bazele moleculare-ale-ereditatii

7/26/2019 Bazele Moleculare Ale Ereditatii
http://slidepdf.com/reader/full/bazele-moleculare-ale-ereditatii 1/49
53
CAPITOLUL 3
BAZELE MOLECULARE ALE EREDIT!"II
Moto:
"Genetica molecular
! a luat na"tere când s-a recunoscut c!
gena este subdivizibil
!"
Salvador Luria
"Structura ADN trebuie în
# eleas! în raport cu toate func
# iile
sale, a"a cum în
# elegerea func
# iei necesit
! o cunoa"tere a
structurii. Fiecare func # ie trebuie descompus!
, apoi
reconstituit
! în detaliile sale moleculare "i, în final, orientat
!
în arhitectura "i economia celular
!"
A. Kornberg
Progresele înregistrate în genetica clasic! au ridicat, ulterior, numeroase
probleme legate de natura biochimic! a materialului genetic, respectiv a genelor.
Identificarea "i studierea aprofundat! a materialului genetic ridicau
numeroase probleme, de aceea nu au putut fi rezolvate decât prin cercet!ri
interdisciplinare de genetic!, biochimie, medicin!, fiziologie, fizic!, matematic!
"i altele. Aceste cercet!ri constituie realiz!rile cele mai importante ale "tiin#ei
contemporane "i au pus bazele geneticii moleculare, care studiaz! ereditatea "i
variabilitatea organismelor la nivel molecular.
Complexitatea structurilor macromoleculare, interac#iunile de ordin
informa#ional dintre acizii nucleici "i proteine, multitudinea tipurilor de proteine
ce alc!tuiesc organismele, au generat structuri supramoleculare care asigur !
existen#a, variabilitatea "i continuitatea materiei vii.
În urm! cu trei decenii nimeni nu "i-ar fi închipuit c! oamenii vor
cunoa"te structura genelor "i modul lor de exprimare într-un sistem celular. Într-o
perioad! scurt! de timp s-a demonstrat c! moleculele de acid dezoxiribonucleic "i
acid ribonucleic, atât la organismele inferioare cât "i la cele superioare, con#in în
mod codificat informa#ia genetic! pentru sinteza proteinelor. S-au descifrat
mecanismele intime care stau la baza complicatelor reac#ii prin care se
sintetizeaz! o protein! în organism, fenomene ce au fost reproduse apoi "i în
laborator, a"a cum se va vedea într-un alt capitol referitor la ingineria genetic!.
3.1. PROTEINE #I ACIZI NUCLEICI
Studiile de biochimie privind substratul material al eredit!#ii pretind o
cunoa"tere temeinic! a componentelor chimice din celul!, precum "i a proceselor
de transformare a acestora.

54
Din multitudinea de componente chimice ce intr
! în alc!tuirea celulei,
principalul substrat al materiei vii îl constituie proteinele "i acizii nucleici.
Proteinele sunt grupate în holoproteine, constituite numai din
aminoacizi "i heteroproteine care, pe lâng! aminoacizi, mai posed! o grup!
prostetic!. Din grupul heteroproteinelor fac parte: fosfoproteinele, glicoproteinele,
cromoproteinele, lipoproteinele "i nucleoproteinele. Nucleoproteinele sunt
formate dintr-o protein! "i o grupare prostetic! reprezentat! de nuclein!.
Se cunosc mai multe tipuri de holoproteine, unele apar
#inând grupului
de polipeptide cu greutate molecular
! mic!, denumite protamine, care con#in pân!
la 90% arginin! "i sunt lipsite de aminoacizi aromatici "i cu sulf. Alte tipuri de
proteine cum ar fi histonele, con#in lizin! "i arginin!, aminoacizi aromatici "i cu
sulf, leucin!, alanin!, glicin! "i acid glutamic. Ambele tipuri de proteine au
caracter bazic "i formeaz! s!ruri cu acizii nucleici, de tipul nucleoproteinelor. Un
alt tip de protein! care con#ine "i triptofan, îl constituie proteina fibrilar
! care
intr
! în constitu#ia fibrelor celulare. Proteinele sunt formate din aminoacizi care
sunt lega#i prin leg!turi peptidice, alc!tuind lan#uri polipeptidice, având o
structur
! macromolecular
!. Datorit! faptului c! proteinele con#in în molecula lor
lan#uri "i catene mari, cu structuri interne diferite, pot ap!rea în spa#iu diferite
configura#ii, grupate în mai multe niveluri de organizare: structura primar
!,
secundar
!, ter
#iar
! "i cuaternar
!.
