. * Structura si dinamica populatiilor umane /1052.1. Stmctura si dinamica populatiilor umane /105L.P. * Analize statistice ale structurii si dinamicii populatiilor / 110

3. ImpactuI antropic asupra eeosistemelor naturale /1143.1. ImpactuI antropic asupra ecosistemelor naturale /114L.P. Evidentierea impactului antropic asupra ecosistemelor / 119

4. Efectele deteriorarii ecosistemelor asupra sanatatii umane /1204.1. Efectele deteriorarii ecosistemelor asupra sanatatii umane /120

5. Conservarea resurselor naturale si a biodiversitatii /1265.1. Conservarea resurselor naturale si a biodiversitatii /126

6 . * Dezvoltarea durabila / 1316.1. 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 I C A M O L E C U L A R A t n n r r A a v i i t o r u l u i

G tn tlieo - trccut, p rtzcn l, perspective

Gregor Mendel - Teoria factorilor ered itari

Primul oin de stiinta care a inteles ca trasaturile ereditare nu se transmit direct de la mama si de la tata, la copii, ci indirect prin intermediul factorilor ereditari (denumiti mai tarziu gene), a fost Gregor Mendel (fig. 1).

Mendel a experimentat in mod deosebit pe mazare (Pisum sa tivum ), p la n ta care se rep ro d u ce prin autopolenizare (autogamie). Pentru aceste cercetari, el a ales soiuri care aveau caractere d istincte (contrastante) si constante, efectuand numeroase hibridari, prin polenizareartificiala si incrucisata ai *plantelor,

R e a m in t i t i - v a experientele de m ono - hibridare si dihibridare efectuate de Mendel /

Meritul lui Mendel a fost introducerea notiunii de factor ere ditar - un c o rp u scu 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 ereditatii% y si a v a r ia b ili ta ti i- la tu ri inseparable ale proceselor vietii.

Ereditatea este proprietatea fundamentals a vietuitoarelor care asigura transmiterea cu fidelitate a tra sa tu r ilo r m o rfo lo g ice , fiziologice, de com portam ent, adica a caracterelor ereditare, de la p a rin ti la d e sc cn 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 urmasilor de a se deosebi de parinti cat si de frati, astfel meat fiecare individ este un unicat.

Trasaturile care se transmit 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 prima 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 manifeste este aceea ca faetorul ereditar ce detennina acest caractcr sa fie in dublu exemplar (aa). Mendel a deseoperit deosebirea dintre structura genetica a organismelor, numita ulterior genotip si infatisarea organ ismelor, numita ulteriorfenotip (rezultatul interactiunii dintre genotip si mediul de viata).

Studiul modului cum se comporta 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 homozigoti deoarece contin numai unul din factorii ereditari pereche.

2. Legea segregarii independente aperechilor de caractere. Prin combinarea probabilistic^ a gametilor indivizilor din prima 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 F2 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 confinnaiea 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 itigene. sunt localizati in cronuKomi. Th. H. Morgan - laureat al premiului Nobel, si echipa de cercetatori de la Univcrsitatea Columbia 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. Genelesuntdispusein cadrul caimozomului intr-oanumitasuccesiunc: dispunerea lineara a gene tor in cromozomi;

6

2. Genele localizate in acelasi cromozom 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 cen tral atentiei

In anul 1928, medicul englez F Griffith a deseoperit un fenomen de o foarte mare importanta- transformarea genetica - caruia nu a reusit sa-i dea o explicatie foarte clara la momentul respectiv, dar care va deveni una din metodele 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 Griffiths descopera ca ADN-ul extras din pneumococi III S transformapneumococii 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 transformare genetica efectuatc pe bacterii, plante si animate.

./. Watson si F. Crick anunta in 1953 ca au reusit, cu ajutorul razelor Roentgen, sa descopcre structura macromolecuiei ADN. Modetul lor este confirmat 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 mendclieni erau inca nistc unitati ipotetice deduse pe baza unor calcule statistico matematice, in epoca noastra, cu ajutorul metodelor moderne 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 ramura a geneticii.

Caracteristic pentru epoca actuala de dezvoltare a geneticii moleculare este imbinarea armonioasa a cercetarii fundamentale cu cea aplicativa, fenomen care a facut posibila dezvoltarea medicinii, agriculturii, zootehnici, industriei fermentative, etc. ce due la rezolvarea unor probiemc fundamentale aleumanitatii.

Inzestrata cu o forta extraordinara de a putea sa schimbe natura biologica, genetica viitorului poate ti asemanata cu energia atomica. Dcpindc de intelepciunea omului dc a sti sa foloseasca aceasta forta in interesul sau in dctrimcntul sau.

7

1 ftetineti ! r Anul 1865 - Johan Mendel, num it dupa calugarie Gregor Mendel, publica luerarea

'Experiente asupra hibrizilor la plante , in care sunt redate experientele de hibridare la mazare si formulate primele legi ale ereditatii. Gregor 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 termenul de gena notiunii de factor ereditar.Anul 1910 - Th. H. Morgan elaboreaza teoria cromozomiala 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 momente decisive din istoria geneticii motivand alegerea voastra.2. Imaginati modele de transmitere 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, homozigot, heterozigot, cromozomi, eariotip, recombinare genetica.

2 HCIZII NUCLEICI - STRUCTURE SI FUNCTII

f f lRolul si structure ocizilor nucleic!

Misterloaul factor tran iform ator al doctorului G riffith

Sfi ne reaminfim !

Acizii nucleici au un rol deosebit de important in depozitarea informatiei g e n e tic e , ei f iin d p u rtS to rii caracterelor ereditare.

In 1928, bacteriologul englezJ. Griffith comunica la Cambridge o experienta extrem de ciudata. Lucra de la un timp cu pneumococi, tipul 11 si 111, care se deosebesc intre ele prin caracteristici biochim ice usor detectabile. De asemenea, avea unele eprubete cu culturi virulente, care provoaca moartea soarecilor folositi in experiente si alte eprubete cu culturi de pneumococi blanzi'\ are nu omorau soarecii. Pe medii decultura, pncumococii virulenti formau

colonii mici, netede, de forma S (SU de 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 Rnevirulenti;b) a doua continea pneumococi III S, virulenti.

8

sPneumococinevirulenti

s 9!Pneumococi

virulent!Pneumococi

virulenti prin c;

Pneumococi nevirulenti si virulenti-

omorati prinira

aoaroceletraleste

soarecelomoar*

soareceletraieste

soerecetemoare

Fig. 3 E xperim en te le lui G riffith

El nu dorea sa ucida animalele, ci sa prepare un vaccin. Pentru aceasta a omorat prin caldura microbii din suspensia b., apoi a inoculat ambele suspensii unui lot de soared albi de laborator si a asteptat.

Spre su rp rinderea lui G riffith , 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 cuime, cercetatorul a repetat experienta dc mai multe ori cu acelasi rezultat. Pentru a vedea ce microb *a omorat soared i, el a insamantat pe medii de cultura sange din cordul soareeilor morti. A constatat ca pe medii crescusera si se inmultisera pneumococi de tip 111 S virulenti, pe care Griffith ii stia morti si verificase ca sunt morti,

Singura explicate a fenomenului era ca de la cadavrele pneumococilor 111 S a trecut "ceva" in celulele pneumococilor II R pe care i-a transformat in pneumococi III S virulenti.

Acel ceva continea informatia ereditara care, odata ajunsa in noul organism, a functionat si a fost transmisa urmasilor.

