![]() |
ÐÓÁÐÈÊÈ |
Ñîâðåìåííàÿ ãåíåòèêà |
ÐÅÊËÀÌÀ |
|
Ñîâðåìåííàÿ ãåíåòèêàadesea molecule centimetrice. În celulele organismelor superioare, s? zicem, la om, lungimea unor filamente din cromozomi atinge câ?iva centimetri. Fire?te, aceasta nu înseamn? deloc c? molecula de ADN poate fi v?zut? cu ochiul liber: grosimea acestor filamente este infim?-de 20-25 angstromi (1 angstrom – 10-8 cm). Tocmai de aceea în munca cu acizii nucleici ?i este nevoie de utilizarea celor mai perfecte microscoape. Dar dac? lungimea acestor molecule este atât de mare, cum de reu?esc ele, totu?i , s? se dezr?suceasc? în celul?, f?r? a se înc?lca ?i în intervale foarte mici de timp? S? examin?m procesul de dezr?sucire a ADN-ului în celulele celor mai mici organisme - a bacteriilor. Lungimea ADN-ului bacterial constituie câ?iva milimetri. Jirul (bucla) unei spirale este egal cu 34 angstromi iar intervalul de timp care se scurge între dou? diviziuni consecutive ale celulelor bacteriene este de 20-45 minute Pentru replicarea (autoreproducerea) ADN- ului se consum? mai pu?in de o treime din acest timp Dac?, pornind de la aceste considera?ii, se va calcula viteza de rota?ie a capetelor moleculelor de ADN la dezr?sucire, se va ob?ine o m?rime fantastic?: 15000 rota?ii pe minut?! Se în?elege de la sine c? acest lucru este pu?in probabil. Aceasta f?ceau necesar elaborarea de noi modalit??i pentru explicarea modului în care ADN reu?e?te s? se dubleze în intervalele de timp atât de scurte. Numeroasele date confirm? c? în procesul diviziunii în celule se produce o repartizare exact? în p?r?i egale a ADN-ului între celulele-fiice. Cum se produce acest fenomen? În principiu în celulele-fiice sunt posibile trei c?i diferite de diviziune a ADN-ului: calea conservativ?, calea semiconservatic? ?i calea dispers?. În caz de replica?ie conservativ? a ADN-ului pe o molecul? integral? cu dou? filamente, se construie?te din nou, ca pe o matri??, o molecul? identic? de ADN, iar celula ini?ial? r?mâne neschimbat?. La metoda semiconservativ? molecula primar? se descompune în dou? filamente ?i pe fiecare din ele se construie?te câte o molecul? integral? de ADN. Metoda de dispersie prevede ca materialul ADN-ului ini?ial s? fie repartizat uniform la celulele-fiice, iar celelalte sectoare ale ADN-ului s? fie construite din nou. Care din aceste metode de replica?ie a ADN-ului se aplic? în realitate? La aceast? întrebare au r?spuns Meselson ?i Stahl, elaborând o metoda special? de centrifugare echilibrat? a moleculelor de ADN. Esen?a acestei metode const? în urm?toarele: dac? la o centrifugare obi?nuit? moleculele polimere se divizau conform greut??ii moleculare, apoi la centrifugarea echilibrat? macromoleculele se divizau conform densit??ii specifice. În acest scop centrifugarea se f?cea într-o solu?ie de s?ruri cu mare densitate. Deoarece întotdeauna se poate alege o concentra?ie a solu?iei care ar corespunde densit??ii polimerului studiat, moleculele substan?ei studiate se concentreaz? în acel loc îngust al epruvetei, unde densitatea substan?ei este egal? cu densitatea mediului, adic? a solu?iei. Ajungând aici, substan?a nu se va mai disloca. Dac? preparatul studiat con?ine câteva tipuri de molecule cu diferit? densitate, ele se vor concentra în diferite sectoare ale epruvetei. Efectuând o serie de experien?e fine, Meselson ?i Stahl au reu?it s? determine mecanismul semiconservativ al replica?iei ADN-ului (des. 8). Dar mai r?mânea ne solu?ionat? înc? o problem?, cea a dinamici procesului de replica?ie: a fost descoperit un ferment special, care realiza replica?ia. Fermentul a fost numit ADN-polimeraz?. A. Cornberg, biochimist american, a Clarificat c? ADN-polimeraza se deplaseaz? din direc?ia polului 5' spre polul 3' al filamentului ADN. Pentru c? filamentele ADN-ului nu sunt paralele în orice pol al lor, un filament purta liber un 3' -atom de hidrat de carbon, iar cel?lalt filament - un 5' -atom. Aceasta înseamn? c? fermentul ADN-polimeraza se putea alipi numai la un pol al ADN (la polul 5') ?i târî de-a lungul acestui filament, iar al doilea trebuia s? r?mân? liber. Dar experien?ele ar?tau, c? se întâmpl? invers - ambele filamente de ADN erau supuse replica?iei. În anul 1968 savan?ii japonezi, în frunte cu R. Ocazachi, au contribuit la solu?ionarea acestei controverse. S-a dovedit c? Cornberg a avut dreptate ?i c? ambele filamente de ADN au fost supuse la dublare, numai c? sinteza noilor filamente se efectua pe segmente scurte - «fragmente Ocazachi», c?ci a?a au fost numite ele mai târziu. Conform concluziei lui Ocazachi, moleculele fermentului ADN-polimeraza se alipesc de ambele filamente de ADN, dar ele trebuie s?