Structura primar
! a proteinelor se refer
! la constitu#ia chimic! a
fiec!rui lan# polipeptidic ce intr
! în alc!tuirea lor. Specificitatea unei proteine este
dat! de num!rul lan#urilor polipeptidice, iar specificitatea unui lan# polipeptidic
este dat! de num!rul, felul "i ordinea aminoacizilor ce îl constituie. În lan#urile
polipeptidice, particip! mai frecvent 20 de tipuri de aminoacizi, de"i num!rul
aminoacizilor cunoscu#i se ridic! la aproximativ 100. Faptul c! fiecare protein! se
caracterizeaz! printr-o anumit! secven#! de aminoacizi, orice schimbare a acestei
secven#e va atrage modific!ri ale proteinei "i ca atare "i a fenotipului organismelor
vii.
Structura secundar
! se refer
! la orientarea spa#ial! a aminoacizilor,
unii fa#! de al#ii în cadrul lan#ului polipeptidic. Datorit! unor for
#e de atrac#ie
necovalente sau covalente chiar, anumite por #iuni din lan#ul polipeptidic se atrag,
rezultând o serie de torsion!ri "i orient!ri în diferite direc#ii a lan#ului polipeptidic,
dându-i o anumit! configura#ie spa#ial!.
Structura ter
# iar
! se formeaz! când între aminoacizi îndep!rta#i ai
aceluia"i lan# polipeptidic se formeaz! leg!turi chimice, dând moleculei proteice o
configura#ie spa#ial! foarte neregulat!.
Structura cuaternar
! se întâlne"te la proteinele formate din mai multe
lan#uri polipeptidice, ce por fi identice sau diferite ca structur
!.
Din cercet!rile efectuate de biochimi"ti se desprinde unul din cele mai
importante principii ale biologiei moleculare: structura secundar
!, ter
#iar
! "i
cuaternar
! a unei proteine este determinat! de structura primar
! a lan#ului
polipeptidic. Acest principiu a f
!cut posibil! cunoa"terea modului cum se
realizeaz! în celule sinteza enzimelor "i a proteinelor.

55
Natura "i structura proteinelor determin! specificitatea biologic! a
organismelor, a fiec!rei specii în parte, a organelor "i #esuturilor. Num!rul mare
de izomeri, succesiunea diferit! a aminoacizilor din macromoleculele proteice
asigur
! tocmai individualitatea biochimic! "i genetic! a organismelor.
Acizii nucleici
"i nucleoproteinele sunt componen#ii cei mai importan#i
ai celulelor vegetale "i animale. Ei particip! la procesele de diviziune celular
!, de
cre"tere "i diferen#iere celular
! "i determin! specificitatea materiei vii.
Acizii nucleici au fost descoperi#i în anul 1871 când F. Miescher
identific! în spermatozoizii pe"telui somon (Salmo salar
) o substan#! denumit!
nuclein$, format! dintr-o protein! "i un acid organic ce con#ine fosfor. Acest acid
organic a fost identificat pentru prima dat! de c!tre R. Altmann în anul 1899 "i l-a
denumit acid nucleic. Biochimistul Kossel a demonstrat c! nucleina este format!
din doi acizi nucleici: acidul dezoxiribonucleic (ADN) "i acidul ribonucleic
(ARN). Acidul dezoxiribonucleic se g!se"te în cea mai mare parte în nucleul
celulelor vegetale "i animale, iar acidul ribonucleic se g!se"te atât în nucleu, cât "i
în citoplasm!.
Acizii nucleici, respectiv nucleoproteinele, constituie, al!turi de alte
proteine, substan#ele de baz! din care este alc!tuit cromozomul.
Organismele cele mai simple, cum ar fi virusurile, sunt alc!tuite aproape
numai din nucleoproteine.
3.2. DOVEZI PRIVIND ROLUL GENETIC AL ADN
Descoperirile care au avut loc la nivelul celulei au permis o grupare a
structurilor care de#in func#ii ereditare. Ne referim la acele structuri care de#in o
informa#ie ereditar
! "i care au continuitate "i stabilitate celular
!. Teoria
cromozomic! a eredit!#ii a atribuit cromozomilor "i genelor rolul principal în
ereditate, de"i nu se cuno"teau înc! prea multe despre structura chimic! a
materialuluigenetic.