Stru ctu re chimica a acitilo r nucleiciAcizii 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 macromoleculele acizilor nucleici sunt polinucleotide.O nucleotida este alcatuita din trei componente (fig.4)a) o baza azotatd;b) un zahar (o pentoza);c) un acidfosforic. (P).Exista doua categorii de acizi nucleici a caror denumire 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 macromolecula prezinta doua catene (lanturi)

polinucleotidice;- ARN - acidul ribonucleic, a carei molecula prezinta de obicei o singura catena polinucleotidica.Din cele trei componente ale nucleotidelor, doar bazele azotate confera specificitate in cadrul

fenomenului ereditar deoarece, pentozele si radicalul fosforic sunt comune tuturor macromoleculelor

HO-SCH

Fic. 5 R iboza si dezoxiriboza

9

Ia d e n i n A GUANINA

l ibt. 7 Baye purin icc: a) A denina; l) G u an in aL

Pig. 6 Nuclei*I pu rin ic

Fig.8 * Nucleul p irim id iu ic

NH-

T IM IN A URAC IL

i nFig. 9 Baze pi rim idi nice

5fosfat

L.e|5lujiIbsfodicstctice

o - -O -C H

0

.Vhidroxil

H H'

OH H

Fig. 10 L ega tu ri fosfodiesterice t

de ADN din lum ea vie. B azele azotate din macrom olecula acizilor nucleici sunt de doua tipuri: purinicc si pirimidinice. Bazele azotate purinice au ca elem ent esential doua cicluri condensate insumand 5 atomi de carbon (C) si 4 atomi de azot (N)(fig. 6 ). Hie sunt adenina - A si guanina - G(fig.7). Bazele pirimidinice 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 ig .9). In tre n u c le o tid e le macromoleculelor de acizi nucleici sc stabilesc legaturi intracatenare si intercatenare.

a.Legaturile dintre nucleotide in cadrul m onocatenei sau lantului po linucleo tid ic intracatenare - sun t leg 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 urmator (fig. 10). Atat in ADN cat si in ARN in cadrul structurii primate (m onocatenare) nucleotidele alcatuiesc, prin radicalii lor glucidofosforici, un adevarat schelet sau coloana de care sunt legate bazele azotate (f ig . 11)

10

b. Legaturile dintre nucleotide apartinand celordoua catene polinucleotidice intercatenare - se realizeaza intre bazele azotate purinice si cele pirimidinice. Acestea sunt legaturi de hidrogen, de slaba cncrgie. Ceea ce este cu adevarat uimitor in modelul prezentat de Watson si Crick in 1953 privind structure ADN. este faptul ca bazele purinice si cele pirimidinice sunt plasate in molecula de ADN intr-un mod foarte precis. Totdeauna adenina este legata de timina 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 complementaritatii bazelor

azotate care evidentiaza ca intr-o molecula de ADN bicatenar (form ata din doua catene) bazele azotate se imperecheaza specific. Acelasi lucru se intampla si in cazul in care ARN-ul este bicatenar cu o singura exceptie: tim ina este inlocuita cu uracilul:

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 informatie 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

Fig. 11 I,an t po lim ie lco tid ic

Fig. 12 Punti dc h idrogen f f

ARN

Adenina ^

Guanina ^ WH O M

Uracil

G rupare ^

B aza azo ta ta

OH OH Riboza

Baza azotata

G rupare H fosfa t

OH H Dezoxiriboza

Fig. 13 N ucleotide cu h a /e pu rin ice si p irim id in ice

11

informatie ereditara sunt teoretic infinite. Stiind ca in mod normal 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 milioane 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 altemeze;b.pot sa se repete de 2, 3 ori;c.pot sa altemeze inversat A - T, urm at de T A.Cu cat sistemul are mai multe componente si acestea sunt mai diferentiate, informatia este mai

bogata si mai complexa.Rolul acizilor nucleici1. Acizii nucleici reprezinta substratul ereditatii. Ei auinscrisa, sub forma de codificare biochimica

informatia ereditara in catena polinucleatidica.2. Acizii nucleici asigura totodata transmiterea 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 Acizii 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 macrom oleculelor acizilor nucleici duce la cresterea posibilitatilor de inscriere a inform atiilor ereditare.

I APUCbTU

1. Asociati elementele din cele dou3 coloane:

/. Nucleotide II. Acizi nucleici1. A-D-P A. ADN2. A-R-P B. ARN3. T-D-P4. T-R-P5. U-D-P6 . U-R-P

I. Legaturi intre nucleotide II. Substante implicate intre aceste legaturiA. Legaturi duble de hidrogenB. Legaturi triple de hidrogenC. Legaturi esterice

1. Adenina si timina'52. Citozina si guanina3. Adenina si uracil4. Radical fosfat si pentoza

2. Urmatoarele afirmatii despre adenina sunt adevarate cu exceptia:A. Este o baza azotata purinica.B. Are doua cicluri condensate insumand 5 atomi de carbon si 4 de azot.C. Este prezenta in ADN si in ARN.D. Este complementary 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 numesc 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. Nucleotidele de ADN si ARN contin pentoze (un zahar cu 5 atomi de carbon);D. Nucleotidele sunt legate prin legaturi electrostatice de hidrogen;E. Nucleotidele 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 i i m 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 modelul de structura bicatenara a ADN.

S tru ctu ra prlm ara si secundara a ADN

ADN se p rez in ta ca o su b s ta n ta macromoleculara bicatenara alcatuita din doua catene polinucleotidice, rasucite helicoidal, in ju ru l unui ax com un . D is tin g em in macromolecula de ADN 2 structuri (fig. 14):

a. Structura primara monocatenara este data de secventa de nucleotide dintr-o catena care exprima modalitatea 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 fosfod iesterice se rea lizeaza in tre C 3 al d ezo x irib o ze i unei n u c leo tid e si C . al }nucleotidci urmatoare, pe cand la nivelul ce lu ila lt lant p o linucleo tid ic , lega tu rile fosfodiesterice se realizeaza invers: C$+ Ci

Fig. 14 S tru c tu ra molcculci de ADN

F ra g m e n t d e c ro m o z o m

b a c te r ia n fo rm a t d in 2 c a te n e

ra s u c i te e lico id a l

F ra g m e n t d in m o le c u la ADN cele 2 ca tene com plem entare

su n t rasucite elicoidal

detaliu

perechi de

baze pom-

seheletul zah^r - fosfat

detaikJ

Molecula ADN:2 catene antiparalele

si complementare Adenina este mereu legata de timing si

guanina de citozina

1 la n t = o c a te n a

p o lin u c le o t id ic a

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

p o lin u c le o t id ic e

13

Fig. 15 S tru c tu ra secundarS a ADN

Punte de hidrogen Baza azotataDezoxiriboza

h2c\

0 ^ \ ^o

N e

NHjC

\ ADN(bicatenar)

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

Im p erech erea in tre bazele azo ta te are la baza p rin c .r . complementaritatii, cel mai de seama in organizarea si functionary matcrialului genetic ereditar. Astfel adenina (A) este complementara tim inei (T ), iar guanina (G ) este com plem entara citozinei (C). lm perecherile de baze se realizeaza prin intermediul unor punti de hidrogen: doua intre adenina si timina (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 in cele doua catene, si deoarece dezoxiriboza se leaga la o pozitie

excentrica a bazei azotate, intreaga molecula de ADN este obligata sa se rasuceasca, sa se spiralizeze, rezultand nu o structura dreapta bicatenara ci una spiralata - dublu 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,macromolccula de ADN poate suferi fenomene de denaturare-renaturare si replicare(autocopiere).

Denaturarea -renaturarea ADN

Prin incalzirca unei solutii in care se afla ADN , cele doua catene complementare se despart si ADN-ul devine monocatenar. Daca solutia este racita brusc ,i jADN-ul ramane monocatenar 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 formeaza prin renaturare partiala hibrizi moleculari.

