Universitatea “Ovidius” ConstantaD.P.P.P.D.-Psihopedagogie speciala-gr.122

Acizii nucleicisi

rolul lor genetic

Autori: Coordonator   : Trandafirescu I.Ioan

Acizii nucleici sunt molecule extrem de complexe porduse de celulele vii si de virusi.Numele lor provine de la izolarea initiala din nucleele celulelor.Anumiti acizi nucleici,

1

totusi, nu se gasesc in nucleele celulelor ci in citoplasma.Au cel putin 2 functii: de transferare a caracteristicilor ereditare de la o generatie la alta, si de a declansa producerea unor proteine specifice.Cum reusesc ei acest lucru este obiectul unora din cele mai intense si promitatoare cercetari ce se desfasoara in ziua de azi.Acizii nucleici sunt substante fundamentale ale organismelor, cercetatorii considerand ca s-au format in urma cu circa 3 miliarde de ani, la inceputurile existentei vieti pe Terra. Originea asa-zisului cod genetic pe care il poarta a fost acceptata de geneticieni ca fiind foarte apropiata in timp cu originea vietii insasi.

Codul genetic

Una dintre problemele fundamentale ale geneticii a fost descifrarea codului genetic, adică a secvenţei de baze care specifică un aminoacid dat. Informatia genetica este inscrisa in ADN sub forma unei secvente de 4 nuclotide (A, G, T si C); ea este tradusa in proteina, prin asezarea secventiala a celor 20 de aminoacizi. Intrucat exista o colinearitate intre streuctura genei, cu secventa deefinita de nucleotide, si cea a proteinei pe care o detrmina, se poate conchide ca celulele poseda un sistem de corespondenta intre nucleotidele din ADN si aminoacizii din proteina. Acest sistem de echivalente, in care la o anumita secventa de nucleotide (codon) va corespunde un anumit aminoacid prezent in proteina, se numeste cod genetic.

În 1945 Gamow a sugerat, şi propunerea sa a fost confirmată că codul genetic este constituit din ordonarea variată a trei baze (triplet sau codon). Cu alte cuvinte, codonul este unitatea de codificare. Era, dealminteri, singura posibilitate. Nu poate exista un cod format dintr-o singură bază, deoarce ar fi codificaţi doar patru aminoacizi; nici un cod cu două litere deoarece în acest caz numărul de aminoacizi codificaţi (4^2 = 16) fi mai mic decât numărul total de aminoacizi, ce se pot identifica în ipotza lui Gamow (4^3 = 64). Există deci 64 de codoni. Excesul de codoni nu este inutil, deoarece mai mulţi codoni specifică acelaşi ainoacid, iar trei dintre ei au un rol special, şi anume marchează terminarea sintezei lanţului polipeptidic. Ipoteza lui Gamow a fost verificată experimental iar codul genetic a fost descifrat deosebit de repede.

Pe baza unor consideratii de ordin logic, Fr. Crick a stabilit ca cel mai simplu cod ar putea fi format din 3 nucleotide aranjate intr-o anumita secventa liniara. Intr-adevar un codon alcatuit din 2 nucleotide nu ar putea defini (specifica) decat 16 aminoacizi: (4nuleotide)2 = 16. Numai prin gruparea cate trei, cele 4 tipuri diferite de nucleotide vor putea forma un numar de combinatii (44

= 64) suficient pentru a codifica toti aminoacizii. Aceasta ipoteza logica s-a dovedit experimental exacta si codul genetic poate fi redefinit ca un ansamblu de codoni compusi din 3 nucleotide care specifica fiecare un anumit aminoacid.

