Genetică și evoluție – noțiuni de genetică moleculară

Aprofundează mecanismele moleculare ale eredității, codul genetic și expresia genelor.

Structura ADN-ului și a ARN-ului

Acizii nucleici sunt macromolecule formate din unități numite nucleotide. O nucleotidă are trei componente: o bază azotată, o pentoză (zahăr cu 5 atomi de carbon) și un radical fosfat.

Bazele azotate sunt de două tipuri:

• purinice (cu nucleu dublu): adenina (A) și guanina (G) — comune ADN-ului și ARN-ului;
• pirimidinice (cu nucleu simplu): citozina (C) în ambii acizi, timina (T) doar în ADN, uracilul (U) doar în ARN.

ADN-ul este un dublu helix (modelul Watson și Crick, 1953): două catene polinucleotidice antiparalele, răsucite elicoidal, unite prin punți de hidrogen între bazele complementare: A=T (două punți) și G≡C (trei punți). Pentoza ADN-ului este dezoxiriboza. Din complementaritate decurg regulile lui Chargaff: A=T, G=C, deci A+G = T+C (raportul purine/pirimidine este 1).

ARN-ul este de regulă monocatenar, are riboza drept pentoză și uracil în locul timinei. Tipurile de ARN și rolurile lor — grilă sigură:

• ARN mesager (ARNm) – copiază informația genetică a unei gene și o duce la ribozomi;
• ARN de transport (ARNt) – formă de trifoi; aduce aminoacizii la ribozom; are anticodon complementar codonului;
• ARN ribozomal (ARNr) – intră în structura ribozomilor;
• ARN viral – material genetic la ribovirusuri (ex. virusul gripal, HIV).

Capcană frecventă: numărul punților de hidrogen — A=T are DOUĂ, G≡C are TREI; de aceea ADN-ul bogat în G-C se denaturează (se desface) la temperaturi mai mari.

Replicarea ADN-ului

Replicarea este procesul prin care molecula de ADN se autocopiază, asigurând transmiterea fidelă a informației genetice la celulele-fiice. Are loc în interfază, în faza S a ciclului celular — nu în timpul mitozei propriu-zise, cum se răspunde adesea greșit.

Mecanismul este semiconservativ — demonstrat experimental de Meselson și Stahl: fiecare moleculă-fiică păstrează (conservă) o catenă veche, de la molecula-mamă, iar cealaltă catenă este nou-sintetizată. Denumirea vine exact de aici: se conservă jumătate din molecula inițială.

Etapele:

• ruperea punților de hidrogen și desfacerea dublului helix (sub acțiunea unor enzime specifice, cu formarea furcii de replicare);
• fiecare catenă veche devine matriță (tipar);
• ADN-polimeraza atașează nucleotide libere, complementare matriței (A cu T, G cu C);
• rezultă două molecule de ADN identice între ele și identice cu molecula inițială.

Semnificația biologică: replicarea premerge diviziunea, astfel încât fiecare celulă-fiică primește aceeași cantitate și calitate de informație genetică.

Confuzii de evitat la examen:

• replicare ≠ transcripție: la replicare se copiază TOT ADN-ul și rezultă ADN; la transcripție se copiază o genă și rezultă ARN;
• modelul semiconservativ nu înseamnă că o moleculă-fiică e integral veche și cealaltă integral nouă (acela ar fi modelul conservativ, infirmat experimental).

Transcripția și translația – sinteza proteinelor

Expresia informației genetice urmează sensul numit dogma centrală a geneticii: ADN → ARN → proteine.

Transcripția este copierea informației unei gene de pe o catenă de ADN într-o moleculă de ARNm, sub acțiunea ARN-polimerazei. Doar una dintre catene servește ca matriță (catena sens/matriță), iar în ARNm timina este înlocuită de uracil. La eucariote, transcriptul primar conține exoni (secvențe informaționale) și introni (secvențe non-informaționale); intronii sunt eliminați prin maturare (splicing), iar exonii rămași se leagă și formează ARNm matur, care părăsește nucleul.

Translația este sinteza propriu-zisă a proteinei, la nivelul ribozomilor, în citoplasmă:

• ARNm se atașează de ribozom și este citit codon cu codon (un codon = 3 nucleotide);
• fiecare ARNt, purtând un aminoacid specific, își potrivește anticodonul cu codonul complementar din ARNm;
• aminoacizii sunt legați prin legături peptidice, formând lanțul polipeptidic;
• sinteza începe la codonul start AUG (care codifică metionina) și se încheie la unul dintre cei trei codoni stop (UAA, UAG, UGA), care nu codifică niciun aminoacid.

Grila clasică inversează sediile: transcripția are loc în nucleu (la eucariote), translația în citoplasmă, pe ribozomi. La procariote, lipsind membrana nucleară, cele două procese pot fi simultane.