Identificarea materialului genetic constituie imperativul geneticii în
perioada de la mijlocul secolului nostru. Pentru aceasta trebuiau descoperite "i
dovedite structurile chimice care de#in caracteristicile de baz! ale materialului
genetic: de a stoca "i transmite informa#ia ereditar
! "i de a-"i men#ine stabilitatea
cantitativ! "i calitativ! pe parcursul diviziunii celulare.
Cercet!rile care s-au f
!cut la începutul secolului XX privind proteinele
"i enzimele, au demonstrat marea diversitate "i complexitate a acestora,
considerându-se c! "i genele ar fi tot de natur ! proteic!.
Problema care se pune în aceast! etap! era dac! genele, care ar avea o
natur
! proteic!, pot s! determine sinteza altor proteine "i respectiv enzime.
Cercet!rile au demonstrat c! din punct de vedere chimic, un lan# polipeptidic nu
poate servi pentru propria sintez!, în primul rând datorit! faptului c! aminoacizii
nu manifest! atrac#ie chimic! pentru aminoacizi identici.

56
Prima ipotez! a leg!turii dintre o gen! "i sinteza unei enzime a fost
elaborat! în anul 1908 de c!tre medicul englez Garrod care a studiat maladiile
ereditare umane ce afecteaz! metabolismul intermediar al fenilalaninei.
Identificarea materialului genetic a fost posibil! datorit! descoperirii
unor fenomene ereditare de maxim! importan#!:
- transformarea bacterian! prin intermediul ADN;
- transformarea la eucariote prin intermediul ADN;
- recombinarea genetic! în cursul reproducerii sexuate la bacterii;
- transduc#ia bacterian! cu ajutorul virusurilor;
- transmiterea informa#iei ereditare de c!tre ARN viral.
3.2.1. Transformarea la procariote
În anul 1928, bacteriologul englez F. Griffith a efectuat mai multe
experien#e cu pneumococi (
Diplococcus pneumoniae), o bacterie care produce la
mamifere boala numit! pneumonie. Virulen#a ei este determinat! de existen#a unei
capsule format! din polizaharide care împiedic! fenomenul de fagocitoz!.
Coloniile acestor bacterii sunt netede "i vâscoase, motiv pentru care s-au notat cu
S (engl. smooth = neted). Dup! reac#ia imunologic!, determinat! de tipul de
polizaharide ce alc!tuiesc capsula, exist! mai multe tipuri de pneumococi S: SI,
SII, SIII etc. Tipul S poate da na"tere prin muta#ii spontane la forme lipsite de
capsul!, a c!ror colonii au suprafa#a rugoas!, notat! cu R (engl. rough = aspru,
rugos), care sunt nevirulente. Pneumococii de tip R pot fi: RI, RII, RIII, în func#ie
de tipul S din care provin. F. Griffith a injectat la "oareci pneumococi nevirulen#i
de tip RII împreun! cu pneumococi virulen#i de tip SIII, îns! ace"tia din urm!
fuseser
! omorâ#i prin c!ldur
!. Surprinz!tor a fost faptul c! "oarecii au murit de
pneumonie, iar din ace"tia s-a separat atât pneumococi de tip RII cât "i
pneumococi de tip SIII. Concluzia care s-a desprins a fost c! pneumococii de tip
RII s-au transformat în pneumococi de tip SIII. Muta#ia este exclus! în acest caz
deoarece tipul RII ar fi trebuit s! muteze în tipul SII.
Cauza transform!rii pneumococilor necapsula#i "i nevirulen#i în
pneumococi capsula#i "i virulen#i a r
!mas necunoscut! pân! în anul 1944, când
un grup de cercet!tori americani, O. T. Avery, C. M. Mac Leod "i M. Mc. Carty,
au reluat experien#ele f
!cute de Griffith cu scopul de a identifica substan#a
chimic! ce induce transformarea. Ei au extras ADN de la pneumococii de tip SIII
"i l-au introdus în mediul de cultur
! al pneumococilor de tip RII. În cultur
!, pe
lâng! pneumococii de tip RII au ap!rut "i un num!r mic de pneumococi de tip
SIII, dovedindu-se c! agentul transformator este ADN de la tipul donor. Aceast!
experien#! poate fi redat! sintetic astfel:
SIII
RII
ore
24
in vitro

SIII
la
de
ADN
RII +
+
Însu"irea de virulen#! sau nevirulen#! este legat! de prezen#a sau absen#a
capsulei polizaharidice ce înconjoar
! pneumococul. ADN transformator a indus

57
pneumococilor nevirulen#i, acapsula#i, însu"irea de virulen#!, de formare a acestei
capsule.