Folosind un model experimental complex (bazat pe mecanismele implicate in transcrptie si translatie) Nieremberg, Ochoa si Khorana au reusit, pana in 1965, sa descifreze integral codul genetic, stabilind semnificatia exacta a celor 64 de codoni . Dintre acestia 61 codifica 20 de aminoacizi iar trei triplete (UAA, UAG si UGA) sunt „fara sens”, nu corespund niciunui aminoacid si sunt codonii „stop” sau „terminatori” ai sintezei proteinei . Codul genetic poseda deasemenea ubn codon initiator (AUG) care declanseaza sinteza proteinelor.

2

Codonii tripleti sunt de regula nesuperpozabili deoarece nu au nici un nucleotid comun. Recent s-au descoperit insa „gene suprapuse sau incluse”: la virusul ADN ØX174 (a carui genom scurt codifica mai multe proteine decat s-ar cuveni); s-a observat ca gena pentru proteina E este localizata in interiorul genei pentru proteina D. Lectura ei se face cu un decalaj de un nucleotid fata de lectura genei D, dand doua proteine total deosbite.

Codonii sunt adiacenti si nu sunt separati printr-un nucleotid („cod fara virgule”). Codul genetic este „degenerat” caci pentru cei 20 de aminoacizi exista 61 de codoni; deci pentru un aminoacid exista unul sau mai multi codoni (si deci mai multe molecule tARN). De exemplu LEU este codificata de 6 triplete.

Codonii care semnifica acelasi aminoacid (codoni „sinonimi”) difera doar prin al treilea nucleotid. Existenta lor are o mare valoare biologica si evolutiva caci mutatiile care ar modifica al treilea nucleotid raman deseori fara „sens”, ducand la un codon sinonim si deci nemodificand proteina sintetizata. In schimb, modificarea primului sau celui de-al dilea nucleotid in codon duce la un alt codon „sens” (numit si „missens”) sau la un codon „stop” (nonsens) alterand sau oprind sinteza proteinelor.

Codul genetic este lipsit de ambiguitate deoarece unui codon dat nu-i corespunde decat un singur aminoacid, totdeauna acelasi.

Codul genetic este considerat universal, deoarece acelasi codon dtermina acelasi aminoacid la toate organismele vii (de aici si butada ca „ceea ce este valabil pentru o bacterie este valabil si pentru ... un elefant”). Totusi, la specii diferite, codonii specificand acelasi acid aminat nu sunt folositi cu aceeasi frecventa, deoarece, evolutia a dterminat adaptari specifice ale mecanismului universal de sinteza proteica.Succesiunea aminoacizilor in lantul proteic final este determinata de succesiunea codonilor in mARN, codonul fiind o secventa dee trei nucleotide care codifica un aminoacid. Exista 64 de codoni, dintre care 61 sunt implicati direct in sinteza proteinelor iar celalti trei anunta terminarea sintezei.

Proprietatile codului genetic

Codul genetic are urmatoarele proprietati: este triplet, nesuperpozabil, fara „virgule”, „degenerat”, lipsit de ambiguitate si universal

Codul genetic prezinta urmatoarele particularitati: Este universal, acelasi codon specificand acelasi aminoacid in toate speciile. Este degenerat, mai multi codoni specificand acelasi aminoacid. Este nesuprapus, codonii se succed continuu, iar atunci cand se pierde una dintre baze trama de citire se modifica cu o litera. Nu ar virgule, adica nu exista spatii intre litere. Citirea se face intr-un singur sens.

Translatia are loc in ribozomi, structuri constituite din doua subunitati: una mare formata din ARN ribozomal (rARN) si aproximativ 30 de proteine (subunitatea 60 S), si una mica alcatuita din ARN ribozomal si aproximativ 20 de proteine.