-?i încap? munca în direc?ii opuse. Acest lucru e explicat schematic în figura 9: a, b, c. La început ADN-ul se desface de la un pol, formând o furc? de replica?ie de care se alipesc moleculele de ADN-polimeraz?. În timp ce ele muncesc, sintetizând copii ale polilor elibera?i, ADN-ul continu? s? se desfac? ?i pentru ADN-polimeraza devine accesibil un nou sector al ambelor filamente. Prima molecul? a fermentului î?i poate continua mi?carea de-a lungul filamentului 5' eliberat, iar de sectorul elibera al filamentului 3' se alipe?te o nou? molecul? de ADN-polimeraz?. Cu cât se desf??oar? mai mult procesul de desfacere a ADN-ului, cu atât va apare o cantitate mai mare de fragmente. Este interesant c? în experien?ele lui Ocazachi pe filamentele 5' copiile noi se sintetizau ?i ele în fragmente. Ce se întâmpl? cu pun?ile dintre fragmente? Doar ADN-ul din celulele în care s-a terminat diviziunea nu este fragmentar. Cu un an pân? a descoperi Ocazachi acest lucru, savan?ii Riciardson ?i Veis din SUA au g?sit un nou ferment. Func?ia lui consta în a uni, a alipi polii liberi zaharo-fosfatici ai moleculei de ADN. ?i deoarece verbul «a alipi» în englez? sun? «ligaze» fermentul a fost numit «ligaz?». Tocmai ligaza e responsabil? de «cusutul» într-un tot unic al fragmentelor Ocazachi, noi sintetizate, ?i transform? catena fragmentar? de ADN într-o caten? întreag?. Replica?ia ADN este, îns?, numai unul din numeroasele procese care asigur? p?strarea ?i continuarea informa?iei genetice. Pentru transmiterea acestei informa?ii ?i traducerea ei în caractere concrete ale organizmelor, exist? alte procese, la fel de complicate, ?i alte «personaje». Despre unele din ele vom vorbi în continuare. 4.3 Codul genetic Informa?ia genetic? este codificat? în molecula de ADN prin intermediul a 4 tipuri de nucleotide, care fac parte din componen?a ei. Se cunoa?te de asemenea c? informa?ia genetic?, codificat? în ADN, se realizeaz? în procesul sintezei biologice a proteinelor în celul?. Ca ?i acizii nucleici, proteinele sunt compu?i polimerici, dar în calitate de monomeri ele con?in nu nucleotide, ci diferi?i aminoacizi. În structura proteinelor au fost descoperi?i 20-21 de tipuri de aminoacizi. În ce prive?te propriet??ile moleculei de protein?, ele depind nu numai de componen?a lor general?, dar ?i de aranjarea reciproc? a aminoacizilor, exact a?a precum sensul cuvântului depinde nu numai de literele din care este compus, ci ?i de ordinea lor. N. C. Col?ov a calculat câte molecule diferite (izomeri) se pot ob?ine printr-o simpl? schimbare a locului aminoacizilor dintr-un lan? de 17. M?rimea ob?inut? era de circa un trilion' Dac? am dori s? tip?rim un trilion de izomeri, însemnând fiecare aminoacid printr-o liter?, iar toate tipografiile de pe glob ar tip?ri anual câte 50000 de volume a câte 100 coli fiecare, pân? la încheierea acestei munci vor trece tot atâ?ia ani câ?i s-au scurs din perioada arhaic? ?i pân? în prezent Dar majoritatea proteinelor sunt compuse nu din 17, ci din câteva sute de aminoacizi. În acest sens sunt impresionante calculele efectuate de savantul Senger Greutatea molecular? medie a proteinei este egal? cu aproximativ 34000 S-a dovedit c? din 12 tipuri de aminoacizi prin varierea succesiunii lor se poate ob?ine un num?r de 10300 de diferite proteine, greutatea lor total? constituind 10280 grame. E mult sau pu?in? Evident, e o greutate enorm?. Este suficient s? compar?m aceast? greutate cu greutatea p?mântului nostru, egal? cu doar 1027 grame. În acest fel, odat? ce fiecare dintre ace?ti izomeri are propriet??i specifice, rezult? c? înc?rc?tura semantic? în structura primar? a materiei este datorat? secven?ei (de fiecare dat? alta) a aminoacizilor de-a lungul lan?ului polipeptidic. Dac? este a?a, atunci prin analogie, o astfel de înc?rc?tur? semantic? (informa?ie) trebuie c?utat? ?i în succesiunea nucleotidelor în moleculele de ADN. Se isc? întrebarea: în ce mod succesiunea a patru nucleotide diferite din molecula de ADN determin? secven?a a 20 de aminoacizi în molecula de protein?. E cam acela?i lucru ca ?i cum prin combinarea în diferite feluri a patru litere ale alfabetului se pot forma 20 de cuvinte diferite dup? con?inut ?i structur?. S-a dovedit c? prin intermediul a patru baze azotate (nucleotide) se poate transmite o cantitate nelimitat? de informa?ie. Calculele demonstreaz? c? o singur? baz? este capabil? s? codifice nu mai mult de un aminoacid, iar toate cele patru baze (nucleotide) care într? în componen?a acizilor nucleici, respectiv nu mai mult de patru aminoacizi. De aici reiese c? aminoacizii sunt codifica?i (specifica?i) de c?tre grupe de baze. Combina?iile din dou? baze pot codifica numai 16 aminoacizi (42), ne fiind capabile s?-i specifice pe to?i 20. În schimb, combina?iile de trei baze (nucleotide) sunt capabile s?-i specifice pe to?i cei 20 de aminoacizi ?i chiar pe mai mul?i (43=64). Asemenea trei baze, situate una lâng? alta (triplete), se numesc codoni ?i fiecare poate codifica un aminoacid anumit. Urmau de asemenea s? fie rezolvate înc? un ?ir de alte sarcini complicate. În primul rând, era necesar? relevarea modului în care în celul? are loc «citirea» informa?iei genetice. În al doilea rând, care sunt tripletele ce codific?, anumi?i aminoacizi. Prin eforturile mai multor savan?i din diferite ??ri au fost elaborate câteva variante ale codului genetic, dar dintre acestea nu toate au rezistat la verific?ri minu?ioase. Primul care a emis (înc? în anul 1954) ipoteza c? codul genetic are un caracter tripletic a fost fizicianul american de origine rus? G. Gamov. Dup? cum s-a men?ionat, în moleculele