Cu ajutorul ADN s-au realizat transform!ri genetice "i pentru alte
însu"iri la bacterii. Pneumococii sensibili la streptomicin! (Sts
) au fost
transforma#i în pneumococi rezisten#i la streptomicin! (St
r
) sub influen#a ADN
extras de la pneumococii rezisten#i la acest antibiotic.
Fenomenul de transformare genetic! s-a realizat "i la alte specii de
bacterii: Bacillus subtilis, Hemophilus influenzae, Escherichia coli etc.
Transformarea genetic! este posibil! numai dac! bacteriile receptoare
prezint! o stare de competen%$, care le permite interac#iunea cu un fragment de
ADN exogen, asigurând înglobarea ireversibil! a acestuia. Competen#a este o
stare fiziologic! tranzitorie care variaz! mult în cursul diferitelor faze ale ciclului
de multiplicare celular
!. Celulele bacteriene r
!mân incompetente dac! sunt
cultivate la pH mai mic de 7,4, în prezen#a unor enzime proteolitice sau la
densit!#i celulare mici, condi#ii în care proteina activator
, ce induce competen#a
nu este sintetizat! sau este inactivat!.
Proteina activator este un polipeptid endogen cu greutate molecular !
mic!, cationic, bogat în aminoacizi bazici "i hidrofobi, sensibil la enzimele
proteolitice "i extrem de aderent la toate suprafe#ele.
Starea de competen#! presupune o serie de modific!ri ale peretelui
celular bacterian. Proteina activator determin! o serie de alter
!ri de suprafa#! prin
ac#iunea murein-hidrolazei, peretele celular devenind mai poros "i cu o suprafa#!
intens electropozitiv!, ceea ce favorizeaz! legarea fragmentelor de ADN exogen,
înc!rcate electronegativ (Zarnea G., 1986).
În ceea ce prive"te mecanismul de transformare genetic! se afirm! c!
ADN exogen p!trunde în celula bacterian! printr-o regiune denumit! mezozom.
Cromozomul bacterian este ata"at de membrana celular
! tot în zona
mezozomului. P!truns în celula bacteriei acceptor, ADN exogen realizeaz! o
sinaps!, cu o zon! cu nucleotide complementare din cromozomul acesteia. În
final, ADN exogen, se integreaz! în cromozomul bacteriei receptoare. ADN
exogen este o secven#! de 900 de nucleotide, în medie, reprezentând, frecvent, o
singur ! gen!, mai rar dou!, trei gene. Integrarea ADN exogen în cromozomul
bacterian, formeaz! un ADN heteroduplex, deoarece nu se realizeaz! o
complementaritate perfect! a nucleotidelor. În replicarea ulterioar
! a acestui
ADN, vor rezulta dou! molecule, una de tipul ADN receptor "i cealalt! de tip
ADN transformat. (Raicu P., 1997).
3.2.2. Transfec%ia la procariote
Rolul genetic al ADN a fost pus în eviden#! "i printr-o serie de
experien#e cu bacteriofagi (virusuri ce atac! "i distrug bacteriile). Importante în
acest sens sunt experien#ele efectuate de A. Hershey "i M. Chase (1952) privind
infec#ia viral!, constituind "i primele experien#e de transfec#ie, care const! în
introducerea de ADN exogen în celule receptor. Ei au folosit bacteriofagii din

58
seria T "i în special bacteriofagul T2, unul din cei mai mari bacteriofagi (2400-
2500 Å). Bacteriofagul este constituit din cap "i coad!. Capul con#ine în interior
ADN iar înveli"ul (capsida) "i coada sunt constituite din proteine (figura 3.1).
Fagii se reproduc numai în celulele bacteriene cu ajutorul aparatului enzimatic al
acestora. Infec#ia viral! are loc astfel: fagul se prinde cu filamentele codale de
membrana bacteriei. Enzimele fagului dizolv! în acest punct membrana bacteriei,
iar ADN fagic este introdus prin coada acestuia în celula bacterian!. Într-un
interval de timp destul de scurt, în interiorul bacteriei se formeaz! câteva sute de
bacteriofagi, bacteria fiind distrus! (liza bacteriei) "i fagii sunt elibera#i putând
infecta alte celule. Faptul c! bacteriofagii se reproduc în interiorul bacteriei,
denot! c! ADN fagic are capacitatea de a se autoreproduce (func#ia autocatalitic!)