Procedeul este folosit de oamenii de stiinta in studiul relatiilor filogenetice dintre specii.Speciile inrudite au temperaturi apropiate de denaturare a ADN si realizeaza o renaturare rapida si de mari proportii cand*

14

2

incalzire

------------------------------- *

f 11

ADNbicatenar

ADNmonocatenar

1Fig. 17> D en a tu ra rca - rc n a tu ra rea ADN

bifurcatie de replicare: separarea lanturilor prin ruperea legaturilor de hidrogen

li se amesteca monocatenele deoarece, secventele polinucleotidice sunt identice pe mari portiuni. De exemplu, procentul de renaturare intre monocatenele ADN de la om si de la maimute este de 75%, pe cand intre monocatene ADN de om si soarece este de numai 25%.

Replicarea (autocopierea) ADNEste stiut faptul ca de miliarde de ani ADN-ul

se imparte si se tot imparte numarului imens a miliarde de generatii de celule. Cum se face ca ADN-ul nu se epuizeaza in procesul diviziunii celulare? Raspunsul este replicatia (autocopierea) ADN. Deoarece ADN contine informatia genetica a celulei, sinteza sa este unul din cele mai importante evenimente din viata acesteia . S in teza A DN, care se rea lizeaza prin interventia unui complex 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 odelu l de s tru c tu ra b ica te n a ra a ADN sugereaza modul in care poate avea loc sinteza de ADN inaintea procesului de diviziune celulara:

In principiu, modelul admite realizarea unei denaturari fiziologice progresive a macromoleculei bicatenare de ADN, prin desfacerea legaturilor de hidrogen. In acest proces intervin mai multe enzime,Ele ac tio n eaza precum cu rso ru l unui ferm oar, despartind cele doua catene. Separarea este treptata, poniita din punctul de initiere si se continua progresiv spre un punct terminus, Astfel, in plin proces de replicare, macromolecula de ADN capata forma literei MY. Punctul de ramificare a macromoleculei de ADN se numeste bifurcatie de replicare (fig. 18). Desfacerea legaturilor progreseaza pana la ce la la lt capat albiomoleculei helicoidale. Ar urma sa apara doua catene polinucleotidice izolate, ceea ce nu se intampla deoarece, pe masura ce spirala se desface si procesul avanseaza, incepe refacerea ei.

Fig. 18 Schcina repiicatiei ADN

15

Prin ruperea puntilo r de hidrogen, macromolecula de ADN se separa in cele doua catene complementare

N ucleotide le libere din citoplasm se ataseaza pe

baza de complementaritate de catenele vechi.

Au rezultat doua macromolecule de ADN bicatenar, fiecare avand o catena veche (care a avut rolul de model) si o qatenS nou sintetteatg.

Fig. 19 R cplicarea ADN dup m odelul sem iconservativ

Prin desfacerea puntilor de hidrogen se separa cele doua catene complementare ale dublului helix si ca urmare nucleotidele lor raman expuse cu gruparile chimice libere.

Dezoxiribonucleotidele libere din citoplasma 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 timp intre doua nucleotide aliniate suecesiv se realizeaza legatura ehimica 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 molecule fiice de ADN, identice cu cea initiala, care vor fi repartizate in cele doua celule fiice in timpul diviziunii. Fiecare molecula de ADN confine o catena veche - matrita si una nou sintetizata. Se poate spune astfel ca replicarea macromoleculei de ADN are loc dupa modelul semiconservativ44, adica fiecare molecula fiica de ADN mosteneste doar una din cele 2 catene ale moleculei parentale initiate, de ADN (fig. 19).

Tipuri de ADNM odelul clasic de ADN, propus de Watson si Crick este

caracteristic zonelor cu eucromatina si reprezinta tipul B de ADN (fig. 2 0 ).

In forma B , dublul helix ADN are rasucire dextrala si 10 perechi de baze per tur: un tur complet al helixului are 34 A, iar inclinatia fata de orizontala planului perechilor de baze este zero.

In alte conditii, macromolecula 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 asemenea, 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,cu1 2 perechi de nucleotide/turde helix.

Tipuri de ADN Rotatia moleculei Perechi baze/pas elice Diametrul molecutei(A)A Dreapta 11 23B Dreapta 1 0 2 0Z Stanga 1 2 18

| Retineti ! Replicarca ADN este unica reactie in Univers, in care o molecula preexistenta serveste drept

model pentru sinteza a doua molecule fiice identice. Ea este posibila datorita structurii bicatenare a macromoleculei de ADN.

| /(PLIChJII

1. Cele doua catene ale moleculei de ADN sunt complementare deoarece:A. Sunt opuseB. O baza purinica dintr-o catena se leaga cu o baz5 pirimidinica din cealalta catenaC. Cele doua catene sunt antiparaleleD. Exista legaturi esterice putemice intre cele doua cateneE. Legaturile electrostatice se desfac usor

2. Rcplicatia - autocopierea:A. Are loc cand celula se pregateste de diviziuneB. In acest proces intervine ADN polimerazaC. Cantitatea de ADN se dubleazaD. Vor rezulta doua molecule bicatenare de ADNE. Are loc in timpul diviziunii celulare

3. Asociati notiunile din cele doua coloane:---------------- ,-------------------------------------------------------/. Caracteristici ale macro- moleculei de ADN

II. Argumente care sustin aceste caracteristici

1. Dublu helix

2. Catene antiparalele3. Catene complementare4. Denaturare

5. Replica este semiconservativa6 . Renaturare

7. ADN denaturat

A. Se stabilesc legaturi intercatenare intre o baza purinica si una pirimidinica

B. ADN-ul sintetizat are numai o catena nouaC. Are doua catene infasurate in ju ru l unui axD. Cele doua catene sunt legate prin legaturi duble si triple

de hidrogenE. La incalzire spre 100C puntile de H se rup

F. Prin racire treptata cele doua catene se atrag datorita complementaritatii intre bazele azotate

G. Prin racire brusca ADN ramane monocatenarH. Legaturile intre doua nucleotide succesive suntde 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 complementaritatii, nucleotidele libere se vor organiza formand o catena noua pe langa fiecare din cele doua catene vechi (care functioneaza ca o matrita).

M edtlarto slruclurii dublu cattnors q ADN-ului

Materialenecesare: carton sau placaj, trusa traforaj, echer, compas, culori diferite, sarma de cupru sau aluminiu de grosimi diferite, ace cu gamalie.

Mod 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: A- portocaliu; 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 diamctru mai mare.

8 . L egati b aze le a zo 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 Cs -> C3, iar la complementara de la C *> C3 5.. A

10. Incercati sa imperecheati purine cu purine si pirim idine cu pirimidine si observati grosimea machetei rezultate.

18

Structure si tlpurile de ARN

Sfi ne reaminlim !

Daca ADN reprezinta substanta macromoleculara cu functia primara ereditara. ARN este implicat indeosebi in realizarea decodificarii informatiei ereditare.

Stru ctu ra ARN

Acidul ribonucleic-ARN este o substanta macromoleculara avand o structura primara monocatenara, cu molecula constituita,de regula, dintr- un 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 ADNS legaturi

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.

Moleculele de ARN, nu pot avea dimensiuni foarte mari, deoarece cu cat creste numarul nucleotidelor (peste cateva mii) cu atat stabilitatea moleculei scade.

S in teza A RN ( tra n s c r ip tia ) se re a liz e a z a to t pe baza 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.

Uracil

O ij^O NH2

9

NH2

Guanina

Fig. 2\ Schem a m acrom olcculei de ARN

ADN

Pm

ADN

g:D

*P

REPLICARE

pD B 0 O' p# #p

TRANSCRIERE

ADN ADN

pp#p#p*

p#o G

v: /P^p

SG SG

p#p

B DtD

g;p

p 0

ADN ARN ADNp. * v n 0

P# P SM V sa p# mam * #P 11

VG G O-

p# d h * d #p 00

Nucleotidele libere care se vor alinia pe baza complementaritatii vor contine riboza. In dreptul adeninei de pe catena matrita se va atasa uracilul in catena nou sintetizata. Polimerizarea de ribonucleotide in transcriptie se desfasoara in acelasi sens ca reactia de polimerizare a dezoxiribonucleotidelor din cadrul replicatiei ADN si anume de la 5' la 3' (flg.22).