de acizi nucleici bazele sunt amplasate unele dup? altele în ?ir liniar ?i citirea informa?iei localizate în ele se poate realiza în chip diferit. Mai jos prezent?m dou? variante de citire a tripletelor care con?in 12 baze: A-T-G-CE -A-T-T-A-G-CE-T-A 1 AA 2 AA 3AA 4 AA 2 AA 3 AA Citirea tripletelor din acest rând (de la stânga) se poate efectua, de exemplu, în felul în care a pro-pus Gamov, respectiv: A-T-G-primul aminoacid (1 AA) T-G-CE-al doilea aminoacid (2 AA). G-CE-A-al treilea aminoacid (3 AA) ?. a. m. d. Un astfel de cod se nume?te suprapus, dat fiind faptul c? unele baze într? în componen?a a mai multor triplete vecine. Dar prin cercet?ri ulterioare s-a demonstrat c? un asemenea cod este imposibil, deci, ipoteza lui Gamov nu ?i a aflat confirmarea. Un alt mod de citire a tripletelor, propus în anul 1961 de F. Cric, este prezentat în continuare: A-T-G - 1 AA; CE-A-T - 2 AA; T-A-G - 3 AA; CE-T-A - 4 AA. Un astfel de cod se nume?te ne suprapus. Informa?ia pe care o con?ine se cite?te succesiv dup? triplete, f?r? omiterea bazelor ?i f?r? suprapunerea lor. În acest fel, textul informa?iei genetice urmeaz? s? fie contopit. Dup? opinia lui Cric, citirea informa?iei se va începe de la un anumit punct din molecula de acid nucleic, în mod contrar textul pe care îl con?ine s-ar denatura tot a?a cum sensul cuvântului, dac? ar fi s?-l citim de la o liter? întâmpl?toare. Experien?ele ulterioare, efectuate de Cric ?i colaboratorii s?i în anul 1963, au confirmat juste?a ipotezei emise de el. Determinarea principiului de citire corect? a informa?iei dup? triplete nu constituia îns? rezolvarea definitiv? a problemei codului genetic, deoarece ordinea de alternare a bazelor în triplete (cuvintele de cod) poate fi variabil?, respectiv: A-G-CE, G-CE-A, CE-G-A, G-A-CE, A-CE-G, CE-A-G ?. a. m. d. Se pune întrebarea: pe care aminoacid îl codific? fiecare dintre tripletele enumerate? Primele date privind componen?a cuvintelor de cod au fost prezentate în anul 1961 în cadrul Congresului interna?ional de biochimie de la Moscova de c?tre savan?ii americani M. Nirenberg ?i J. Mattei. Utilizând sistemul de sintez? artificial? (acelular?) a proteinei, savan?ii au început s? depun? eforturi în vederea descifr?rii «sensului» cuvintelor de cod, adic? a modului de alternare în triplete a bazelor. La început ei au sintetizat un polinucleotid artificial, a?a-numitul poli-U (U-U-U-U-U-U...), care con?inea sub form? de baz? numai uracil. Introducând într-un sistem acelular toate componentele necesare .(suc celular, ribozomi, complexul de fermen?i necesari, o surs? de energie sub form? de acid adenozintrifosforic (ATF), o garnitura complecta compus? din 20 de aminoacizi ?i molecule de poli-U), au constatat c? în acest caz are loc sinteza proteinei compuse din r?m??i?ele unui singur aminoacid - fenilalanin? (fen-fen-fen-fen-fen...). În felul acesta identitatea primului codon a fost descfrat?: tripleta U-U-U corespunde fenilalaninei. Apoi cercet?torii au realizat sinteza altor polinucleotide ?i au stabilit care sunt codonii prolinei (CE-CE-CE) ?i ai lizinei (A-A-A). În continuare s-a realizat sintetizarea garniturilor de trinucleotide (tripletele) cu diferite îmbin?ri ale bazelor ?i s-a stabilit ce fel de aminoacizi se leag? cu ribozomii. Treptat au fost descifra?i to?i cei 64 de codoni ?i a fost alc?tuit «dic?ionarul» complect al codului genetic. Codul genetic (ARN) Dar la ce folosesc tocmai 64 de codoni, dac? în protein? intr? doar 20 aminoacizi? Înseamn? c? ceilal?i sunt de prisos? La început aceast? întrebare i-a pus în încurc?tur? pe savan?i, dar mai târziu a devenit clar c? nu exist? nici un fel de «surplus» de codoni. Experien?ele întreprinse de Nirenberg ?i Leder au demonstrat c? numero?i aminoacizi pot fi codifica?i nu de una, ci de câteva triplete-sinonime. Bun?oar?, aminoacidul numit cistein? poate fi codificat de dou? triplete (UGU, UGC), alanina - de patru (GCC, GCA, GCG, GCU), iar leucina de ?ase, (UUA, UUG, CUU, CUC, CUA ?i CUG). Codul în care unul ?i acela?i aminoacid este codificat de câteva triplete se nume?te cod degenerativ. S-a constatat c? din punct de vedere biologic caracterul degenerativ al codului este avantajos. Este ca un. fel de «m?sur? de siguran??» a naturii, elaborat? în procesul evolu?iei, când, prin înlocuirea unor codoni prin al?ii, se realizeaz? posibilitatea p?str?rii structurii ?i a însu?irilor specifice ale proteinelor. Datorit? caracterului degenerativ al codului, diferite organisme pot s? introduc? în proteinele de care dispun unii ?i aceea?i aminoacizi, folosind în acest scop diferi?i codoni. |Pri|A doua nucleotid? a codonului |A | |ma | |tre| |nuc| |ia | |leo| |nuc| |tid| |leo| |? a| |tid| |cod| |? a| |ulu| |cod| |i 5| |onu| | | |lui| | |U |C |A |G | | |U |[pic]} fenilalanin? |[pic]}serin? |[pic]}tirozin?, |[pic]}cistein?|U | | |[pic]} leucin? | |UAA ocru | |C | | | | |UAG ambr? |UGA azur |A | | | | | |UGG triptofan |G | |C |[pic]} leucin? |[pic]}prolin? |[pic]}histidin? |[pic]}arginin?|U | | | | |[pic]}glutamin? | |C | | | | | | |A | | | | | | |G | |A |[pic]} izoleucin? |[pic]}treonin?