Codul genetic și proprietățile sale

Codul genetic este sistemul de corespondență dintre secvența nucleotidelor din ADN/ARNm și secvența aminoacizilor din proteine. Unitatea de codificare este codonul — o secvență de trei nucleotide care specifică un aminoacid.

Cifrele de bază: din 4 tipuri de nucleotide se pot forma 4³ = 64 de codoni; dintre ei, 61 codifică aminoacizi, iar 3 sunt codoni stop (UAA, UAG, UGA). Aminoacizii proteinogeni sunt doar 20 — de aici decurge o proprietate esențială.

Proprietățile codului genetic — fiecare este o grilă în sine:

• Universal – același codon codifică același aminoacid la (aproape) toate organismele, de la bacterii la om; pe această proprietate se bazează ingineria genetică.
• Degenerat – un aminoacid poate fi codificat de mai mulți codoni (61 de codoni pentru 20 de aminoacizi); ATENȚIE la sensul corect: mai mulți codoni → același aminoacid, NU un codon → mai mulți aminoacizi.
• Nesuprapus – doi codoni vecini nu au nucleotide comune; fiecare nucleotidă aparține unui singur codon.
• Fără virgule (continuu) – între codoni nu există semne de punctuație; citirea se face continuu, din 3 în 3, dintr-un punct fix de start.

Consecință practică: deleția sau adiția unei singure nucleotide decalează întregul cadru de citire de la locul mutației (mutație cu schimbarea cadrului de citire), pe când substituția modifică cel mult un singur codon.

Mutațiile

Mutația este modificarea materialului genetic, transmisă celulelor-fiice. Agenții care le produc se numesc factori mutageni: fizici (radiații UV, radiații ionizante — X, gamma), chimici (coloranți acridinici, pesticide, unele medicamente, substanțe din fumul de țigară) și biologici (anumite virusuri).

Clasificare după cantitatea de material genetic afectat:

• Mutații genice (punctiforme) – afectează o genă, adesea o singură pereche de nucleotide: substituții (înlocuirea unei baze cu alta), deleții (pierderi), adiții/inserții (adăugări). Exemplu clasic: anemia falciformă, produsă de substituția unei singure nucleotide în gena lanțului beta al hemoglobinei.
• Mutații cromozomiale (de structură) – modifică structura cromozomului: deleția (pierderea unui fragment), duplicația (dublarea unui fragment), inversia (rotirea unui fragment cu 180°), translocația (transferul unui fragment pe un cromozom neomolog).
• Mutații genomice (numerice) – modifică numărul de cromozomi: poliploidia (seturi întregi suplimentare — 3n, 4n; frecventă și adesea avantajoasă la plante, letală la om) și aneuploidia (un cromozom în plus sau în minus). Exemple umane de aneuploidii: sindromul Down (trisomia 21, 47 de cromozomi), sindromul Turner (monosomia X — 45,X0, femeie sterilă de statură mică), sindromul Klinefelter (47,XXY, bărbat steril).

Cauza tipică a aneuploidiilor: nedisjuncția cromozomilor în meioză. Capcană: sindromul Down NU este o mutație genică — este o mutație genomică (numerică).

Ingineria genetică – noțiuni introductive

Ingineria genetică este ansamblul tehnicilor de izolare, modificare și transfer al genelor de la un organism la altul. Este posibilă tocmai pentru că codul genetic este universal: o genă umană introdusă într-o bacterie este citită corect, iar bacteria sintetizează proteina umană.

Instrumentele de bază ale tehnologiei ADN recombinant:

• enzimele de restricție – adevărate „foarfeci moleculare”; taie ADN-ul în locuri cu secvențe specifice;
• ligazele – „lipesc” fragmentele de ADN, sudând capetele;
• vectorii – transportă gena în celula-gazdă; cei mai folosiți sunt plasmidele (molecule mici, circulare, de ADN bacterian, independente de cromozomul bacterian) și unele virusuri.

Etapele obținerii unui organism modificat genetic, pe scurt: izolarea genei de interes → inserarea ei în vector (ADN recombinant) → introducerea vectorului în celula-gazdă → selecția și multiplicarea celulelor transformate.

Aplicații de reținut:

• producerea de insulină umană, hormon de creștere, interferon și vaccinuri prin bacterii sau drojdii modificate — exemplul insulinei este cel mai cerut;
• plante transgenice rezistente la dăunători, boli sau erbicide;
• terapia genică – încercarea de a corecta boli ereditare prin introducerea genei normale în celulele pacientului;
• clonarea – obținerea de organisme identice genetic (oaia Dolly, 1996, primul mamifer clonat dintr-o celulă somatică adultă).

Nuanță de examen: bacteria cu genă umană produce proteina umană autentică — nu o „copie bacteriană” a ei — tocmai datorită universalității codului genetic.

Test — 6 întrebări ca la examen

Grile de admitere UMF — 5