Tipurile de AR N si Sunctiile lor

Sunt doua clase de ARN si anume: una care controleaza ereditatea la unii virus\-ARN viral si alta care este implicata in sinteza proteinelor spec\f\ce-ARN celular.

1, A R N viral este materialul genetic al ribovirusurilor: unii bacteriofagi, unele virusuri vegetale (virusul mozaicul tutunului) si unele virusuri animate (virusul turbarii, poliomielitei, gripal (fig.23), stomatitei veziculare etc). El se poate afla tie sub forma monocatenara, fie sub forma bicatenara (mai rar). Replicarea ARN viral este asigurata de celula ga/da sub actiunea unei enzime (ARN polimeraza) numita ARN replicaza sau ARN sintetaza. ARN viral este purtator unic al informatiei ereditare si la viroizi (au doar o molecula mica de ARN, fara invelis proteic) dar si la retrovirusuri. In cazul retrovirusurilor, replicarea ARN sc realizeaza cu ajutorul enzimei rcverstranscriptaza. Aeeasta este o ADN polimeraza care utilizcaza o matrita de ARN pentru sinteza unei catene de ADN. In prima etapa rezulta un hibrid molecular ARN - ADN. dupa care este hidrolizat ARN si ADN complementar este trecut sub forma bicatenara.

Descoperirea reverstranscriptiei a contribuit la intelegerea mecanismelor de transformare maligna (carcinogeheza) si totodata a demonstrat ca informatia genetica nu circula intr-o directie unica ADN ARN proteine, ci si de la ARN ADN.

2. ARNcelular este implicat in decodificarea informatiei ereditare si traducerea ei in secvente de aminoacizi in procesul de biosinteza a proteinelor.

Trecerea informatiei ereditare de la ADN spre proteine nu se poate realiza direct, datorita deoscbirilor in structura celor doua tipuri de macromolecule. Este necesara, asadar, interpunerea unor molecule adaptoare. Acestea sunt reprezentate de diferitele tipuri de ARN:

a. ARNm - acidul ribonucleic mesager;b. ARN t - acidul ribonucleic solubil sau de transport;c. A R Nr acidul ribonucleic ribozomal.a. A RN mesager (ARNm) - poarta mesajul genetic inscris in secventa sa de ribonucleotide.

ARNm este monocatenar si are o Iungime variabila. in functie de lungimea genei (ADN) pe care a transcris-o. de marimea mesajului genetic purtat (fig.24 a). El se asociaza cu ribozomii din citoplasma celulara, la nivelul carora dicteaza secventa de aminoacizi din catena polipeptidica. Dupa ce molecula

de ARNm isi indeplineste rolul sau de mesager, el este supus hidrolizei enzimatice si depolimerizat.

b. ARN de transfer (ARNt) este specializat pentru aducerea aminoaeizilor la locul sintezei proteice. Molecula este formata din 70 - 90 nucleotide. Are portiuni bicatenare, care ii dau aspectul unei frunze de trifoi(fig.24b). Are doi poli functional!: unul la care se ataseaza un aminoacid, altul care contine o secventa de 3 baze azotate numita anticodon, cu ajutorul careia ARNt rccunoaste la nivelul ribozomului, codonul din ARNm corespunzator aminoacidului pe care il poarta. Recunoasterea codon anticodon are loc la nivelul ribozomului in procesul sintezei catenei poiipeptidice.

Neuram inidaza Hem aglutinina Bistrat lipidic Proteina matrixului

ARN polim eraza

Nucleoproteina ARN

Fig. 23 V irusul g ripal

20

A R N rARN ribozom ai intra in s tru c tu ra ribozom ului

c. A RN 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 formand portiuni bicatenare datorita complementaritatii bazelor azotate (fig.24,c). Un ribozom este format din 2 subunitati care vor recunoaste (tot pe baza complementaritatii) si vor atasa intre ele nucleotidele de recunoastere de la inceputul moleculei de ARNm.

>ARNr

C)RIBOZOMUL

Locul sin tezei proteice

Fig. 24 T ip u ri dc ARN

ftetineti !Transcriptia (transcrierea) genica este procesul complex de copicre a informatiei genetice

purtata in secventa de dezoxiribonucleotide a genei (ADN) intr-o secventa complementara dc ribonucleotide cu sinteza diferitelor tipuri de ARN celular.

ARNm - purtator de mesaj geneticARNt - transported! de aminoacizi la ribozomiARNr component al ribozomilor sediul sintezei proteice.

| /4PLICNTII

1. Asociati notiunile din cele doua coloane:/. Tipuri de ARN II. Functii deARN

1. ARNm2. ARNt3. ARNr4. ARN viral

A. Este material genetic pentru viroiziB. Transfera aminoacizii la ribozomiC. Copiaza informatia genetica a unci catene din macromolecula de ADND. Se autocopiazaE. Intra in alcatuirea ribozomilor asociat cu proteinele

21

2. ARN mesager:A. Constituie materialul genetic al eucariotelorB. Are succesiunea nucleotidelor complementara cu a ADN-ului copiatC. Are portiuni bicatenareD. Este intotdeauna monocatenarE. Are o greutate moleculara variabila3. ARN de transfer ARNt:A. La un pol se ataseaza un anumit aminoacidB. Molecula este monocatenarS si are lungimi diferiteC. Are molecula formata din 70 - 90 de nucleotideD. Transporta aminoacizii la nivelul ribozomilorE. La un pol contine o secventa de trei nucleotide care recunoaste o anumita secventa a ARN ribozomal unde se aseaza pe baza complementaritatii4. ARN ribozomal:A. Este sintetizat prin transcriere din ADNB. Intra in alcatuirea ribozomilor asociat cir proteineC. Prin pliere formeaza portiuni bicatenare datorita complementaritatii bazelor azotateD. Este purtator al informatiei genetice la virusuriE. Transporta aminoacizii la ribozomi - locul sintezei proteice

5. Adevarat sau fals?A. ARN mesager (ARNm) are rolul de a copia informatia genetica dintr-un fragment de ADN deoarece molecula de ARNm are portiuni bicatenare care li dau forma unei frunze de trifoi.B. ARN de transfer (ARNt) este specializat pentru aducerea aminoacizilor la locul sintezei proteice deoarece macromolecula de ARNt are doi poli functional.C. ARN este purtatorul unic al informatiei genetice deoarece ribovirusurile si viroizii nu contin ADN.

funetio eutocotolitic& si h*t*rocotalitic69 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 mesager este singurul purtator de mesaj genetic si supus traducerii la nivelul ribozomilor- 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

ADN

t r a n s c r ip t ie !

IARN -m

TRANSLATIE

Proteine

Fig. 25 Dogma ccn tra la a geneticii

replicatie si este decodificata(transformata intr-o proteina spccifica) prin transcriptie si translatie.

1. Functia autocatalitica consta in capacitatea moleculelor de ADN de a se autoreproduce cu inare fidelitate dupa modelul semiconservativ.