3

Translatia incepe cu formarea in unitatea mica a ribozomului a unui complex de initiere, constituit dintr-un aminoacid initiator – metionina – atasat de un tARN, GTP si mARN. Mai participa si doua proteine solubile – elf-2 si elf-3. Un rol importanat detine si secventa „cap” (metilata) a mARN. Dupa legarea mARN, complexul de initiere se uneste cu subunitatea mare a ribozomului si incepe largirea lantului: O proteina Ef-1 (factorul de elongatie 1) favorizeaza legarea celei de-a doua molecule de aminoacil tARN de complexul de initiere. Metionina este eliberata de tARN si se formeaza o legatura peptidica intre metionina si al doilea aminoacid, reactie catalizata de peptidil transferaza. mARN se misca de-alungul ribozomului iar tARN initiator este eliminat de complexul mARN ribozom. Urmatorul peptidil-tARN este translocat in pozitia ocupata de tARN initiator.Lantul creste astfel pana cand apare un codon de terminatie – UGA, UGG, UAA. Apoi intervine o proteina specifica RF, care, printr-un mecanism complex, elibereaza lantul peptidic.

Succesiunea codonilor asigura succesiunea aminoacizilor, existand o colinearitate intre codoni si aminoacizi.

Dacă există un raport între succesiunea nucleotidelor şi cea a aminoacizilor atunci o substituţie a bazelor va antrena o modificare corespunzătoare a structurii proteinei sintetizate. Conform aşteptărilor, deleţiile sau inserţiile induse experimental în genele bacteriofagilor alterează structura proteinei finale. Structura este restabilită dacă pierderea unui nucleotid este urmată de inserţia altuia sau dacă se pierd ori se introduc trei nucleotide.

Codul genetic are o serie de particularităţi: Este degenerat şi ambiguu, adică există mai mulţi codoni pentru acelaşi aminoacid; 6 pentru leucină, de pildă; există însă şi acizi codificaţi de un singur codon, de exemplu metiodina. Degenerarea constituie o soluţie remarcabilă a selecţiei naturale de a asigura supravieţuirea organismului. Dacă codul genetic nu ar fi degnerat, atunci o substituţie de baze ar duce la formarea de codoni non sens şi sinteza proteinelor ar fi blocată. Or, înlocuirea poate să aibă consecinţe minore dacă nu afectază situl activ al enzimei. Codul genetic nu este suprapus. Cu alte cuvinte, fiecare triplet este independent. Dacă una sau două litere ale codului ar face parte din doi codoni atunci o substituire ar duce la duce la modificarea a trei aminoacizi; Codul genetic are punctuaţii. Dintre cele 64 de triplete, trei (UAG, UAA şi UGA) sunt triplete non-sens – ele anunţă sfârşitul lanţului polipeptidic; Codul genetic este universal: acelaşi codon specifică aclaşi aminoacid la toat speciile. De exmplu, oocitul batracianului Xenopus laevis sintetizează hemoglobina de iepure dacă i se adiistrază ARNm specific.Concluzia a fost acceptată ca atare până recent. Studiul genmoului mitocondriilor a demonstrat însă că există cel puţin trei diferenţe între codul genetic descris anterior şi codul genetic folosit de aceste organite. Astfel CUA, care este codonul pentru leucină, în mitocondrie codifică treonina; AUA, care în mod obişnuit codifică izoleucina, aici codifică metionina, iar UGA, normal unul dintre cele trei semnale stop, codifică triptofanul.Explicatia acestor variante este inca necunoscuta.

4

Codul genetic este specific. Specificitatea rezida in succesiunea celor trei baze; codonul UUG specifica leucina; codonul UGU specifica cisteina iar codonul GUU specifica valina. Se pare ca deseori sunt specifice numai primele doua baze; ultima este necesara dar nu si specifica. Se presupune ca inceputul sintezei nu este conditionat de un triplet, ci de un cvatruplet (AUGA sau AUGG), acasta formatie ar specifica metionina itiala cu car incepe intotdeauna translatia. Secvnta de baze este citita dintr-un anumit punct si se face intr-un singur sens.Dscifrarea codului genetic a avut multiple cunsecinte: A demonstrat unitatea genetica a lumii vii. Este cert ca toate organismele folosesc acelasi sistem de conservare si de transmitere a informatiei genetice. A explicat mecanismul de aparitie a unei mari clase de mutatii: al mutatiilor genetice. A reliefat faptul ca numeroase modificari ale bazelor ADN-ului nu au rasunet fenoptic, deoarece codul genetic este degenerat sau deoarece nu altereaza structura si functia proteinei fiale.

