Genetica moleculară

Genetica moleculară este ramura geneticii care studiază structura, funcțiile și mecanismele de exprimare ale materialului genetic la nivel molecular. Ea explică modul în care informația ereditară este stocată în acizii nucleici, copiată înaintea fiecărei diviziuni și folosită de celulă pentru sinteza proteinelor.

Structura ADN-ului

Compoziția chimică a ADN-ului

Acidul dezoxiribonucleic (ADN) este o macromoleculă formată din unități repetitive numite nucleotide. Fiecare nucleotidă are trei componente:

• o bază azotată, care poate fi purinică (adenina, A și guanina, G) sau pirimidinică (citozina, C și timina, T);
• o pentoză, dezoxiriboza (un zahăr cu cinci atomi de carbon);
• un radical fosfat, prin care nucleotidele se leagă între ele.

Nucleotidele succesive ale unei catene sunt unite prin legături fosfodiesterice, formate între radicalul fosfat legat de carbonul 5' al unei nucleotide și carbonul 3' al pentozei nucleotidei precedente. Astfel rezultă o catenă polinucleotidică cu două capete diferite, 5' și 3'. Succesiunea nucleotidelor dintr-o catenă reprezintă structura primară a ADN-ului și constituie informația genetică.

Modelul dublului helix

În anul 1953, James Watson și Francis Crick au propus modelul structural al ADN-ului, pe baza imaginilor de difracție cu raze X obținute de Rosalind Franklin și Maurice Wilkins. Conform acestui model, care descrie structura secundară a ADN-ului, molecula este un dublu helix (dublă elice) cu următoarele caracteristici:

• este alcătuită din două catene polinucleotidice antiparalele (una orientată 5'→3', cealaltă 3'→5');
• catenele sunt răsucite spre dreapta în jurul unui ax comun;
• bazele azotate sunt orientate spre interiorul helixului, iar scheletul format din pentoze și fosfați se află la exterior;
• bazele complementare sunt unite prin punți de hidrogen: A=T (două punți) și G≡C (trei punți);
• distanța dintre două perechi de baze succesive este de 0,34 nm, iar o spiră completă cuprinde aproximativ 10 perechi de baze (3,4 nm).

Prin încălzire sau la pH extrem, punțile de hidrogen se rup și cele două catene se separă (denaturare); prin răcire lentă, catenele complementare se reunesc (renaturare). Moleculele bogate în perechi G≡C se denaturează mai greu, deoarece sunt unite prin mai multe punți de hidrogen.

Regulile lui Chargaff

Erwin Chargaff a constatat că în ADN-ul bicatenar cantitatea de adenină este egală cu cea de timină (A = T), iar cantitatea de guanină este egală cu cea de citozină (G = C). Rezultă că numărul bazelor purinice este egal cu cel al bazelor pirimidinice (A + G = T + C). Aceste observații, cunoscute drept regulile lui Chargaff, au contribuit la descoperirea structurii ADN-ului și se explică prin principiul complementarității bazelor azotate.

Organizarea materialului genetic

Materialul genetic este organizat diferit la principalele grupe de organisme:

• la virusuri, genomul este format din ADN sau ARN, mono- sau bicatenar, protejat de un înveliș proteic (capsidă);
• la procariote, genomul este reprezentat de un singur cromozom, o moleculă de ADN bicatenar circular, fără histone, aflată în nucleoid; pe lângă acesta pot exista molecule mici de ADN circular numite plasmide;
• la eucariote, ADN-ul nuclear este repartizat în mai mulți cromozomi liniari; el se înfășoară în jurul unor complexe de histone, formând nucleozomi, și se compactează pe mai multe niveluri, până la cromozomul metafazic. În interfază, cromatina puțin condensată, activă genetic, se numește eucromatină, iar cea puternic condensată, inactivă, heterocromatină.

Celulele eucariote conțin și ADN extranuclear, circular, în mitocondrii și, la plante, în cloroplaste.