|[pic]}asparagin? |[pic]}serin? |U | | |AUG | |[pic]}lizin? |[pic]}argin? |C | | |metionin? | | | |A | | | | | | |G | |G |[pic]} valin? |[pic]}alanin? |[pic]}acid |[pic]}glicocol|U | | |GUG valin? sau | |asparatic | |C | | |formilmet. | |[pic]}acid | |A | | | | |glutamic | |G | ?i într-adev?r, s? ne imagin?m pentru o clip? c? moleculele de ADN (?i corespunz?tor cele de ARN) ale fiec?rei celule con?in numai câte un singur codon pentru fiecare aminoacid. În rezultatul unor muta?ii ace?ti codoni se pot modifica ?i dac? ei nu au schimb, aminoacizii care le corespund nu vor fi cuprin?i în proteine, fapt care va duce la schimbarea structurii ?i func?iilor lor iar aceasta poate conduce, în consecin??, la urm?ri negative pentru activitatea vital? a întregii celule. Dac?, îns?, în urma muta?iei se va forma un codon-sinonim, atunci totul va r?mâne f?r? schimb?ri. Ceva asem?n?tor ne putem imagina ?i în cazurile când într-o ?coal? sau institu?ie de înv???mânt superior pentru predarea unui obiect oarecare exist? numai un singur cadru didactic. Dac?, de exemplu, acesta se îmboln?ve?te ?i nu are cine s?-l înlocuiasc? pentru un timp predarea disciplinei respective se întrerupe. Probabil, c? ar fi fost mai chibzuit dac? ar fi existat un înv???tor (lector) care, intervenind la timp, s? continue predarea acestei discipline. Cel pu?in pentru ca elevii s? nu dovedeasc? s? uite materialul studiat sau pentru ca predarea obiectului dat s? nu fie reprogramat? pentru alt trimestru. Cum s-a remarcat deja, moleculele acizilor nucleici sunt catene polinucleotidice, alc?tuite din ?iruri lungi de triplete. De-a lungul moleculelor de ADN numeroase triplete – codonii - formeaz? sectoare aparte, numite cistrone sau gene. Fiecare gen? con?ine informa?ia necesar? pentru realizarea sintezei unei anumite proteine. Dar deoarece genele sunt am- plasate în moleculele de ADN în ordine liniar?, una dup? alta, se întreab?: unde începe ?i unde se termin? citirea ?i transmiterea informa?iei genetice privind fiecare protein? în parte ?i ce semne conven?ionale sunt folosite în acest scop? Doar codul genetic este, dup? cum ?tim, compact, f?r? nici un fel de virgule în «textul» s?u. S-a dovedit c? între cei 64 de codoni exist? astfel de triplete a c?ror func?ie const? în marcarea începutului ?i sfâr?itului citirii (transcrip?iei) ?i transmiterii (transla?iei) informa?iei genetice, con?inut? în gene. Începutul transl?rii genelor (sau, aceea ce e acela?i lucru, începutul sintezei proteinei date) se marcheaz? prin tripleta AUG. denumit? respectiv de ini?iere. Tripletele UAG ?i UAA marcheaz? sfâr?itul transl?rii genelor (încheierea procesului de sintez? a proteinelor) ?i sunt corespunz?tor denumite finale. În ce const? esen?a procesului de descifrare a codului genetic ?i a biosintezei proteinelor? Toate caracterele ?i însu?irile organismelor sunt determinate de proteine. Prin urmare, transmiterea informa?iei genetice în procesul sintezei proteice se desf??oar? strict conform unui anumit plan (program), schi?at din timp. Rolul de baz? în biosinteza proteinelor îl joac? acizii nucleici: ADN ?i câteva tipuri diferite de ARN, care se deosebesc dup? structur?, mas? molecular? ?i func?ii biologice. Dintre ace?tia face parte a?a-numitul ARN informa?ional sau de informa?ie (ARN-i), ARN de transport sau de transfer (ARN-t) ?i ARN ribozomal (ARN-r). Ei sunt sintetiza?i de pe matri?ele de ADN ale celulelor, cu participarea fermen?ilor corespunz?tori - ARN- polimeraze, iar apoi încep s? îndeplineasc? func?iile ce le au în procesul biosintezei proteinelor. Astfel ARN-r, unindu-se în complexe cu proteine speciale, formeaz? ribozomii, în care are loc sinteza tuturor tipurilor de protein? (proteinosinteza). Ribozomii constau din dou? subunit??i. În celul? num?rul de ribozomi se ridic? la circa 100 mii ?i de aceea cantitatea general? de ARN-r din ei constituie circa 80% din totalul de ARN al celulei. Care sunt, deci, func?iile biologice ale ADN-ului, ARN-i ?i ARN-t? Care este contribu?ia lor nemijlocit? în procesul de biosintez? a proteinelor? Vom remarca de la bun început c? ADN nu particip? nemijlocit la sinteza proteinelor. Func?ia lui se limiteaz? la p?strarea informa?iei genetice ?i la replicarea nemijlocit? a moleculei, adic? la formarea de copii necesare pentru transmiterea informa?iei urma?ilor. Prima etap? a biosintezei proteinelor o constituie recep?ionarea informa?iei genetice de la ADN ?i înscrierea ei pe o molecul? ARN-i, proces care se realizeaz? în felul urm?tor: pe unul din firele moleculei de ADN cu ajutorul fermentului ARN-polimeraz? din nucleotidele libere se sintetizeaz? firul ARN-i, în care locul timinei (T), con?inute în ADN, îl ia uracilul (U). Molecula ARN-i sintetizat?, care a preluat informa?ia con?inut? în ADN, se instaleaz? apoi în ribozomi, unde va servi în calitate de matri?? pentru sintetizarea proteinelor. Aceasta înseamn? c? succesiunea aminoacizilor din molecula de protein? este determinat? de succesiunea nucleotidelor în ARN-i. Schematic acest proces poate fi exprimat astfel: ADN(ARN-i(protein?. Pe lâng? ARN-i citoplasma celulelor mai con?ine nu mai pu?in de 20 de tipuri de ARN-t - aceasta fiindc? fiec?rui