Sinteza proteinelor

Transcriptia

Sinteza proteinelor are loc in citoplasma, pe ribozomi.Informatia ereditara necesara secventializarii aminoacizilor din proteina se gaseste in ADNn.Aceasta macromolecula nu poate parasi nucleul deci mesajul genetic ce corespunde unei proteine va fi mai intai copiat,transcris,sub forma unei molecule mai mici,acidul ribonucleic mesager,care va puitea trece prin porii membranei nucleara si transmite informatia in citoplasma.

Acest proces se numeste transcriptie.El consta in copierea limitata a informatiei ereditare, necesare sintezei proteinelor implicate in acelasi lant metabolic.Genele ce comanda aceasta sinteza sunt grupate in ADN, formand o unitate de transcriptie numita operon.Transcrierea acestuia se face in bloc,sintetizandu-se un ARN poligenic care va contine informatia necesara pentru sinteza mai multor proteine.

Transcriptia este un proces extrem de complex. Copierea mesajului genetic este asigurata de ARN – polieraza II. Transcriptia incepe in situl initiator situat cu aproximativ 30 de baze „mai jos”, spre extremitatea 5 a unei alte secvente de nucleotide numita cutia Hogness. Rata de transcriptie este influentata si de alte secvente de nucleotide situate departe de initiere. Rezultatul transcriptiei este o secventa de ARN mesager (mARN). Curand dupa inceperea transcriptiei extremitatea 5 a mARN suera o modificare importanta si anume se adauga grupari metil si un reziduu trifosfat legat de 7-metilguanoza. Transcriptia continua cateva sute de baze dupa terinarea bazei propriuzise. Dupa terminarea transcriptiei ARN-ul sufera o noua modificare, adaugandu-i-se o „coada” de acid poliadenilic (poli-A). Transcriptul ARN este constituit deci, din secvente codante si din secvente necodante, o extremitate metilata si o coada formata din acid poliadelinic.Apoi intronii sunt eliminati si exonii se unesc cap la cap, acest proces fiind esential pentru transportul ARN-ului din nucleu in citoplasma.

5

Desi teoretic pot fi copiate ambele filamente, practic este copiat doar unul dintre ele, alegerea fiind conditionata de promotor:

Ψβz ε G Aγ Ψβ1 δ β

Cercetari recente au elucidat cateva aspecte ale procesului de transcriptie,punand in evidenta fenomenul de matisare a moleculelor de ARNm sintetizate :intr-un prim timp al transcriptiei s-ar forma un pre-ARNm din care,prin taierea-decuparea intronilor si asamblarea exonilor,se formeaza un ARNm continuu, apt de translatie.

Dupa terminarea transcriptiei are loc transmisia mesajului genatic din nucleu in citoplasma,la ribozomi.Molecula de ARNm se asociaza cu niste proteine de particulare care o apara de actiunea degradanta a unor ribonucleaze ;complexul ARNm a fost numit informosom.

Translatia

Traducerea mesajului genetic intr-o secventa proteica are loc in citoplasma, in structuri specializate numite ribozomi. Aminoacizii liberi din citoplasma sunt transportati spre ribozomi de un tip particular de ARN-ARN de transport (tARN). Pentru a realiza aceasta functie tARN trebuie sa recunoasca un ARN specific si sa-l transporte in situl specific din viitorul lant polipeptidic, conor mesajului adus de ARN mesager. Atasarea ainoacidului de tARN este asigurata de o enzima specifica pentru fiecare aminoacid – enzimele se numesc aminoacil-tARN sintetaze. Atasarea are loc la una dintre extremitatile tARN-ului, la extremitatea 3 unde se gaseste secventa CCA. La cealalta extremitate sunt trei baze – anticodonul – care, recunosc un codon specific. Exista unul sau mai multi tARN pentru fiecare aminoacid. Rolul ARN-ului de transport este deci de a lega un aminoacid de un codon din mARN.

