Genetica moleculară - Acizii nucleici

Acizii nucleici (ADN și ARN) reprezintă materialul genetic al tuturor organismelor vii. Sunt substanțe macromoleculare formate din lanțuri polinucleotidice, având ca unitate structurală nucleotida.

O nucleotidă este formată din trei componente esențiale: o bază azotată (A, G, C, T sau U), o pentoză (dezoxiriboză în ADN sau riboză în ARN) și un radical fosfat. Bazele pot fi de două tipuri: purinice (A, G) sau pirimidinice (C, T, U).

ADN-ul (acidul dezoxiribonucleic) conține nucleotide cu dezoxiriboză și bazele A, G, C, T. Structura sa primară este formată dintr-o catenă monocatenară sau polinucleotidică, iar structura secundară este bicatenară - două catene antiparalele unite prin legături de hidrogen, formând o structură de tip helix dublu.

Reține! În ADN, bazele se unesc prin legături de hidrogen respectând regula complementarității: A se leagă cu T, iar G se leagă cu C.

Denaturarea și renaturarea ADN-ului

Denaturarea ADN-ului reprezintă procesul de rupere a legăturilor de hidrogen dintre cele două catene, rezultând ADN monocatenar. Acest fenomen poate fi indus prin încălzire sau tratament chimic și este reversibil.

Renaturarea este procesul invers, prin care catenele separate se reasociază. Dacă răcirea este bruscă, ADN-ul rămâne denaturat (monocatenar), dar dacă răcirea este treptată, catenele se vor reatrage pe baza complementarității, refăcând structura bicatenară.

Aceste proprietăți permit obținerea hibrizilor moleculari din amestecuri de catene de ADN provenite de la specii diferite, oferind informații despre înrudirea filogenetică a speciilor. Prin hibridarea ADN-ARN se pot localiza genele care determină sinteza diferitelor tipuri de ARN.

ADN-ul are două funcții principale: funcția autocatalitică (replicarea) și funcția heterocatalitică (transcripția). Unitatea funcțională a materialului genetic este codonul, format din 3 nucleotide succesive care codifică un aminoacid.

ARN - Tipuri și structură

ARN-ul (acidul ribonucleic) este o macromoleculă monocatenară formată din ribonucleotide. Fiecare nucleotidă conține o bază azotată (A, G, C sau U), pentoză (riboză) și un radical fosfat. În natură există două tipuri principale: ARN viral și ARN celular.

ARN-ul viral reprezintă materialul genetic al ribovirus-urilor (precum virusul mozaicului tutunului sau virusul gripal). Este monocatenar, liniar, și variază în mărime și masă în funcție de cantitatea de informație genetică.

ARN-ul celular este prezent în toate celulele și se împarte în patru tipuri principale:

• ARN mesager (ARNm)
• ARN de transport (ARNt)
• ARN ribozomal (ARNr)
• ARN nuclear mic (ARNnm)

Important! Spre deosebire de ADN, ARN-ul conține uracil (U) în loc de timină (T) și riboză în loc de dezoxiriboză.

Tipurile de ARN celular

ARNm (mesager) este o macromoleculă monocatenară cu dimensiuni variabile și existență limitată. Se formează în nucleu prin procesul de transcripție, catalizat de enzima ARN-polimerază. Rolul său esențial este de a transmite mesajul genetic de la ADN la ribozomi pentru sinteza proteinelor.

ARNt (de transport) este format din 70-90 nucleotide, având o structură monocatenară cu porțiuni bicatenare, asemănătoare unei frunze de trifoi. Prezintă 3 bucle monocatenare și 4 brațe bicatenare. Are două zone funcționale importante: una pentru fixarea aminoacidului pe care îl va transporta și alta unde se află anticodonul, care conține secvența complementară codonului din ARNm.

ARNt are rolul crucial de a transporta aminoacizii la ribozomi, asigurând astfel "traducerea" codului genetic în proteine. Legătura dintre codonul din ARNm și anticodonul din ARNt reprezintă baza procesului de translație.

Observă! Forma de "trifoi" a ARNt este perfect adaptată funcției sale: o zonă fixează aminoacidul, iar alta conține anticodonul care se va lega de codonul complementar din ARNm.

ARNr și ciclul celular

ARNr (ribozomal) este o macromoleculă monocatenară cu porțiuni bicatenare care intră în alcătuirea subunităților ribozomale, alături de proteine. Rolul său este esențial în sinteza proteinelor în timpul procesului de translație.

ARNnm (nuclear mic) participă în structura și funcționarea nucleului și are un rol important în maturarea ARNm.

Ciclul celular reprezintă durata de viață a unei celule, din momentul formării până când aceasta își finalizează diviziunea celulară. Se împarte în două perioade principale:

1. Interfaza - cea mai lungă perioadă, subdivizată în 3 etape:

   • G1: celula produce proteine și își îndeplinește rolurile
   • S: are loc replicația ADN-ului (dublarea cantității de ADN)
   • G2: celula continuă să producă proteine și se pregătește pentru diviziune

2. Diviziunea celulară - procesul prin care o celulă mamă dă naștere la două celule fiice.

De reținut! În faza S a interfazei are loc replicația ADN-ului, esențială pentru transmiterea informației genetice la celulele fiice.

Procesul de replicare

Replicarea ADN-ului este un proces complex care implică mai multe enzime specializate, fiecare cu rol specific. În timpul replicării, cele două catene ale ADN-ului se despart și fiecare servește ca matriță pentru sinteza unei noi catene complementare.