Replicarea ADN-ului

Mecanismul semiconservativ

Replicarea este procesul prin care molecula de ADN se copiază, înainte de diviziunea celulară, în perioada S a interfazei. Ea reflectă funcția autocatalitică a ADN-ului, adică proprietatea lui de a dirija sinteza unor copii identice ale sale. Replicarea este semiconservativă: fiecare moleculă-fiică de ADN conține o catenă parentală (veche) și o catenă nou sintetizată. Mecanismul a fost demonstrat experimental de Matthew Meselson și Franklin Stahl în 1958.

Etapele replicării

1. Inițierea: enzime numite helicaze desfac dublul helix în anumite puncte, numite origini de replicare, prin ruperea punților de hidrogen dintre baze; se formează furci de replicare.
2. Elongația: ADN-polimeraza adaugă nucleotide complementare celor de pe catena-matriță, numai la capătul 3' al catenei în formare, deci sinteza decurge în sensul 5'→3'. Pentru a începe sinteza, enzima are nevoie de un segment scurt de ARN, numit primer (amorsă).
   • Pe una dintre catene (catena continuă), sinteza se face fără întrerupere, în sensul deschiderii furcii.
   • Pe cealaltă catenă (catena discontinuă), sinteza se face în fragmente scurte, numite fragmente Okazaki, care sunt apoi unite de ADN-ligază.
3. Terminarea: primerii de ARN sunt înlocuiți cu ADN, fragmentele sunt unite, iar rezultatul sunt două molecule de ADN identice cu molecula inițială.

Corectarea erorilor

ADN-polimeraza verifică nucleotidele pe care le adaugă și le poate înlocui pe cele împerecheate greșit. Datorită acestui mecanism de corectare și sistemelor de reparare a ADN-ului, erorile de replicare sunt foarte rare, de ordinul unei erori la un miliard de nucleotide copiate. Erorile rămase necorectate devin mutații.

Tipurile de ARN

Acidul ribonucleic (ARN) este de obicei o moleculă monocatenară, sintetizată pe baza informației din ADN. Spre deosebire de ADN, nucleotidele ARN conțin riboză în loc de dezoxiriboză și uracil (U) în loc de timină. În celule există trei tipuri principale de ARN; la unele virusuri (ribovirusuri), ARN-ul viral este chiar materialul genetic.

ARN mesager (ARNm)

ARN-ul mesager transportă informația genetică de la ADN la ribozomi, unde aceasta este tradusă într-o proteină. ARNm este complementar cu catena-matriță a unei gene și conține succesiunea de codoni (triplete de nucleotide) care stabilește ordinea aminoacizilor în proteină. La eucariote, genele conțin secvențe codificatoare (exoni) alternând cu secvențe necodificatoare (introni). ARN-ul transcris inițial (ARN premesager) suferă un proces de maturare (matisare), prin care intronii sunt eliminați și exonii sunt uniți, rezultând ARNm matur.

ARN de transfer (ARNt)

ARN-ul de transfer transportă aminoacizii la ribozomi în timpul translației. Fiecare moleculă de ARNt este pliată în formă de frunză de trifoi și prezintă:

• un anticodon, un triplet de nucleotide complementar unui codon din ARNm;
• un situs de legare a aminoacidului, la capătul 3' al moleculei.

Fiecare tip de ARNt transportă un anumit aminoacid.

ARN ribozomal (ARNr)

ARN-ul ribozomal este cel mai abundent tip de ARN din celulă (aproximativ 80% din ARN-ul total). Împreună cu proteinele, formează ribozomii și participă la formarea legăturilor peptidice. Ribozomii eucariotelor (80S) sunt alcătuiți din două subunități: una mare (60S) și una mică (40S).

Transcripția

Transcripția este procesul de sinteză a unei molecule de ARN pe baza informației uneia dintre catenele ADN, numită catenă-matriță. Procesul este catalizat de ARN-polimerază și reprezintă, împreună cu translația, funcția heterocatalitică a ADN-ului, adică proprietatea lui de a dirija sinteza altor molecule.