Dupa transcriptia si transmisia mesajului genetic din ADN nuclear in citoplasma,secventa nucleotidelor din ARNm este convertita intr-o secventa specifica de aminoacizi in proteina.Procesul se numeste translatie intrucat limbajul nucleotidelor este tradus in limbajul celor 20 de aminoacizi care alcatuiesc proteinele.Cea mai mica eroare de translatie, eroare de « una sau mai multe litere,in frazele lungi constituite din cateva sute de cuvinte »,ar fi cu mult mai grava decat intr-o traducere lingvistica,caci ar putea suprima functia unei proteine.a)aparatul de translatie : ARNt are rolul unui « traducator » care fixeaza aminoacizii in citoplasma,ii transpota la ribozomi,descifreaza informatia codificata in ARNm si aranjeaza aminoacizii in ordinea indicata de cod.Ptr fiecare aminoacid exista cel putin un ARNt specific.

6

ARNr este sintetizat de numeroase gene situate in ADN,care in ansamblul lor alcatuiesc organizatorii nucleolari.Rolul ARNr in sinteza proteinelor este putin cunoscut.

Aproximativ 30 de enzime intrevin in diferite etape ale translatiei.Exista 20 de enzime numite aminoacil-ARNt-sintetaze care recunosc specific fiecare aminoacid si ARNt corespunzator.b)procesul de translatie:sinteza proteinelor se face prin asezarea secventiala a aminoacizilor in ordinea impusa de mesajul genetic preluat de ARNm, in procesul sintezei sale pe matrita de ARNm. Biosinteza unui lant polipeptidic poate fi divizata in patru etape fundamentale:activarea acizilor aminati si formarea complexelor aminoacil-ARNt ,initierea translatiei, elongatia catenei si terminarea sintezei.

Ptr. a putea fi incorporat in proteina, fiecare aminoacid este activat in prezenta ATP si a unei enzime specifice, aminoacil-ARNt-sintetaza.Exista 20de enzime ptr.fiecare din cei 20 de aminoacizi esentiali.Fiecare enzima recunoaste specific unui anumit aminoacid si,dupa activare,il transfera pe ARNt corespunzator lui,formand un complexaminoacid-emzima-ARNt,care se dirijeaza spre ribozomi.

Formarea ribozomului activ reprezinta si momentul initierii translatiei.Ptr. aceasta,ARNm se fixeaza pe subunitatea mica a ribozomului cu codonul initiator AUG aflat la capatul 5’.In dreptul acestui codon se aseaza primul ARNt, care are anticodonul UAC si poarta aminoacidul .

Apoi se fixeaza subunitatea mare a ribozomului si acesta devine apt ptr.sinteza proteinei.Pe subunitatea mare se gasesc doua situsuri numiteP si A.Primul ARNt se aseaza direct in pozitia P ;apoi,cel de-al doilea ARNt se aseaza in pozitia A.Ribozomul avanseaza cu trei nucleotide,primul ARNt este eliberat din pozitia P care va fi ocupata de al doilea ARNt.In acest moment aminoacidul 1 se leaga peptidic de aminoacidul 2,in prezenta peptid-polimerazei ;astfel incepe sinteza proteinei.

Ulterior,urmand acelasi mecanism se produce cresterea sau elongatia lantului polipeptidic.Pe masura avansarii unui ribozom,alti ribozomi pot incepe lectura mesajului din ARNm,formandu-se un polizom,care va sintetiza mai multe molecule proteice identice.