"i în acela"i timp de#ine informa#ia genetic! necesar
! sintezei proteinelor proprii
necesare constituirii capsidei pe baza aminoacizilor liberi din celula bacterian!
(func#ia heterocatalitic!).
Se pune întrebarea dac!, pe lâng!
ADN fagic, în interiorul bacteriei nu
p!trund "i proteinele virale. Pentru a
clarifica acest aspect A. Hershey "i M.
Chase au folosit izotopii radioactivi P32
"i
S35
. Fosforul radioactiv marcheaz!
molecula de ADN iar sulful radioactiv
marcheaz! proteinele.
S-au cultivat bacterii E. coli pe un
mediu la care s-a ad!ugat fosfor radioactiv
(P32
). Dac! se infecteaz! cultura cu
bacteriofagi T2, vor rezulta bacteriofagi
marca#i radioactiv, deoarece ADN fagic
incorporeaz! izotopul P35
. Cu ace"ti
bacteriofagi marca#i s-au infectat alte
bacterii neradioactive.
ADN fagic radioactiv a p!truns în interiorul bacteriilor, în timp ce
capsida fagilor, nemarcat!, a r
!mas la nivelul peretelui celular bacterian.
Dac! bacteriile au fost infectate cu bacteriofagi marca#i cu S35
, bacteriile
nu devin radioactive pentru c! în acest caz izotopul S35
s-a localizat numai la
nivelul proteinei din capsid!. $i într-un caz "i în altul capsidele au r !mas aderente
de suprafa#a bacteriei, putând fi izolate prin agitare. În interiorul bacteriei
p!trunde numai ADN fagic, care realizeaz! procesul de transfec#ie.
La eucariote, transfec#ia s-a realizat prin mai multe metode: adi#ia de
cromozomi metafazici la suspensii celulare, cu ADN exogen purificat sau prin
folosirea unui vector retroviral care poart! o anumit! gen!. Introducerea ADN
exogen realizeaz! modific!ri ale genomului receptor, în urma c!rora se realizeaz!
Fig. 3.1. Structura fagilor de tip T

59
organisme modificate genetic, respectiv plante "i animale transgenice sau
înlocuirea unor gene defective cu gene normale, ceea ce reprezint! terapia genic!.
3.2.3. Transformarea la eucariote
Transformarea genetic! la organismele superioare a eviden#iat rolul
genetic al ADN. Primele experien#e de transformare genetic! la eucariote au fost
realizate în anul 1959 de J. Benoit, P. Leroy, R. "i C. Vendrely. S-a extras ADN
din spermatozoizii "i eritrocitele masculilor din rasa de ra#e Khaki Campbell
"i s-a
introdus intraperitoneal la bobocii de ra#e din rasa Pekin. Adul#ii din rasa Pekin,
rezulta#i din bobocii trata#i au prezentat o serie de modific!ri morfologice privind
culoarea penajului, a ciocului "i picioarelor, a taliei, realizându-se o nou! ras!
denumit!
Blanche-neige.
În anul 1971, C. R. Merril "i colab. au transferat gene de la Escherichia
coli în celulele umane. Astfel, gena ce metabolizeaz! galactoza la E. coli a fost
preluat! de fagul lambda "i apoi transferat! de acesta în celulele fibroblastice
umane ce proveneau de la un bolnav de galactosemie (nu putea metaboliza
galactoza).
Fenomenul de transformare a fost realizat "i la alte organisme
superioare: Drosophila melanogaster, Bombyx mori, Petunia hybrida, Hordeum
vulgare ".a.
La noi în #ar
!, P. Raicu "i colab. (1963), au introdus prin vacuum
infiltra#ie ADN de la Triticum durum în boabe de grâu de la specia Triticum
aestivum. Plantele rezultate din boabele tratate cu ADN exogen prezentau
modific!ri privind culoarea "i ritmul de cre"tere.
3.2.4. Materialul genetic al ribovirusurilor
Ast!zi se consider
! c! virusurile constituie sisteme complexe alc!tuite
din dou! componente: înveli"ul proteic care nu are rol genetic "i ADN sau ARN
ce de#in mesajul genetic. Înveli"ul proteic denumit "i capsid! con#ine unit!#i mai
simple denumite capsomere.
