Acizii nucleici
GENETICA este una dintre cele mai tinere stiinte. Actul ei de nastere a fost lucrarea lui GREGOR MENDEL "Cercetari asupra hibridari plantelor".
GENETICA este o ramura a stiintelor biologice care studiaza ereditatea si variabilitatea organismelor vii.
Rolul si structura acizilor nucleici
Misteriosul factor transformator al doctorului GRIFFITH
In 1928, bacteriologul J. Griffith comunica la Cambridge o experienta extrem de ciudata.
Lucra de la un timp cu pneumococi, o specie de microbi care provoaca pneumonii la om si la animale. El poseda doua tipuri de asemenea pneumococi, tipul II si III, care se deosebesc intre ele prin caracteristici biochimice usor detectabile. De asemenea, avea unele eprubete cu culturi virulente, care provoaca moartea soarecilor folositi in experimente, si alte eprubete cu culturi de pneumococi "blanzi", care nu omorau soarecii. Pe medii de cultura, pneumococii virulenti formau colonio mici, netede, de forma "S"("S" de la smooth=neted). Cei nevirulenti formau colonii zbarcite la suprafata, de forma "R"(rough=aspru).
Griffith a facut doua suspensii de microbi:
a) prima continea pneumococi II R,nevirulenti;
b) a doua continea pneumococi III S, virulenti.
El nu dorea sa ucida animalele, ci sa prepare un vaccin. Pentru acestea a
omorat prin caldura microbii din buspensia b. Apoi a inoculat ambele suspensii unui lot de soareci albi de laborator si a asteptat.
Spre surprinderea lui Griffith, marea majoritate a soarecilor au murit, desi prima suspensie le asusese microbi vii dar nepericulosi, iar a doua numai cadavrele microbilor virulenti.
Contrariat la culme, cercetatorul o repetat experienta de mai multe ori cu acelasi rezultat. Pentru a vedea ce microb a omorat soarecii, el a insamantat pe medii de cultura sange din cordul soarecilor morti. A constatat ca pe medii crescusera si se inmultisera pneumococi de tip III S pe care Griffith ii stia morti si verificase ca sunt morti.
Singura explicatie a fenomenului era ca de la cadavrele pneumococilor III S a trecut "ceva" in celulele pneumococilor II R pe care i-a transformat in pneumococi de tip III S.
Acel "ceva" continea informatia ereditara care, odata ajunsa in organism, a functionat si a fost transmisa urmasilor.
Acizii nucleici in centrul atentiei
In 1943 se publica rezultatele unei ezperiente cruciale in biologie. O.T.Avery,
C.Mc. Leod si M.Mc.Carty descoperisera ca ADN extras din pneumococi III S ii transforma pe pneumococii II R in pneumococi III S, deci, ADN este misteriosul factor transformator al doctorului Griffith.
Ideea ca ADN este purtatorul informatiei ereditare a fost confirmata de multe alte experiente de transformare genetica efectuate pe bacterii, plante si animale.
J. Watson si F. Crick anunta in 1953 ca au reusit cu ajutorul razelor Roentgen sa descopere structura macromoleculei ADN. Modelul lor este confirmat de M. Wilkins si toti vor fi distinsi cu premiul Nobel pentru medicina si biologie(1962).
Structura acizilor nucleici
Acizi nucleici sunt substante macromoleculare formate prin inlantuirea unor molecule de nucleotide. De aceea ei se pot numi si polinucleotide.
Nucleotidele, la randul lor, sunt alcatuite din:
a) o baza azotata;
b) un zahar;
c) un radical fosfat;
Bazele azotate sunt substante organice in care atomii de carbon si de azot sunt grupati in cicluri. Ele sunt de doua feluri.
-bazele purinice au doua cicluri condensate, insumand 5 atomi de C si 4 de N. Ele sunt: adenina(A) si guanina(G), prezente si in ADN si in ARN
-bazele primidinice au un singur ciclu cu 4 atomi de C si 2 de N. Ele sunt citozina(C), prezenta si in ADN si in ARN, timina(T) numai in ADN si uracilul(U) numai in ARN.
Zaharul este un monozaharid cu 5 atomi de C(o pentoza). El da numele celor doua tipuri de acizi nucleici: riboza(R) in ARN si dezoxiriboza(D) in ADN.
Radicalul fosfat(P) formeaza legaturi esterice cu pentozele. Legatura se face intre al cincelea atom de carbon al unei pentoze si al trilea atom de carbon al pentozei urmatoare legand nucleotidele intre ele si formand catene(lanturi) polinucleotidice.
Cele trei componente se grupeaza astfel:
In ADN: In ARN:
A - D - P 1) A - R - P
G - D - P 2) G - R - P
C - D - P 3) C - R -P
T - D - P 4) U - R - P
Observam atunci ca exista 4 tipuri de nucleotide pentru fiecare tip de
acid nucleic. Ele sunt echivalente cu 4 litere ale unui alfabet. Alinierea lor intr-o anumita ordine da continutul informatiei ereditare. Un alfabet de 4 semne este suficient pentru a stoca o cantitate nelimitata de informatie. Se stie ca limbajul calculatoarelor electronice utilizeaza numai doua semne:0 si 1.
ADN - spirala vietii
Molecula de ADN este formata din doua catene polinucleotidice rasucite una in jurul celeilalte in spirala, cu bazele azotate spre interior. Totodata, daca pe o catena intr-un anumit punct , este adenina, pe catena opusa in dreptul adeninei este timina. Intre ele sunt doua legaturi de hidrogen. In dreptul guaninei este citozina, intre ele fiind trei legaturi de de H. Adenina cu timina si ganina cu citozina formeaza perechi, sunt complementare si se atrag intre ele.