aminoacid îi corespunde cel pu?in o molecul? «a sa», specific?, de ARN-t. Func?ia lui ARN-t const? în transportarea aminoacizilor spre ribozomi ?i a?ezarea lor pe matri?a de ARN- i în cadrul lan?ului peptidic, în conformitate cu codul sintezei proteice. Pentru aceasta fiecare ARN-t trebuie «s? înha?e» aminoacidul corespunz?tor ?i împreun? cu acesta s? treac? în ribozom. La realizarea acestei opera?ii ei sunt ajuta?i de omniprezen?ii fermen?i, care fac aminoacizii mai activi. La propunerea academicanului V. A. Enghelgard ace?ti fermen?i, dat fiind faptul c? ei particip? la descifrarea codului genetic, au fost numi?i codaze. De remarcat c? fiec?rui aminoacid îi corespunde o codaz? specific?. În acest fel, pentru to?i cei 20 de aminoacizi exist? tot atâtea tipuri de ARN-t ?i respectiv de codaze. La unul din capete moleculele de ARN-t au un sector acceptor cu ajutorul c?ruia ele ata?? aminoacizii, în timp ce la cel?lalt cap?t se afl? un anticodon-triplet? cu func?ie complementar? fa?? de codonul corespunz?tor din ARN-i. «Înc?rcate» cu aminoacizi, moleculele de ARN-t se apropie de ribozom ?i se unesc cu codonii corespunz?tori de ARN-i, pentru a-i complini. Procesul de translare a informa?iei genetice înseamn? transferarea succesiunii nucleotidelor ARN-i în succesiunea aminoacizilor în lan?ul polipeptidic al proteinei. Sinteza proteinei începe în momentul în care în ribozomi p?trund dou? molecule de ARN-t; prima corespunde tripletei ini?iale, iar a doua - unei alte triplete de ARN-i, care urmeaz? nemijlocit dup? prima. Când aceste molecule ajung s? se afle al?turi, aminoacidul de pe prima molecul? de ARN-t trece pe cea de-a doua molecul? de ARN-t, unindu- se cu aminoacidul acesteia. În acest fel prima molecul? de ARN-t se pomene?te lipsit? de aminoacid ?i iese în citoplasm?, în timp ce cea de-a doua molecul? de ARN-t con?ine doi aminoacizi, uni?i prin leg?tur? peptidic?. În continuare, ribozomul se deplaseaz? cu o triplet? de-a lungul moleculei de ARN-i ?i în el într? o nou? molecul? de ARN-t, a c?rei anticodon este complementar fa?? de cea de-a treia triplet? (codon) a ARN-i din ribozom. Dipeptida (sau primii doi aminoacizi) se desprinde de cea de-a doua molecul? de ARN-t ?i trece pe cea de-a treia molecul? de ARN-t numai ce întrat? în ribozom. În acest fel se pomenesc unul lâng? altul trei aminoacizi lega?i între ei ?i procesul se repet?, pân? când este translat ultimul codon al ARN-i. În mod obi?nuit fenomenul transmiterii informa?iei genetice este comparat cu modul de func?ionare al unei ma?ini de scris, unde dup? fiecare ap?sare a clapelor careta se deplaseaz? cu o liter?, f?când loc pentru imprimarea urm?toarelor, pân? nu este dactilografiat tot textul. Încheind transmiterea informa?iei, ribozomul p?r?se?te firul de ARN-i ?i se localizeaz? iar??i în citoplasm?. Moleculele de ARN-i pot avea, în dependen?? de num?rul de gene (cistroane) pe care le con?in, diferite m?rimi. Este limpede faptul c? dac? ctirea de pe o molecul? lung? de ARN-i ar fi efectuat? de un singur ribozom, sinteza proteinei s-ar desf??ura încet: iat? de ce la translarea unor astfel de molecule de ARN-i ribozomii lucreaz? prin «Metoda de brigad?», câteva zeci de ribozomi unindu-se ?i formând a?a-numi?ii poliribozomi, sau, mai simplu, polizomi. Dar cum, totu?i , afl? ribozomii din care cap?t al moleculei de ARN-i trebuie s? încap? translarea informa?iei genetice? S-a stabilit c? ambele capete ale moleculei de ARN-i sunt marcate distinct de anumite grupe. La unul din capete exist? grupuri fosfatice (însemnate conven?ional prin ppp- uri latine?ti), iar la altul-grupa hidroxil? (ON). Prescurtat ele sunt însemnate respectiv prin 5' ?i 3'. Ribozomii se deplaseaz? întotdeauna de la cap?tul 5' spre cap?tul 3', a?a cum e ar?tat pe schema ce urmeaz?: 5' PPP-uri AUG-GCU-UCU-AAC-UUU-CGA-AAC-CUG ON... 3'. S-a mai constatat ?i faptul c? în moleculele acizilor nucleici nu toate tripletele sunt citite. Asemenea triplete ca UAG, UAA ?i UGA sunt repartizate în locuri diferite: la începutul, la sfâr?itul sau în sectoarele medii ale lan?ului între anumite gene. Datorit? faptului c? nu sunt translate, aceste triplete servesc ca un fel de zone de frontier? între genele pe care sinteza lan?urilor polipeptidice se întrerupe. Cu ce ar putea fi comparat? activitatea codului genetic? Vom aduce aici un exemplu interesant din cartea lui X. Raubah «Enigmele moleculelor». Catena polipeptid? ne-o putem imagina ca pe un tren de marf?, iar compunerea catenei peptide poate fi comparat? cu formarea acestui tren. La centrul de comanda (în nucleul celulei) este preg?tit? o list? în care se indic? succesiunea vagoanelor (o caten? de ADN). Aceast? informa?ie urmeaz? s? fie transmis? la sta?iunea de sortare (ribozomele din citoplasm?). Translarea este efectuat? de un teleimprimator de construc?ie special?. Pentru ca teleimprimatorul s? poat? func?iona, lista ini?ial? trebuie s? fie transcris? pe una complementar? (ARNi). În procesul acestei transcrieri se produce transformarea lui CE în G, lui G în CE, lui T în A. Teleimprimatorul mai are o particularitate: de fiecare dat?, când la transformarea lui A trebuie