ADN-helicaza rupe legăturile de hidrogen dintre cele două catene, permițând separarea lor. ADN-polimeraza atașează nucleotidele complementare și reface punțile de hidrogen pe noile catene formate. Această enzimă poate lucra doar în direcția 5'-3'.

În proces se formează două tipuri de catene:

• Catena directoare: se sintetizează continuu în direcția 5'-3'
• Catena întârziată: se sintetizează în fragmente numite fragmente Okazaki, care ulterior sunt unite

Replicarea este semiconservativă - fiecare moleculă nouă de ADN conține o catenă veche (care a servit ca matriță) și una nouă sintetizată.

Fascinant! Procesul de replicare a ADN-ului este incredibil de rapid, putând adăuga până la 1000 de nucleotide pe secundă, cu o precizie uimitoare.

Fluxul informației genetice

Fluxul informației genetice în celulă urmează o cale bine definită, cunoscută și sub numele de "dogma centrală a biologiei moleculare". Aceasta poate fi rezumată în trei procese principale:

1. Replicarea - ADN-ul se copiază pentru a forma molecule identice de ADN, asigurând transmiterea informației genetice la celulele fiice. Catena veche servește ca matriță pentru sinteza catenei noi.

2. Transcripția - Informația genetică din ADN este copiată sub forma unei molecule de ARNm. Acest proces implică desfacerea locală a catenelor de ADN și sinteza unei catene de ARNm complementare cu una din catenele ADN-ului.

3. Translația - Informația genetică din ARNm este utilizată pentru sinteza proteinelor la nivelul ribozomilor. ARNt transportă aminoacizii specifici, iar ARNr participă la formarea legăturilor peptidice.

Aceste procese asigură transferul informației genetice de la ADN la proteine, care reprezintă efectoarele funcțiilor celulare.

Cheia înțelegerii! Informația genetică urmează calea: ADN → ARN → Proteine, cu ADN-ul ca depozit al informației genetice, ARN-ul ca mesager, iar proteinele ca produse funcționale.

Funcția autocatalitică a ADN-ului

Funcția autocatalitică (sau replicarea) constă în procesul prin care ADN-ul se autocopiază, formând molecule identice de ADN. Acest proces are loc în faza S a interfazei și se desfășoară în nucleu.

La eucariote, replicarea începe simultan în mai multe regiuni situate de-a lungul moleculei de ADN, numite origini de replicare. La procariote există un singur replicon.

Replicarea este catalizată de un complex de enzime:

• ADN-helicaza: rupe legăturile de hidrogen
• ADN-polimeraza: atașează nucleotidele complementare
• ADN-topoizomeraza: elimină erorile de împerechere
• ADN-ligaza: leagă fragmentele Okazaki
• ADN-giraza: induce răsucirea catenei noi

Procesul începe cu ruperea legăturilor de hidrogen dintre cele două catene, rezultând ADN monocatenar. Fiecare catenă servește drept matriță pentru sinteza unei catene noi, atrăgând nucleotidele din citoplasmă și legându-le pe bază de complementaritate.

Reține conceptul! Replicarea ADN-ului este un proces semiconservativ - fiecare moleculă nouă de ADN conține o catenă veche și una nou sintetizată.

Mecanismul replicării ADN-ului

În urma replicării se formează două molecule de ADN identice, fiecare având o catenă veche (care a folosit drept matriță) și una nou sintetizată. Acest proces nu se desfășoară identic pe ambele catene:

• Catena veche 3'-5' servește ca matriță pentru sinteza unei catene complementare în sensul 5'-3', numită CATENĂ DIRECTOARE, care se formează continuu.
• Catena veche 5'-3' servește ca matriță pentru sinteza unei catene noi numită CATENĂ ÎNTÂRZIATĂ, care se formează pe fragmente numite FRAGMENTE OKAZAKI.

Enzimele implicate au roluri specifice:

• ADN-helicaza catalizează ruperea legăturilor de hidrogen, formând structura în formă de Y
• ADN-polimeraza atașează nucleotidele complementare și reface legăturile de hidrogen
• ADN-ligaza unește fragmentele Okazaki alăturate
• ADN-topoizomeraza elimină erorile de împerechere care pot apărea din cauza vitezei mari de replicare
• ADN-giraza induce răsucirea catenei nou formate în jurul catenei matriță

Detaliu esențial! Replicarea ADN-ului este posibilă doar în sensul 5'-3', ceea ce explică formarea diferită a celor două catene (directoare și întârziată).

Sinteză: Funcția autocatalitică a ADN-ului

Funcția autocatalitică sau replicarea ADN-ului are loc în faza S a interfazei, în nucleu. Este un proces complex care necesită coordonarea perfectă a 5 enzime cheie pentru a asigura copierea corectă a materialului genetic.

ADN-helicaza rupe legăturile de hidrogen, rezultând catene monocatenare care servesc ca matriță. ADN-polimeraza atașează nucleotidele complementare și reface punțile de hidrogen, formând noi catene. Deoarece această enzimă funcționează doar în direcția 5'-3', replicarea este diferită pe cele două catene:

• Pe catena 3'-5' se formează continuu catena directoare
• Pe catena 5'-3' se formează discontinuu catena întârziată prin fragmente Okazaki

ADN-ligaza unește fragmentele Okazaki, iar ADN-topoizomeraza elimină erorile care pot apărea din cauza vitezei mari de replicare (aproximativ 1000 nucleotide pe secundă).

Replicarea este un proces semiconservativ, deoarece fiecare din cele două molecule noi de ADN conține o catenă veche și una nou sintetizată.

Concluzie importantă! Precizia replicării este crucială pentru transmiterea corectă a informației genetice. Chiar și mici erori în acest proces pot duce la mutații cu efecte semnificative asupra organismului.