Etapele transcripției

1. Inițierea: ARN-polimeraza se fixează pe o secvență specifică a genei, numită promotor, și desface local dublul helix.
2. Elongația: ARN-polimeraza parcurge catena-matriță în sensul 3'→5' și sintetizează ARN-ul în sensul 5'→3', adăugând ribonucleotide complementare: în dreptul unei adenine din ADN se așază uracil, în dreptul timinei se așază adenină, iar guanina și citozina se împerechează între ele.
3. Terminarea: la întâlnirea unei secvențe de terminare, ARN-polimeraza se desprinde de ADN, iar molecula de ARN nou sintetizată este eliberată.

La eucariote, transcripția genelor nucleare are loc în nucleu, iar ARNm matur trece prin porii nucleari în citoplasmă, unde are loc translația. La procariote, care nu au nucleu, cele două procese au loc în citoplasmă.

Translația (sinteza proteinelor)

Translația (traducerea) este procesul prin care succesiunea codonilor din ARNm este decodificată pentru a sintetiza un lanț polipeptidic. Procesul are loc la nivelul ribozomilor din citoplasmă sau de pe reticulul endoplasmatic rugos.

Codul genetic

Codul genetic este sistemul de corespondență dintre succesiunea nucleotidelor din ARNm și succesiunea aminoacizilor din proteină. Proprietățile lui sunt:

• este format din triplete: fiecare aminoacid este codificat de trei nucleotide consecutive, care formează un codon; există 64 de codoni, dintre care 61 codifică aminoacizi;
• este degenerat: majoritatea celor 20 de aminoacizi sunt codificați de mai mulți codoni;
• este universal: aceiași codoni codifică aceiași aminoacizi la aproape toate organismele;
• este neambiguu: un codon codifică un singur aminoacid;
• nu se suprapune și nu are virgule: codonii sunt citiți unul după altul, fără nucleotide comune și fără separatori;
• codonul de inițiere este AUG, care codifică metionina;
• există trei codoni stop, care nu codifică aminoacizi: UAA, UAG și UGA.

Etapele translației

1. Inițierea: subunitatea mică a ribozomului se fixează pe ARNm, în dreptul codonului de inițiere AUG; ARNt care poartă metionina se așază pe acest codon prin anticodonul său, apoi se atașează subunitatea mare a ribozomului.
2. Elongația: un nou ARNt încărcat cu aminoacidul corespunzător codonului următor intră în ribozom; între aminoacidul adus și lanțul în formare se stabilește o legătură peptidică; ribozomul avansează apoi cu un codon pe ARNm, iar ARNt rămas fără aminoacid este eliberat. Ciclul se repetă pentru fiecare codon.
3. Terminarea: când ribozomul ajunge la un codon stop, niciun ARNt nu i se potrivește; lanțul polipeptidic este eliberat, iar subunitățile ribozomului se separă.

Mai mulți ribozomi pot traduce simultan aceeași moleculă de ARNm, formând un polizom; astfel se sintetizează în paralel mai multe lanțuri polipeptidice identice.

Relevanța pentru Bacalaureat

Genetica moleculară face parte din programa de bacalaureat pentru „Anatomie și fiziologie umană, genetică și ecologie umană” (clasa a XII-a). Candidații trebuie să cunoască structura și funcțiile acizilor nucleici, organizarea materialului genetic la virusuri, procariote și eucariote, replicarea semiconservativă, tipurile de ARN și rolurile lor, transcripția, maturarea ARN-ului și translația. Este important să se înțeleagă proprietățile codului genetic și legătura dintre genă, ARNm și proteină, rezumată de dogma centrală a biologiei moleculare: ADN → ARN → proteină. Problemele de examen cer frecvent stabilirea catenei complementare, a ARNm transcris sau a numărului de nucleotide, codoni și aminoacizi. Detaliile enzimatice ale replicării (helicaze, primeri, fragmente Okazaki) ajută la înțelegerea procesului, dar depășesc nivelul cerut de obicei la examen.