Exist! dou! categorii de virusuri, unele au ca material genetic ADN "i
sunt denumite dezoxiribovirusuri
, iar altele con#in ARN "i sunt denumite
ribovirusuri
. Ribovirusurile cele mai cunoscute sunt: virusul mozaicului tutunului
(VMT), virusul poliomielitei, al encefalitei, bacteriofagul F2, virusul gripal,
virusul sarcomului Rous (RSV), multe virusuri tumorale etc.
Rolul genetic al ARN a fost pus în eviden#! la virusul mozaicului
tutunului de H. F. Conrat "i R. Williams (SUA, 1955) "i A. Gierer "i G. Schramm
(Germania, 1956). Virusul mozaicului tutunului con#ine aproximativ 6% ARNv "i
94% proteine. Ei au izolat ARNv de proteina viral! "i au f
!cut infec#ii cu ambele
componente pe frunze s!n!toase de tutun. S-a constatat c! boala denumit!
mozaicul sau arsura frunzelor de tutun s-a manifestat numai la frunzele infectate

60
cu ARNv. Se poate afirma c! la ribovirusuri, ARNv stocheaz! informa#ia genetic!
necesar
! sintezei proteinelor virale care vor constitui capsida viral!.
3.3. ACIZII NUCLEICI #I ROLUL LOR GENETIC
3.3.1. Structura molecular$ a acidului dezoxiribonucleic
(ADN)
Studii detaliate asupra structurii moleculare a acizilor nucleici au fost
efectuate mai ales dup! descoperirea rolului genetic, prin experien#ele de
transformare genetic! efectuate la organismele procariote "i eucariote.
Structura molecular
! a acidului dezoxiribonucleic (ADN) a fost
descoperit! în anul 1953 de cercet!torii J. D. Watson "i F. H. C. Crick care au
studiat structura ADN prin difrac#ie în raze X. Cei doi cercet!tori au studiat ADN
"in vitro" ne"tiindu-se dac! structura lui corespunde cu cea existent! în materia
vie. Tot în anul 1953, M. Wilkins "i colab. au efectuat cercet!ri asupra ADN "in
vivo" confirmând structura stabilit! de Watson "i Crick
.
În anul 1962, cei trei cercet!tori Watson, Crick "i Wilkins au fost
distin"i cu premiul Nobel pentru medicin! "i biologie, pentru contribu#iile aduse
la elucidarea structurii moleculare a materialului purt!tor al informa#iei genetice.
Structura chimic$ a moleculei de ADN
Molecula de ADN este format! din unit!#i simple denumite nucleotide.
În componen#a unei nucleotide intr
! urm!toarele tipuri de molecule: o baz!
azotat!, un zahar "i un radical fosforic (figura 3.2.).
Fig. 3.2. Bazele azotate, zaharurile "i radicalul fosforic din acizii nucleici

61
Bazele azotate ce intr
! în alc!tuirea de ADN sunt de dou! tipuri: baze
purinice "i pirimidinice.
Purina este o baz! azotat! alc!tuit! dintr-un heterociclu ce cuprinde
cinci atomi de C "i patru atomi de N, iar pirimidina este o baz! ce deriv! din
inelul benzenic, cuprinzând patru atomi de C "i doi atomi de N.
Bazele azotate purinice care intr
! în constitu#ia moleculei de ADN sunt
adenina (A) "i guanina (G), iar bazele pirimidinice sunt citozina (C) "i timina (T).
Zaharul component al dezoxiribonucleotidului se nume"te dezoxiriboz$
(β - D - 2 dezoxiribofuranoz!), fiind o pentoz!.
Radicalul fosforic are trei hidroxili liberi care pot fi esterifica#i. În cazul
acizilor nucleici se esterific! doi hidroxili, deci acizii nucleici sunt fosfodiesteri:
OH OH
O = P OH O = P OR
2
OH OR
1
Radical fosforic Fosfodiester
Prin unirea unei baze azotate purinice sau pirimidinice cu un zahar
rezult! un dezoxiribonucleosid iar prin ata"area la acesta a unui radical fosforic
rezult! un dezoxiribonucleotid. Ata"area radicalului fosforic se face în mod
obi"nuit prin intermediul carbonului 5' al dezoxiribozei, prin pierderea unei
molecule de ap!.