s? apar? semnul T, teleimprimatorul scrie U, dup? cum se indic? mai jos. Lista ini?ial? (catena ADN) TAC GAT CCC AGG CGT CAA AAG ATA ATT Transcrierea AUG CUA GGG UCC GCA GUU UUC UAU UAA Lista complementar? (ARNi) Acum aceast? informa?ie transmis? prin teleimprimator este tradus? cu ajutorul tabelelor codului (translarea). Traducerea îi indic? ?efului de manevr? succesiunea în care trebuie cuplate vagoanele. Mii de vagoane a?teapt? s? fie aduse la trenul care se formeaz?. O mic? locomotiv? electric? de manevrare (este a treia varietate de ARN - ARN de transport) trage vagoane aparte la cocoa?a de tiraj. ?eful de manevr? formeaz? acum trenul în conformitate cu traducerea pe care a primit-o. Se ob?ine urm?toarea succesiune a vagoanelor (aminoaczilor); Met-Leu-Gli--Ser-Ala-Val-Fen-Tir - sfâr?it. AUG este semnalul de start din ARNi: d? ordinul s? se înceap? sintetizarea catenei peptidice; ARNt- aduce la locul de sintetizare aminoacidul metionina (Met.). Met- este locomotiva electric?. Apoi tripleta CUA trebuie s? aduc? ?i s? cupleze cel?lalt vagon - aminoacidul leucina (Leu), apoi tripleta GGG - glicina (Gli) ?. a. m. d. Astfel, conform «planului de construc?ie» pus în ADN, catena polipeptid? (trenul) cre?te, datorit? aminoacizilor (vagoanelor) aduse ?i cuplate la locurile lor. Terminarea form?rii trenului este indicat? în lista complementar? de tripleta UAA. Tot despre aceasta semnalizeaz? ?i ceilal?i codoni finali - UAG ?i UGA. La sfâr?itul acestor referin?e despre moleculele ereditare poate s? se nasc? în mod firesc urm?toarea întreb?ri: codul genetic este unul ?i acela?i pentru toate organismele sau, de exemplu, între cel al plantelor ?i animalelor exist? anumite diferen?e? R?spunsul la aceast? întrebare este pozitiv. Mecanismul general de sintez? a proteinelor este universal pentru toate organismele vii. Pentru majoritatea aminoacizilor s-a constatat o coinciden?? deplin? a codonilor din organisme, f?când parte din regnuri diferite, la unele organisme, îns?, codonii prezint? anumite devieri care se explic? prin caracterul degenerativ al codului. În acest fel, «limbajul» genetic al naturii este unitar, dar în el exist? anumite «dialecte», ca, de altfel, în toate limbile lumii. 4.4 Mecanismul de repara?ie a defectelor din ADN Acizii nucleic ca oricare alte molecule organice, oricât ar fi ap?rate de celule, sunt supu?i permanent ac?iunii celor mai diferi?i factori ai mediului. De aceea ace?tia modific? structura armonioas? a acizilor ?i, respectiv, func?iile, pe care le realizeaz?. Din modific?rile principale ce se produc în ADN fac parte: substituirea, excluderea ?i amplasarea bazelor. Aceste transform?ri din ADN au fost numite muta?ii genice. Ele toate conduc la denatur?ri în structura primar?, precum ?i în cele secundar?, ter?iar? ?i cvarternar? a proteinelor. Aceste modific?ri sunt succedate de propriet??i-le lor func?ionale, fapt ce influen?eaz? direct asupra func?ion?rii celulelor ?i a întregului organism. Muta?iile genice se mai numesc ?i boli moleculare, deoarece acestea provoac? adesea modificarea tipului de metabolism. La om au loc peste o mie de aceste boli moleculare, printre care cit?m galactozemia, alcaptonuria, fenilcetonuria, drepanochitoza ?. a. Celulele sangvine ro?ii (eritrocitele normale) au o form? rotund? sau elipsoid?. Dac? în timpul sintezei p?r?ii proteice a hemoglobinei acidul glutamic (Glu) în pozi?ia 6 este substituit cu valina (Val), va apare în loc de hemoglobin? normal? (HbA) o hemoglobin? anormal? (HbS). Eritrocitele cu hemoglobin? anormal? au o form? de secer? ?i nu sunt în stare s? îndeplineasc? func?ia lor de baz? - s? aduc? oxigenul la toate ?esuturile organismului. De aceea pruncii care sufer? de aceste boli moleculare ca regul? tr?iesc aproximativ doi ani ?i mor de anemie - insuficien?? de oxigen. Acestea sunt fenomenele ap?rute în urma denatur?rii codului genetic. Factorii mediului înconjur?tor, care exercit? o ac?iune direct? asupra moleculelor acizilor nucleici, provocându-le muta?ii de diferite tipuri, sunt, în primul rând, diferitele radia?ii ionizante-?i numero?ii agen?i chimici. Num?rul lor total este atât de mare, încât, dac? celulele n-ar fi ocrotite de ei, ar fi imposibil? apari?ia unei descenden?e s?n?toase. Natura, îns?, a avut grij? s? înarmeze la timp celulele cu un sistem puternic de ap?rare contra ac?iunii factorilor mutageni. Savan?ilor le-a revenit sarcina s? descopere taina sistemului de protec?ie a celulelor. În deceniul al ?aselea s-a început studierea sistematic? a ac?iunii radia?iei asupra celulelor, ?i, în primul rând, asupra genelor lor, precum ?i cercet?rile metodelor de protec?ie a organismelor contra iradierii. În aceste cazuri experien?ele încep prin utilizarea organismelor monocelulare, care, de regul?, se aseam?n? între ele. Suspensiile de celule sunt expuse la raze în doze crescânde ?i savan?ii caut? s? determine rezisten?a lor biologic? dup? expunere. Odat? A. Chelner a schimbat condi?iile experien?ei: jum?tate din suspensia iradiat? a celulelor a l?sat-o s? creasc? la întuneric, cealalt? jum?tate - s? creasc? la lumin?. Rezultatul a fost neobi?nuit. Celulele care au