Reamintiti-va modul cum se realizeaza replicatia A D N !Studiul ciclului celular (fig. 26) a relevat existenta unei anumite

constante a dinamicii cantitatii de ADN in celule. Astfel,in interfaza - prima faza a ciclului celular - exista mai multe perioade:

-perioada 67 - primul gol sintetic, cand cantitatea de ADN din celula ramane constanta; cromozomii sunt monocromatidici, fiecare este format dintr-o macromolecula de ADN formata din doua cromoneme (2 C);

-perioada S de sinteza, in care arc loc replicarea ADN care se incheie cu dublarea cantitatii de ADN; cromozomii devin bicromatidici, format! din doua macromolecule de ADN ce contin patru cromoneme (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, cromozomii redevin monocromatidici prin clivarea longitudinala a celor bicromatidici migreaza spre polii celulei si in final (la sfarsitul telofazei) rezulta doua celule fiice cu acelasi numar de cromozomi si aceeasi cantitate dc ADN ca si celula mama.? T

Diviziunea meiotica, care se desfasoara in organele reproducatoare ale organismelor pomind de la celule diploide (2 n), determina formarea celulelor haploide (n) si reduce la jum atate numarul de cromozomi si respectiv, cantitatea de A D N f Astfel, in timp ce celulele somatice au o cantitate dubla de ADN celulele gametice vor avea doar jumatate. Cantitatea de ADN sedubleazain urma singamiei gametilor si formarii zigotului diploid.

2. F unctia heterocatalitica consta in faptul ca materialul genetic are capacita tea de a determ ina sin teze spccifice de proteine, cu o anum ita secventa de aminoacizi.

C a lita ti le f iin te lo r v ii se intemeiaza in ultima analiza pe doua entitati: pe aceea pe care biochimistii o numesc proteina si pe aceea pe care geneticienii o numesc genii (ADN).Prima este unitatea de executie chimica, care confera structura corpurilor vii. Cea de-a doua este unitatea ereditara care dirijeaza, in egala masura, reproducerea unei functii si variatia ei. Una comanda, cealalta realizeaza (Fr. Jacob, 1972).

Proteinele sunt macromolecule formate din aminoacizi; sunt polimcri de aminoacizi. Polimerizarea aminoacizilor, re a liz a ta la n iv e lu l rib o zo m ilo r, presupune tbrmarea de legauiri sau punti

Filamentulnucleardespiralizat

Inceputul dup lica rij^ j^ ...

Filamentnuclearduplicat

Individualizareacromozomilorbicromatidici

IN TER FA ZA\ C3s

OwQ.

Decoridensareaft-Q * cromozomului

% ^

M ITO ZA

r ^ ySepararea # celor 2 cromatide

&

A nafazaX

Cromozomifoartecondensati

Fig. 26 t Evoiutia unui crom ozom in cursu i ciclului celula*

23

peptidice mire gruparea carboxil (-COOH) a unui aminoacid si gruparea amino (NR,) a altui aminoacid, cu eliminarea unei molecule de H ,0 . Formarea de punti peptidice succesive determina polimerizarea aminoacizilor liberi. adica includerea lor intr-o catena polip6 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 intermediul unor punti de hidrogen sau a unor punti bisulfidice ( - S - S) macromolecula 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 enzima catalizeaza o anumita reactie biochimica. Aceste reactii se succcd intr-o ordine stricta si formeaza lanturi metabolice. Prin transformari succesive celula* ? poate produce substante asa numitul produs final - care satisfac nevoile celulei sau organismului si care confers organismelor anumite caractere fenotipice.

Codul geneticInformatia necesara sintezei proteinelor, care detin un limbaj de 20 de semne (aminoacizi) este

depozitata in moleculele de ADN care detin un limbaj de 4 semne (baze azotate). Pentru traducerea limbajului de 4 semne al nucleotidelor in limbajul de 20 dc semne al aminoacizilor este nevoie de un "di.eti.onar pc care natura l-a inventat la inceputurile vietii si care se numeste "codulgeneticu (fig.

______ _ _______ 27, fig. 28). El reprezinta un sistembiochimic prin care se stabileste relatia dintre acizii nucleici si proteine si consta in c o rc sp o n d e n ta d in tre fieca re am in o ac id si o su c ce s iu n e de 3 nucleotide, numita codon.

nuclo-ottd.i

nuelodNd.i 2 nucto-otid.n

1y C A G

U

ForsilaUnina S

Matematic, prin aranjamente d e 4 nucleotide luate cate 3, rezu lta4* = 64 combinatii.Din cei 64 codoni ai codului genetic :- 61 codoni codifica diferitii aminoacizi (codoni sen s);- 3 sunt codoni nonsens, care nu specifica vreun aminoacid, dar joaca un rol important in

citirea mesajului genetic purtat de ARNm, intrucat ci marcheaza sfarsitul acestui mesaj genetic. De aceea se mai numesc codoni STOP: UAA; UGA; UAG.

Din cei 61 codoni sens, 2 codon i: AUG si GUG care codifica metionina respectiv valina sunt si codoni cu semnificatia de inceput de sinteza".

Codul genetic are urmatoarele caracteristici esentiale:- este nesuprapus - doi codoni succesivi (vecini) nu-si imprumuta nucleotide, adica nu au

nucleotide comune;- Qsic fard virgule - intre doi codoni succesivi nu exista semne de punctuatie biochimica

reprezentate de nucleotide fara sens, citirea informatiei genetice realizandu-se continuu;- este degenerat (redundant) - fiind mai multi codoni decat aminoacizi, acelasi aminoacid

poate fi codificat de mai multi codoni; exemplu: serina poate fi codificata de 6 codoni (numiti sinonimi):- este universal - in toata lumea vie aceiasi codoni codifica acelasi aminoacid; exem plu: codonul

UUU codifica fenilalanina atat la procariote cat si la eucariote.Geneticienii au deseoperit unele mici exceptii de la universalitatea codului genetic, datorate

:robabil unor mutatii. Astfel, codonul UGA are rolul de in genomul nuclear, dar in mitocondrii codifica aminoacidul triptofan. Codonul AU A care codifica aminoacidul izoleucina in genomul nuclear, a mitocondrii codifica aminoacidul metionina.

Etapele sintezei proteicePe baza codului genetic are loc sinteza proteinelor in 2 faze:transcriptia - copierea mesajului genetic din moleculele de ADN in moleculele dc ARNm;- translatia - utilizarea mesajului genetic pentru sinteza proteinelor pe baza codului genetic.Transcriptia (transcrierea)O celula poate produce mii de proteine diferite. Sinteza fieeareia dintre ele incepe, la momentul

^portun, prin activarea genei corespunzatoare. In aeeasta prima faza, sub actiunea enzimei ARN

E n z i * * 1** r i m l o n i i t i i r i l ede h

ARNm copiaz^ informatia genetica unei srngure catene din tnacromolecula de ADN

CITOPLASV5ACELULEI

%

ARNm se deplaseaz^ In citoplasma c^tre ribozomi

TRANSCRIERE

Fig. 29 T ran sc rie rea in form atiei genetice t25

polimeraza se transcric mesajul genetic din fragmentul ADN respectiv sub forma unei molecule de ARN m esager-A R N m (fig. 29).

Procesul de transcriere cuprinde trei faze:a. faza de initiere: enzima ARN-polimeraza, activata de un factor specific, se asociaza cu o

secventa din ADN numita promotor;b. faza de alungire: se realizeaza cresterea catenei de ARMm prin form area puntilor

fosfodiesterice succesive in directia 5' -> 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 informatia geneticS a unei singure gene rezultand ARNm precursor. Apoi anumite enzime sectioneaza molecula ARNm precursor, separand secventele informationale (exoni) de secventele noninformationale (ititroni). Alte enzime leaga exonii intre ci si rezulta ARNm matur care va ajunge la ribozomi 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 asamblarea aminoacizilor. Pentru aeeasta el a primit premiul Nobel in 1974.

Daca ADN-ul celulei poate fi comparat cu un institut de arhitectura care poseda planurilealcatuirii corpului victuitoarelor, ribozomii sunt adevaratii zidari.

Pentru ca translatia sa aiba loc trebuic mai intai ca toti factorii implicati sa ajunga la locul sintezei proteice.