Terminarea sintezei se face in momentul in care pe molecula de ARNm apare un codon de terminare care nu semnifica nici un aminoacid.Ribozomul isi incheie rolul de cap de lectura si de sediu al sintezei,se desprinde de pe ARNm si se desface in doua componente.ARNm se dezintegreaza, iar proteina sintetizata se organizeaza spatial ptr. deveni biologic activa.

7

Procesul de translatie implica participarea a numeroase molecule intr-un mecanism complex si riguros.Dereglari ale acestui mecanism blocheaza sinteza proteica.Pe acest principiu se bazeaza actiunea unor antibiotice(kanamicina,eritromicina).

Replicarea ADNModelul structurii ADN, imaginat de Watson si Crick sub forma unei molecule alcatuite din 2

lanturi polinucleotidice,complementare si antiparalele, a permis formularea ipotezei corecte privind transmiterea informatiei genetice prin re(du)plicarea semiconservativa a ADN.

Astazi este unanim admis ca in procesul replicarii cele doua catene ale ADN se separa si

fiecare dintre ele serveste drept matrita pentru sinteza unei catene noi,complementare ;rezulta doua molecule identice,care poseda fiecare o catena veche si una noua.

Prima demostratie experimentala a replicarii semiconsevative a fost realizata, cu eleganta si precizie, de Meselson si Stahl, in 1957, utilizand un izotop radioactiv al azotului N15 se va incorpora in catenele ce se sintetizeaza (autoradiografie). Rezultatele obtinute sunt concordante cu ipoteza mecanismului semiconservativ al replicarii ADN. Ele au fost confirmate prin studiile combinate de autoradiografie si microscopie electronica.

Mecanismul desfasurarii procesului de replicare nu a fost inca complet elucidat, cercetarile ultimilor ani aducand noi date si completari.

Etapele replicarii si elementele lor de baza sunt :-sinteza dezoxiribonucleotidelor-formarea dezoxiribonucleotidelor si activarea lor in prezenta ATP-sceventializarea si polimerizarea dezoxiribonucleotidelor

Cele 2 catene de ADN se despiralizeaza si apoi se desfac (sub actiunea unei endonucleaze care rupe legaturile de hidrogen) pe o portiune limitata, servind fiecare ca matrita ptr aranjarea nucleotidelor activate, pe baza de complementaritate. Intervine apoi ADN-polimeraza care polimerizeaza nucleotidele. Pe una din catene, sinteza va fi continua, in timp ce pe catena complementara se sintetizeaza discontinuu segmente scurte numite si piese Okazaki, care vor fi ulterior unite prin actiunea unei ligaze (sinteza este semidiscontinua).

Cercetari variate au aratat ca sinteza ADN incepe in unul sau mai multe puncte, cu o pozitie precisa, perfect definite si apoi progreseaza secvential in directii opuse,bidirectional, de o parte

8

si de alta a situsului de initiere.Exista deci una sau mai multe unitati distincte de replicare,numite repliconi

Unele medicamente utilizate in tratamentul cancerului actioneaza prin blocarea replicarii ADN.Astfel, actinomicina D formeaza complexe cu guanina si blocheaza, la nivelul acestei baze, functia de matrita a catenei respective.Sarcomicina inhiba actiunea ADN polimerazei, iar mitomicina C stabileste cu ADN legaturi covalente care inhiba replicarea noior catene.

In concluzie, acizii nucleici sunt extremi de importanti pentru existenta noastra ca specie, pentru existenta tuturor celorlalte specii de organisme,pentru evolutie in general.

9

Bibliografie:

P. Diaconu,C.Burloi – Biologie generala genetica si ameliorare E.D.P. Bucuresti – 1975

C. Maximilian – Genetica umana Ed. Stiintifica si Enciclopedica – 1982

C.si M. Geormaneanu – Introducere in genetica pediatrica Ed.Medicala Bucuresti – 1986

C. Maximilian,D. Maria Ioan –Genetica medicala Ed.Medicala Bucuresti - 1986

10