fost supuse la raze în întuneric ?i apoi transferate pentru a cre?te la lumin? au supravie?uit mult mai bine, decât celulele care cre?teau la întuneric. La sfatul magistrului s?u M. Delbruc a numit acest fenomen fotoreactivare, adic? restabilire luminoas?. Imediat s-a pus întrebarea - ce se produce cu ADN-ul în timpul supunerii la raze. Sa stabilit c? în timpul supunerii la raze dou? timine, care se afl? al?turi, se contopesc într-o singur? structur? (TT), formând o molecul? dubl?, numit? dimer al timinelor. Sa constatat o corespundere exact? între num?rul dimerilor din ADN ?i nivelul mortalit??ii, Leg?tura s- a dovedit a fi direct?: cu cât erau mai mul?i dimeri, cu atât era mai înalt? mortalitatea. A fost clarificat? ?i cauza acestui fenomen. Dimerul denatureaz? molecula de ADN. ADN-ul se desface în locurile dimere ?i, natural, cu cât sunt mai multe sectoarele tulburate, cu atât el este mai pu?in activ. A devenit limpede c? dup? fotoreactivare num?rul dimerilor din ADN, supus la radia?ie, trebuie s? se reduc?. La sfâr?itul deceniului al ?aselea geneticiianul american C. Rupert a dovedit c? procesul fotoreactiv?rii se realizeaz? cu ajutorul unui ferment special, numit ferment fotoreactivator. Rupert a dovedit c? fermentul se une?te cu ADN-ul supus la raze ?i restabile?te integritatea lui. S-a clarificat ?i rolul luminii vizibile. Tocmai cvan?ii luminii vizibile excitau moleculele fermentului ?i le permiteau s?-?i manifeste activitatea reparatoare. La întuneric fermentul r?mânea inactiv ?i nu putea t?m?dui ADN-ul. Setlou, un alt savant american, a demonstrat mai târziu c? fermentul fotoreactivator desface pur ?i simplu leg?turile ce s-au format între moleculele vecine de timin?, ?i, ca urmare, structura ADN cap?t? forma lui anterioar? ?i se restabile?te complect activitatea lui biologic?. Fermen?ii reactivan?i au fost descoperi?i nu numai la bacterii, dar ?i în celulele plantelor ?i animalelor. Îns? posibilit??ile celulelor vii de a trata moleculele lor ereditare nu se limiteaz? la reac?ia fotoreactiv?rii. Sa constatat c? celulele pot s? se t?m?duiasc? ?i la întuneric. Dar în aceste condi?ii func?ioneaz? cu totul alte sisteme de fermen?i. Un alt sistem de protec?ie a celulelor - repara?ia la întuneric - s-a dovedit a fi mult mai complicat decât fotoreactivarea. Dac? fotoreactivarea este efectuat? numai de un singur ferment, apoi în repara?ia la întuneric particp? cel pu?in 5 fermen?i. Dac? în procesul fotoreactiv?rii sunt înl?turate numai leziunile prin expunerea la raze ultraviolete (UV) -dimerii timinei, apoi în timpul repara?iei la întuneric se vindec? ?i celelalte leziuni, inclusiv cele provocate de numero?ii agen?i chimic, care vat?m? ADN-ul. Procesul repara?iei la întuneric se deosebe?te radical de procesul fotoreactiv?rii. Sectoarele lezate sunt, pur ?i simplu, extirpate din ADN. Aceast? extirpare se realizeaz? în câteva etape, precum vedem în fig. 11. La început un ferment special taie unul din filamentele ADN-ului în apropiere de punctul lezat. Apoi un alt ferment taie sectorul lezat. Al treilea ferment l?rge?te bre?a format?: el taie unul dup? altul nucleotidele în catena lezat? a ADN-ului. Al patrulea ferment începe a astupa bre?a. În conformitate cu ordinea nucleotidelor r?mase în al doilea filament al ADN-ului, ce se afl? în fa?a filamentului extirpat, fermentul ADN-polimeraza începe procesul de astupare a bre?ei. Fermentul al cincilea - ligaza, despre care s-a mai men?ionat, une?te polii filamentului vechi cu cei ai fragmentului nou construit, terminând astfel restabilirea ADN-ului. A?a dar, dac? în cazul de fotoreactivare tratamentul constituie un amestec «terapeutic» delicat, apoi în timpul repara?iei la întuneric se efectueaz? o adev?rat? opera?ie «chirurgical?». Fragmentul lezat este, pur ?i simplu, extirpat din ADN ?i dat afar?. Celula se autoopereaz?. P?rea stranie tendin?a celulei de a l?rgi bre?a pân? la m?rimi gigantice dup? extirparea leziunii. Un lucru asem?n?tor face ?i chirurgul, care, extirpând ?esutul bolnav, taie ?i o parte din ?esutul s?n?tos pentru a lichida urmele bolii. Posibil c? aceast? l?rgire a bre?ei este determinat? de faptul c? pentru func?ionarea corect? a fermentului el trebuie s?-?i înceap? munca de la un anumit punct. Acest punct de «start» pentru începutul muncii ADN- polimerazei poate fi hotarul genei. În timpul unor experien?e autorii au notat c? bre?a era l?rgit? în unele celule pân? la 1000 de nucleotide, în altele - doar cu câteva zeci de nucleotide, dup? care l?rgirea bre?ei se oprea. S? vedem din ce motiv se întâmpl? acest lucru, V. Soifer înc? în anul 1969 a presupus c? pentru a se evita gre?eli în cursul opera?iilor posterioare de vindecare a leziunii, este necesar ca filamentul lezat s? fie distrus complect pân? la cap?tul genei în care a ap?rut ini?ial leziunea. În cazurile când leziunea se afla în apropiere de hotarul genei, nu e nevoie a se extirpa atât de multe nucleotide. În toate celelalte cazuri e necesar? extirparea unor por?iuni mult mai mari. Am vorbit numai despre dou? sisteme de repara?ie a celulelor care î?i protejeaz? materialul genetic de ac?iunile d?un?toare ale razelor