INCEPUTUL I GENEI SFARSITUL GENEI JADN

ARNmPRECURSOR

ARNmMATUR

^ fR C ^ T eX O N 'INTROf

2 L .

TRANSCRIERE

gflNTRMi EXON -INTRON2 : 3 3!------1:--- 2--------

E LFM IN A R EA

IN T R O N IL O R

i EXON! 3

*TRANSLATIE

CATENA

POLIPEPTIDICA

NUCLEULCITOPLASMA

Fig. 30 * T ran scrip tie la eucario te

1) ARNm recunoaste locul sintezei datorita primelor nucleotide ale sale care formeaza o secventa de initiere. Ea atrage cele doua subunitati ale ribozomului care acum se cupleaza prinzand intre ele capatul m oleculei ARNm. La eucariote, ARNm incepe cu codonul AUG care corespunde m etioninei. Deei prim ul am inoacid al m oleculei proteice va fi m etionina care ulterior poate fi inlaturata.

2 ) In tre tim p , in c ito p la sm a aminoacizii sunt pregatiti pentru sinteza in2 faze:

a) In prima faza am inoacizii sunt activati prin rcactia cu ATP care le va dona energie

26

AA+ATP am 'n- - L AA ~ A |4P + P - P smtetaze

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

b) Apoi aminoacidul activat se ataseaza unei molecule de ARN de transfer (ARNt):aminoaci 1 ,

AA~AM P+ARNt 7 77 AA - ARNt + AMP.S l i i l c l c i Z t

AMP va fi reincdrcat cu energie prin fosforilare (AMP + P ~ p ------ ATP ) la nivelulmitocondriilor, deci este reciclahil'\

Un anumit aminoacid 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 magnetica 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? y>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

ARGININA A A 7

ARN de transport

cliberatAMINOACID ATASAT

ARNtTranslatia continua formand lantul polipeptidic> ARN DE TRANSPORT

Incepe

Translatia

ANTICODONARNt,Serina

SerinaA A K

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 translatiei2. Factori de elongatie - pentru continuarea traducerii3. Factori de terminalizare - pentru incetarea traducerii si eliberarea lantului peptidic

Fig. 3 1 T ransla tia

27

ARNm a fost AUG, iar primul aminoacid 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 aminoacizii serina (AA6) si arginina (A A ?). Cei doi aminoacizi sunt acum foarte aproape unul de altul. In acest moment sub actiunea enzimei peptid polimeraza, intre ei se formeaza o legatura peptidica. Ca urmare, lantul polipeptidic s-a marit 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. Acesta are atasat aminoacidul AA8, care asa cum rezulta din tabclul cu codul genetic, este tot arginina. La fel ca in momentul anterior, peptid polimeraza va determina 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. Molecula de ARNt va putea acum sa ataseze alta molecula 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 semnificatia stop care indica sfarsitul sintezei.

Aceeasi molecula de ARNm trece succesiv prin mai multi ribozomi (se formeaza poliribozomi) si pe baza ei se formeaza mai multe exemplare din molecula proteica respective Producerea unui numar exagerat de exemplare 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 molecule de ARNm.

IRetineti IOrganismele nu transmit urm asilor caracterc ci inform atia necesara pentru constituirea lo r Celula ou contine

"planuldefabricatie" al viitorului organism constand in programe care determina diviziunile eelulare (mitoze, lim ite, d ifercn tieri de celule, tesuturi si organe), biosin teza m iilor de substante speeiftce, bioritm uri, com portamente, 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 forma unor lungi siruri de nucleotide din m oleculele de ADN. Unul din procesele prin care program ul genetic este m aterializat in structuri biologice este sinteza proteinelor.

dPLICfcTIIt

1. Asociati notiunile din cele doua coloane:

/. Codul genetic. Caracteristici / / . Arguntetite1. Degenerat2. Nesuprapus3. Fara virgule4. Universal

A. In toata lumea vie aceeasi codoni codifica acelasi aminoacid.

B. Nu exista nucleotide in plus intre codoniC. Doi codoni vecini nu pot avea nucleotide comuneD. Acelasi aminoacid poate fi codificat de mai multi

codoni sinonimi"

28

/. Transcriptia II. Tipuri de organisme1. Se copiaza informatia genetica a unei singure gene2. Se copiaza informatia genetica a mai multor gene succesive3. ARNm codifica mai multe proteine de care celula are nevoie in momentul respectiv4. ARNm precursor contine secvente informationale (exoni) si secvente noninformationale (introni)

A. ProcarioteB. Eucariote

2. In fazele sintezei proteice actioneaza enzimele:1. Peptidpolimeraze2. ARN - polimeraze3. Aminoacilsintetaze4. Ligazele3. Care este secventa de ARNm complementara urmatoarei succesiuni de baze azotate AGGCTATTC dintr-o catena de ADN:

1. TCGGUTAAG 2. UGCCUTAAG 3. TCCGATAAG 4. UCCGAUAAG4. Codonul UGA:1. Este codon stop in genomul nuclear2. Codifica triptofanul in mitocondrii3. Are semnificatia inceput de sinteza114. Codifica metionina

r3 ORGANIZAREA MATERIALULUS GENETIC

Motcriolul g c iiflic ia virusuri si precarfoic

M a te ria lu l genetic viral

V iru su rile sunt entitati infectioase de nivel subcelular ale caror dimensiuni variaza intre 80 - 2500 A. Ele sunt alcatuite dintr-un invelis proteic numit capsida virald si un m ie z - genomul viral, reprezentat de un acid nucleic. Un astfel de virus m atur (complet) se numeste virion. In afara acestei stari de existenta, > * virusurile se mai pot afla si sub alte forme:

- virus vegetativ - acidul nucleic aflat liber in citoplasma celulei gazda;

- provirus - acidul nucleic integrat Tn cromozomul unei celule gazda.

Virusurile se deosebesc esential de toate celelalte sisteme biologice, prin aceea ca miezul lor de acid nucleic este alcatuit fie din ADN, tie din ARN. Niciodata, in acelasi virus, nu se intalnesc ambele 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.

Si ne reaminiim !

M ateria lu l gen e tic p rez in ta o anum ita o rgan izare Tn functie dc gradul de complexitate al sistemeior b io lo g ice . S is tem e le ae tu a ie nucleoproteinice se grupeaza in doua categorii distincte: sisteme acelulare si celulare. Din catcgoria sistem elor acelulare fac parte : virusurile. virotii, plasm idele si p r io n ii. S istem ele celulare cuprind la randul lor doua tipuri de organizare: procarioia si eucariota.

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 numeste cromozom viral sau genom viral. Molecula de acid nucleic viral poate fi circular! sau lineara, monocatenara sau bicatenara:

-ADN viral monocatenar (bacteriofagu! phi X 174);-ADN viral bicatenar (virusul herpetic, majoritatea bacteriofagilor-fig.32a)-ARN viral monocatenar (virusul gripal-fig.32b, H IV -fig.32c , virusul mozaicul tutunului -

VMT)-ARN viral bicatenar (reovirusuri).Pe unicul cromozom viral pot exista 4 gene (fagul M S J sau 135 gene (bacteriofagul T4).

Molecula de acid nucleic viral are o lungime 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 enzimatic 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 asamblarea noilor componentc intr-un numarmare 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 complementare, 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 enzima utilizeaza ca matrita ARN viral pentru sinteza unei catene de ADN. Rezulta, in prima etapa un hibrid molecular ARN - ADN dupa care ARN este hidrolizat, iar ADN complementar este trecut sub forma bicatenara si, sub aeeasta forma, se integreaza intr-unul din cromozomii celulelor implicate in rcalizarea raspunsului imun la om, paralizandu-i activitatea: in acest fel organismul infectat cu HIV 1 nu mai poate da raspunsuri imune la actiunea celor mai comuni agcnti patogeni.

glicoproteine anvelopS

miez de ADNcapsidaproteica

a) b)

filament ----------

miez de ADN capsidS

| Fig. 32 a) B actcrio fa^ul T4; b) V irusul g rip a l; c) N'iriisul F ll\ ' B "

bistralipidic

miezviral

ARN

reverstranscriptaza

p9. p7

30

Chiar daca sunt sisteme supramoleculare, virusurile prezinta variabilitate genetica. In cazul dezoxiribovirusurilor se poate realiza recombinarea 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 manifesta o atat de mare variabilitate incat fiecare epidemic se datoreaza unei alte tulpini virale.