Privind cu atentie schema vieti veti observa ca legaturile C5' C3' au sensuri opuse pe cele doua catene(care sunt antiparalele). Acest amanunt este foarte important deoarece informatia genetica este lecturata totodata in sensuri C5 C3'.
In molecula de ADN complementaritatea dintre bazele purinice si cele pirimidinice tine cele doua catene alaturate, oricat ar fi ele de lungi. Datorita ei, molecula, este foarte stabila desi foarte complexa. De aici rezulta stabilitatea informatiei eriditare fara de care viata ar fi imposibila. Legaturile de H sunt mai slabe decat cele esterice si se rup daca ADN este incalzit peste 100 grade C(denaturare) rezultand DN monocatenar. Prin racire treptata, cele doua catene se atrag datorita complementaritatii bazelor azotate si revin in vechile pozitii(renaturare). Daca racirea este brusca, ADN ramane denaturat.
Amestecand monocatene ADN de origini diferite se formeaza prin renaturare partiala hibrizi moleculari. Pocedeul 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 li se amesteca monocatenele deoarece secventele polinucleotidice sunt identice pe mari proporti.
Ereditate nu presupune doar stocarea informatiei genetice dar si transmiterea ei. ADN ca purtator de informatie are o proprietate care tine de insasi esenta vietii: se autocopiaza!
Replicatia(autocopierea) ADN are loc atunci cand o celula se pregateste de diviziune: cantitatea de ADN dublandu-se, celulele fiice vor mosteni in mod egal intreaga informasie genetica de la celula mama.
In acest proces intervin mai multe enzime. Una dinte ele este DN polimeraza. Ele actioneaza precum cursorul unui fermoar despartind cele doua catene. Fiecare catena atrage acum nucleotide libere care se aflau gata sintetizate in lichidul inconjurator. Datorita complementaritatii, nucleotidele libere se vor organiza formand o catena noua pe langa fiecare din cele doua catene vechi(care functioneaza ca o matrita). Vor rezulta doua molecule bicatenare de ADN, identice cu cea initiala, fiecare avand o catena avand o catena veche si una noua sintetizata. Cele doua catene ale macromoleculei de ADN nu se separa tot de la inceputul replicarii. Separarea totala este treptata, pornita fiind din punctul de initiere al replicarii si continuata progresiv spre un punct terminus. Astfel, in plin proces de replicare, macromolecula de ADN capata forma literei Y. Punctul de ramificare a macromoleculei de ADN se numeste bifurcatie de replicare.
Inalta fidelitate a replicatiei ADN asigura transmiterea nealterata a informatiei genetice de la o genetatie de celule la alta, conditie esentiala a continuitatii vietii.
Structura si tipurile de ARN
ARN-ul, spre deosebire de ADN, este o macromolecula alcatuita, de regula, dintr-o singura catena polinucleotidica care se formeaza tot prin legaturile diestericedinte radicalul fosfat si pentoza. Moleculele ARN nu pot avea dimensiuni foarte mari deoarece, cu cat creste numarul nucleotidelor (peste cateva mii ) cu atat stabilitatea moleculei scade.
Sinteza ARN (transcrierea) se realizeaza tot pe baza complementaritatii bazelor azotate ca si in cazul replicatiei ARN. Cele doua catene ale moleculei ADN se despart pe intervalul care urmeaza a fi transcris, numai ca de data aceasta va actiona enzima ARN polimeraza. Acum se va transcrie numai una din catene din molecula ADN:catena sens care va servi ca matrita. Nucleotidele libere care se vor alinia pe baza complementaritatii vor contine riboza. In dreptul adeninei de pe catena veche acum se va atasa uracilul in catena nou sintetizata.
Dupa formarea catenei, molecula ARN paraseste locul transcrierii iar catenele ADN revin la pozitia initiala.
ARN este purtator unic al informatiei ereditare la virusurile ARN(ribovirusur) si la viroizi. Acestia din urma au doar o molecula mica da ARN fara invelis proteic. Ei produc unele boli la plante(boala tuberculilor fusiformi la cartofi).
La restul organismelor, ARN contribuie in diferite moduri la structura si functionarea materialului genetic existand de aceea mai multe tipuri de ARN.
ARN mesager(ARNm) are rolul de a copia informatia genetica dintr-un fragment de ADN si de a o aduce, ca pe un mesaj, la locul sintezei proteice. Moleculele sunt todeauna monocatenare si au lungimi diferite, in functie de marimea moleculelor care urmeaza a fi sintetizate.
ARN ribozomal(ARNr) intra in alcatuirea ribozomilor asociat cu diferite proteine. El este sintetizat tot prin transcrierea din ADN, dupa care catena ARNn se pliaza formand portiuni bicatenare datorita complementaritatii bazelor azotate. Un ribozom este format din doua subunitati care vor recunoaste (tot pe baza complementaritatii) si vor atasa intr ele nucleotidele de recunoastere de la inceputul moleculei de ARNm. Ribozomii au fost descoperiti de savantul George Emil Palade, laureat al premiului Nobel.
ARN de transfer(ARNt) este specializat pentru aducerea aminoacizilor la locul sintezei proteice. Molecula este formata din 70-90 de nucleotide. Are portiuni bicatenare care ii dau forma unei frunze de trifoi. Are doi poli functionali:
a) unul la care se ataseaza un anumit aminoacid;
b) altul care contine o secventa de 3 nucleotide care recunoaste o anumita secventa a ARNm
unde se ataseaza pe baza complementaritatii.
Alte tipuri de ARN intra in constitutia cromozomilor atat la procariote cat si la eucariote.
Ardelean Oana
Cls. a-XII-a M.I.