UV ?i ale radia?iei ionizate. Deoarece partea covâr?itoare a energiei radiante o formeaz? aceste feluri de radia?ie, este limpede ce proprietate de valoare constituie capacitatea celulelor de a-?i repara structurile genetice dup? ac?iunea acestor raze. Asupra structurilor genetice exercit?, îns?, influen?? ?i al?i factori cu diverse mecanisme de ac?iune. De aceea celulele au elaborat diferite mecanisme de autoprotec?ie, dintre care multe au fost studiate doar par?ial, majoritatea lor r?mânând înc? necunoscute ?i este pu?in probabil ca în viitorul apropiat s? fie clarificate definitiv. Natura a înzestrat fiin?ele vii cu multe enigme ?i procesul de descoperire a tainelor vie?ii de bun? sam? nu se va sfâr?i niciodat?. V. DETERMINISMUL GENETIC AL SEXULUI 5.1 De ce sunt necesare dou? sexe? Indivizii diferitelor specii se deosebesc printr-un ?ir de tr?s?turi, care în ansamblu formeaz? a?a-numitul dimorfizm sexual. La animalele superioare ?i la om aceste diferen?e sunt atât de accentuate, încât au fost puse la baza clasific?rii în dou? sexe - masculin ?i feminin. Sexul constituie unul dintre cele mai complicate caractere ale organismului, având o determinare genetic?. În sens larg prin sex se în?elege ansamblul de caractere ?i însu?iri ale organismului, care asigur? reproducerea ?i transmiterea informa?iei genetice. La majoritatea speciilor el se diferen?iaz? înc? în stadiul embrionar de dezvoltare a organismului. Când se vorbe?te de diferen?ierea sexului, se are în vedere procesul dezvolt?rii în cursul c?ruia se formeaz? deosebirile sexuale la masculi ?i femele. Sexul ?i caracterele sexuale joac? un rol esen?ial la înmul?ire. Exist? dou? modalit??i fundamentale de înmul?ire a organismelor: asexuat? ?i sexuat?. La realizarea înmul?irii asexuate particip? numai un singur individ, care produce o genera?ie identic? lui. La înmul?irea sexuat? iau parte doi p?rin?i. Din punct de vedere genetic aceast? deosebire în modul de realizare a înmul?irii are o mare importan??, deoarece în urma înmul?irii asexuate urma?ii nu prezint? nici un caracter nou, în timp ce prin înmul?irea sexuat? de fie-care dat? apar indivizi care prezint? anumite diferen?e în raport cu p?rin?ii. Înmul?irea asexuat? se întâlne?te în temei la organismele unicelulare, iar cea sexuat? este caracteristic? pentru majoritatea speciilor de plante ?i animale superioare. Sub raport evolutiv înmul?irea sexuat? este superioar? celei asexuate. Superioritatea acestei c?i de înmul?ire const? în faptul c? prin ea are loc combinarea caracterelor ereditare, aceea ce determin? apari?ia unor diferen?e genetice la descenden??. Înmul?irea sexuat? este realizat? prin încruci?area unor indivizi de sexe diferite. A?a stând lucrurile, este limpede c? încruci?area este necesar? pentru formarea variet??ii genetice. Dar întotdeauna oare, pentru realizarea înmul?irii, sunt necesari indivizi de dou? sexe? Unele specii de ?opârle sunt compuse numai din indivizi de genul feminin. Ele depun ou? ne fecundate din care apar de asemenea numai femele. Reiese, deci, c? pentru perpetuarea speciei masculii nu întotdeauna sunt absolut necesari. O alt? form? curioas? de reproducere o prezint? cara?ii argintii. ?i ei sunt reprezenta?i numai prin femele, dar care apeleaz? în schimb... la serviciile masculilor de alt? specie. Produsele sexuale ale acestor masculi le activizeaz? icrele, stimulându-le dezvoltarea. Adev?rata contopire, îns?, a nucleelor celulei masculine ?i a celei feminine - adic? fecundarea - nu se produce. Din punct de vedere genetic masculii nu particip? în acest caz la formarea descenden?ei ?i de aceea nu pot s? pretind? dreptul de paternitate. La unele specii de animale se întâlnesc cazuri de tratare cât se poate de nedreapt? a masculilor. Astfel, la o serie de specii de p?ianjen femelele caut? s?-?i consume dup? împerechere masculii. Pentru a evita acest destin, masculul aduce înainte de împerechere femelei ceva de mâncare. Într-un fel asem?n?tor procedeaz? ?i femelele c?lug?ri?ei, care în timpul împerecherii consum? capul masculului. ?i acesta ajunge s?-?i îndeplineasc? misiunea, fiind deja f?r? cap. Dar la majoritatea speciilor de animale femelele manifest? destul? toleran?? fa?? de masculi. Este expresia faptului c? masculii sunt, totu?i, necesari. Pentru ce? Iat? ce gânde?te în leg?tur? cu acest aspect V. Gheodachean, specialist în domeniul geneticii popula?iilor. S? presupunem, c? într-o rezerva?ie natural? urmeaz? s? fie adu?i 100 de zimbri. Înainte de toate se ridic? problema alegerii raportului dintre sexe, adic? a num?rului de vaci ?i de tauri care urmeaz? s? fie ale?i, pentru a li se da drumul împreun?. În acest caz totul depinde de scopul care se urm?re?te. Dac? se va sconta ob?inerea unui num?r maximal de vi?ei pentru producerea de carne, este ra?ional s? se aleag? 99 de vaci ?i un bou. În acest caz în fiecare genera?ie nou? ar putea s? se nasc? 99 de vi?ei, care vor sem?na cu tat?l, prezentând diferen?e numai în raport cu mama. În acest caz num?rul maxim de combina?ii posibile dintre p?rin?i va fi egal cu 99. Dac? se urm?re?te ob?inerea unei varia?ii maxim posibile, se va |
|
© 2007 |
|