M aterialul genetic la ProcarioteOrganizarea Procariota caracterizeaza bacteriile si algele albastre verzi (numite si cianobacterii),

Toate aceste forme prezinta structura cclulara cu dimensiuni cuprinse intre 1 $i 1 Onm.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 citoplasma printr-o structura membranara. astfel ca el nu poate fi socotit un nucleu adevarat.

Corespondentul nucleoidului este cromozomul bacterian de forma circulara. El reprezinta suportul fizic al unicului grup de inlantuire a genelor (aproximativ 2000 - 3000 gene). Ca urmare toate genele de la bacteria mama se transmit in bloc la bacteriile fiice. Cromozomul are o lungime de 1000 de ori mai mare decat diametrul celulei. contine o macromolecula de ADN circulara cu aproximativ 40-50 buclc si superrasuciri (circa 400 pcrechi nucleotide / bucla) care sunt mcntinutc prin intermediul unor molecule de ARN (fig. 33), Cromozomul bacterian este atasat de membrana plasmatica a celulei bacteriene prin intermediul unei structuri derivate din aeeasta, carc este numit mezozom.

In afara cromozomului circular bactcrian (suportul grupului principal de gene), se pot afla in citoplasma celulei bacteriene, una sau mai multe structuri ereditare aditionale. Aceste structuri extracromozomiale, separate fizic de cromozomul principal, au fost denum iteplasmMe. Plasmida este o molecula circulara de ADN bicatenar care reprezinta 1% din cromozomul bacterian principal. Ea reprezinta un minicromozom ce poarta 6 - 8 gene si care se replica independent de crom ozom ul principal. Ca exemple de plasmide pot fi considerate ' dc to nil de sex (factoml F) sau factond de rezistenta la antibiotice (factond R). Plasmidele pot fi transferate de la o celula la alta, pot suferi mutatii, pot fi pierdute >au pot fi redobandite de catre celula bacteriana,Datorita acestor procese, o populatie bacteriana prezinta o mare heterogenitate, ceea ce reprezinta un avantaj selectiv pentru adaptarea la mediu a bactcriilor.Studiul plasmidelor a trezit interes deosebit din partea cercetatori lor mai ales cand s-a constatat ca ele detin genele de rezistenta la antibiotice - markeri genetici foarte im portanti si foarte usor de decelat prin antibiograme,

In ultimul timp studiul plasmidelor bacteriene suscitat un interes mai mare, cand s-a constatat ca

ele pot fi folosite in experiente de inginerie genetica vehiculi cu ajutorul carora pot fi introdusi in celula

b acteriana , gene dc la eucario te . P lasm idelereprezinta un element esential in tehnoJogia ADN Fig. 33 C rom ozom ul b ac te rianrecombinat.

31

ADN

P6tecalulAr NfembranapfcramaOca

2.5 M

dtxaoml ^ cromozomul bacterian 1----- 1M

S e ob s erva crom ozom ul circular atasat da membrana plasmatica

30,^ Intr-o Invaginaro = mezozom

>1. Cromozomul circular

bacterian2. Bude3. Superrfisudrl

1 ftetinefci !r tLa virusuri, genomul este reprezentat de un singur cromozom de forma circulara sau lineara

pe care sunt dispuse genele intr-o anumita ordine. Cromozomul viral este reprezentat de o macromolecula dc ADN sau o macromolecula dc ARN.* La bacterii cromozomul are forma circulara si este reprezentat de o macromolecula de ADN bicatenar care-si pastreaza structura cu ajutorul unor molecule de ARN.

1. Asociati notiuniie:J J - ----/ . Sisteme de organizare II. Materialul geneticA. RibovirusuriB. DezoxiribovirusuriC. Bacterii

1. Cromozom circular ce contine ADN si ARN> >2. Cromozom ce contine ADN3. Cromozom ce contine ARN------------------------------- --------------------X- - ----- --

II. Material genetic II CaracteristiciA. Cromozom viralB. Cromozom bacterianC. Plasmid

1. Mezozom2. Factorul F3. 1%4. 2000 - 3000 gene 5 .3 - 200 gene6 . 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.

Materialul genetic la eucarioteMaterialul 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 cromozomilor.

adica a structurilor caracteristice ce apar evident la eucariote doar in timpul diviziunii nucleare.

La eucariote cromozomii au o arhitectura foarte complexa, fiind alcatuiti din 13- 15% ADN. 12-13% ARN cromozomial; 68-72% proteine histonice si nonhistonice, mici cantitati de lipide. ioni de Mg2" i Ca2". Componenta cea mai importanta a cromozomului 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 102 - 106 ori). Acest ADN repetitiv este de obicei noninformational, adica nu contine gene structu 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 alternative si reversibile: eucromar;>;j si heterocromatina.

Sfi ne reamintim !

Eucariotele sunt organisme a caror celule poseda nueleu tipic Tnvelit in membrana nucleara.

32

Cromozom metafazic

Nucleosomu!

Format dintr-un octamer histonic Tnconjurat la exterior de un segment din ADN alcatuit din 140 perechi de nucleotide dispuse sub forma a dou3 inele la varful si la baza octamerului

Proteine histonice

HjA. H jB.

Cromatide

Cromatina

LegStura dintre doi nucleosomi se realizeaza printr-o cesventa de ADN de cateva zeci de nucleotide unite prin intermediul unei proteine histonice Ht

ADN

Eucromatina p rez in ta proprietati de colorare norm ale cu c o lo ra n ti b az ic i si un c ic lu de condensare standard (condensare in d iv iz iu n e si d ec o n d e n sa re in interfaza). La nivelul eucromatinei se a fla secv en te u n ice de A D N .*Eucromatina reprezinta partea activa genetic in transcrierea crom atinei interfazice, la nivelul ei aflandu-se cea m ai m are p a rte din p ro te in e le n on h isto n ice care cond itio n eaza functionarea materialului ereditar in replicare sau in transcriere.

Heterocromatina are un ciclu atipic de condensare. Ea reprezinta cromatina care este condensata si in interfaza cand apare sub forma de cromocentri. La nivelul ei replicarea ADN este intarziata si este inactiva in 5tra n sc r ie re . D aca eu c ro m a tin a c u p rin d e g en e le m a jo re , heterocrom atina prezinta mai ales functii reglatoare.

Cromatina eucariotelor este un lant flexibil alcatuit din unitati care se repeta si care se numesc nucleosomi (fig.34). Fiecare nucleosom are forma unui cilindru turtit format dintr-un octamer de proteine histonice (H2A, H 2B, I \v H4 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 complexarea ADN cu histonele rezulta complexul nucleohistonic, care alcatuieste fibra de cromatina. Nucleii si cromozomii eucariotelor contin asemenea fibre de cromatina al caror diametru este de 100 300 A. Fiecarui cromozom eucariot ii corespunde o singura fibra de cromatina nucleohistonica si deci, asemanator cromozomului procariot, o singura molecula dublu catenara de ADN. Cromatina nuclcului in terface ca si cromatina cromozomului in diviziune contine si variate proteine nonhistonice. Nonhistonele sunt foarte heterogene. Ele prezinta specificitate de specie si dc tesut. Nonhistonele 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 cromozomal 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

Fig. 34 4 M ateria lu l gcnetic la eucario te

33

a - q r o m p z o m m e t a c e n t r i c b - cromozom submetacentric c - cromozom subtelocentric d - cromozom acrocentric

34

Fig.35 T ip u ri de crom ozom i

sau meiozei, asa ca acum o celula diploida din punctul de vedere al numarului de cromozomi, este tetraploida din punct de vedere al cantitatii de cromatina.Acum fiecare cromozom este format din doua cromatide. Ele 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 sco p u l op tic d eo arece se sp ira liz e a za , mgrosandu-se si scurtandu-se. Ei ajung in metafaza la o

condensare maxima. Acum ei au numarul, forma si marimea caracteristiee fiecarei specii si aeeasta proprietate

constituie un important caracter taxonomic. Prin distrugerca fusului de diviziune, cromozomii se vor dispersa din planul ecuatorial al celulei putand fi fotografiati la microscop. Decupand imaginile si ordonandu-le in perechi numerotate in ordinea descrescatoare a marimii se obtine cariotipul speciei respective. Pozitia centromerului este un caracter morfologic constant, un criteriu de elasificare a cromozomilor (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 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.

Comparativ 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 urmasilor (eredilate biparentala), ereditatea citoplasmatica 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 citoplasma, in timp ce gametul mascul poseda in general numai nucleu.

I Retineli ! r Totalitatea genelor nucleare, numite cromogene, fonneaza genomul.* Totalitatea genelor citoplasmatice, numite plasmagene fonneaza plasmonul.

Cromogenele impreuna cu plasmagenele alcatuiesc genotipul.Organismele eucariote prezinta diviziune mitotica 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^PLICNTII1. 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 putemic condensati; a. uneste cele doua cromatide;a *2 .centromer; b, format din proteine histonice;3.nucleosom; c. metafaza;4 cromozomi monocromatidici. d. o singura macromolecula de ADN

Cvidentiereo cromozomilor uriosi low wDrosophila melanogaster

V

* ^

Materiale necesare: lame si lamele microscopiee, ac spatulat, solutie carmin-acetica, lampa de spirt, hartie filtru, larve de drosofila in stadiul III (inainte de impupare).

Mod 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.Printr-o m iscare de smulgere se detaseaza aeeasta parte anterioara a corpului care se pune intr-o picatura de carmin- acetic in care sta circa 3 min. Se aplica lamela. Se aplica hartia de filtru. Se preseaza putemic cu degetul mare pentru etalare. Se inlatura excesul de carmin, Se examineaza la microscop.

Descried si desenati ce observati!

Cromozomi uria$i * genetica a organismelor vii.

Teorja operonuluiCelula vie desi are dimensiuni infime, are o activitate

de m are efic ien ta ,s in te tizand o anum ita substanta in cantitatea, la locul si in momentul potrivit necesitatilor sale metabolice.

De exemplu 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.

Geneticienii 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 denumirea de teoria operonului. Aeeasta teorie pomeste de la premisa ea in cromozomul bacterian exista un operon- unitate de transcriptie alcatuita din gene structurale, operator si promoter,dispusc in nemijlocita continuitate, pe un acelasi segment cromozomal.

Genele structurale contin inform atia genetica pentru sinteza unor proteine sau a altor biomolecule necesare realizarii structuri lor si functionarii celulei.5 j

Operatorul ocupa un sector din cromozomul bacterian situat inaintea genelor structurale. Jacob si Monod au dat numele de operator unui asemenea sector din cromozomul 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 polimeraza.

Jacob si Monod au evidentiat ca functionarea normala a operonului este co n d itio n a l si de un alt element genetic gena reglatoare. Aeeasta este situata in cromozomul bacterian la o anumita distanta fata de regiunea cromozomiala a operonului. In secventa sa de nucleotide gena reglatoare contine informatia genetica care dirijeaza sinteza unei proteine numita 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

Sistemul inductibilIn sistemul inductibil represorul este sintetizat in forma activa. Reglajul inductibil intervine in

sinteza enzimelor 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

i j . aft

;i i i i i i i i t i i > / j i j . . . .

R

R p

In absenta substratului (substanta A ..materia prim2) represorul (RB)

este activ si operonul nu functioneaza

p o S A s B s c

............................ I .....................; " v " " ............................... .... i * ' i i n i i . i i . . i . . .

ARNmA ARNmB ARNmC

*

Si- (Ea eb @RP

operonului lactozei fiind sintetizat in forma activa, este capabil sa se cupleze cu operatorul si sa -1 blocheze(fig.41 a). Daca in mediu apare substanta care trebuie catabolizata (lactoza), interaetioneaza cu represorul activ si il inactiveaza. Asadar substratul nutritiv devine inductor(fig.41 b). Represorul nu mai actioneaza asupra operonului, genele structurale incep sa functioneze si se realizeaza sinteza enzimelor catabolice care vor cataboliza lactoza. Functionarea genelor decurge atata timp pana cand scadeconcentratia substratului, moment in care represorul, ramas singur, devine din nou activ, actionand asupra genei operatoare, blocheaza acti vitatea intregului operon. Procesul se reia la o noua concentrate a substratului.

Sistemul represibilIn sistemul represibil, represorul este sintetizat in forma inactiva. Reglajul represibil intervine

in sinteza enzimelor anabolice ffig.42). Evidenticm spre exemplificare operonul izoleucinei (fig.43).Aminoacidul izolcucina se poate sintetiza pornind de la am inoacidul treonina. Pentru

transformarea treoninei (produs initial) in izolcucina (produs final) sunt necesare 4 etape intermediare

ARNmA ARNmR ARNm

C o R p

Produsfinal

Retroinhibitie enzimatica

Represie

Fig.42 S istem ul repr

R etroinhibitie en zim atica

Represie enzimatica

Fig. 43 O peronu l izoleucinei

mai permite accesul enzimei ARN polimeraza la genele structurale. Ca urmare ele nu vor mai fi transcrise. Deci operonul trece de la starea sa functional! in starea represala.

Retroinhihitia enzimatica inhibitie prin produs final. Produsul final (izolcucina) se eupleaza cu moleculele enzimei treonindczaminaza (prima din cele 5 enzime care transforma treonina in izolcucina), o inactiveaza si ca urmare se blocheaza intreaga cale metabolica. Cand izolcucina va fi epuizata din celula, este reactivate treonindezaminaza care reia calea metabolica de sinteza de izolcucina sau este reluata functionarea operonului prin reconversia represorului din starea activa in starea sa inactiva.

f t e t i f i e t i !* tPrincipalul nivel la care are loc reglarea activitatii genice la procariote este cel al transcriptiei

genice.Elemental decisiv al naturii inductibile sau represibile a unui operon este forma initiala

activa sau pasiva a represorului.

dPLICfcTII

1. Mentionati principalele componente ale operonului si rolul lor in sinteza proteica.2. O cultura de bacterii Escherichia coli este tinuta pe o perioada de o zi intr-un mediu lipsit de lactoza si de treonina. Care este starea de functionare a celor doi operoni - operonul lactozei si operonul izoleucinei.3. Imaginati o molecula de ARN sintetic folosita ca medicament pentru a bloca sinteza unei proteine nedorite.Ganditi-va la un hibrid molecular ARN-ARN. Cum ar putea compromite medieamentul actiunea ARNm respectiv?4. Selectati raspunsu l corect:a) represorul actioneaza la nivelul operatorului;b) operatorul este reprezentat de genele structurate;c) in sistemul inductibil represorul nativ este inactiv;d) prin represie enzimatica este inactiva ultima enzima a lantului metabolic.

43

fteglejul genetic la eucariote

$d ne reominiim !

La organism ele eucariote, cromozomii an o structura mult mai complexa, in alcatuirea lor intrand ADN, ARN, proteine histonice si nonhistonice, ioni de magneziu si calci