Radicalul fosforic al unui nucleotid, prin grup!rile acide libere, poate s!
se lege fie cu al#i radicali fosforici, fie cu alte nucleotide prin carbonul 3' al
dezoxiribonucleotidului. Dac! grup!rile libere ale radicalului fosforic se leag! de
al#i radicali fosforici, dezoxiribonucleotidele pot apare sub form! de monofosfat,
difosfat sau trifosfat, purtând urm!toarele denumiri: adenozin 5'-fosfat (AMP),
guanozin 5'-fosfat (GMP), citidin 5'-fosfat (CMP), timidin 5'-fosfat (TMP), ADP,
GDP, CDP, TDP, ATP, GTP, CTP, TTP.
Când nucleotidele (dezoxiribonucleotidele) se leag! unele de altele,
aceast! leg!tur
! se realizeaz! astfel: un nucleotid se leag! de nucleotidul vecin
inferior prin C 3', iar de nucleotidul vecin superior prin C 5'. Se realizeaz! un lan#
polidezoxiribonucleic, cu o form! de zig-zag, ce constituie structura primar ! sau
monocatenar ! a moleculei de ADN.
La majoritatea organismelor molecula de ADN este constituit! din dou!
lan#uri (catene) polinucleotidice complementare, aceasta fiind structura secundar !
a ADN stabilit! de c!tre J. D. Watson "i F. H. C. Crick. Una din premisele
importante pentru stabilirea structurii secundare a ADN a fost deducerea
experimental! a regulii lui E. Chargaff (1951), conform c!reia pot fi definite
urm!toarele reguli cantitative: A+G = T+C; A+C = T+G; A = T "i C = G sau
exprimat altfel, A/T = G/C = 1. Aceste rela#ii dintre nucleotide a dus la concluzia
c! ADN este alc!tuit din 2 catene. R
!sucirile pe care le sufer
! o caten! sau

62
molecula bicatenar
! alc!tuiesc structura ter
#iar
! iar interac#iunea dintre dou! sau
mai multe molecule bicatenare alc!tuiesc structura cuaternar
! a acizilor nucleici.
Watson "i Crick au stabilit c! macromolecula de ADN este alc!tuit! din
dou! catene polinucleotidice, paralele, înf
!"urate elicoidal în jurul unui ax comun
imaginar, o caten! având un sens ascendent (3' % 5') iar cealalt! un sens
descendent (5' % 3').
Distan#a dintre dou! nucleotide succesive este de 3,4 Å iar pasul elicei
este de 34 Å, ceea ce corespunde la 10 nucleotide. Diametrul macromoleculei de
ADN este de 20 Å (figura 3.3.).
Molecula de ADN are
dimensiuni foarte mari fiind cea
mai mare molecul! biologic!, cu o
mas! molecular
! ce poate ajunge la
12-16 x 106
daltoni (1 dalton =
1/12 din masa atomului de C).
Cele dou! catene din molecula
de ADN se leag! între ele prin
pun#i de hidrogen ce se realizeaz!
între o baz! azotat! purinic! de pe
un lan# "i o baz! azotat!
pirimidinic! de pe cel!lalt lan#.
Prin urmare, în macromolecula
de ADN exist! urm!toarele tipuri
de leg!turi: adenin!-timin! (A-T),
timin!-adenin! (T-A), guanin!-
citozin! (G-C) "i citozin!-guanin!
(C-G).
Cele dou! catene polinucleotidice din molecula de ADN sunt
complementare, în sensul c! ordinea nucleotidelor de pe o caten! determin!
ordinea nucleotidelor de pe cealalt! caten!. Leg!turile de hidrogen dintre bazele
azotate, duble, între adenin! "i timin! (A = T) "i triple între guanin! "i citozin!
(G & C), de"i sunt leg!turi slabe, sunt destul de numeroase de-a lungul
macromoleculei de ADN pentru a-i asigura stabilitatea "i coeziunea. Leg!turile
chimice slabe, cum sunt cele de hidrogen, sunt eficiente numai în cazul
moleculelor complementare, cum este ADN "i anume când o protuberan#! a unei
molecule intr
! într-o cavitate a altei molecule.
Luate separat, moleculele pirimidinice sunt mai mici decât cele purinice
îns! cuplurile purin!-pirimidin! sunt de aceea"i dimensiune, conferind
macromoleculei de ADN regularitate "i stabilitate. Macromolecula de ADN este
stabil! la temperaturile fiziologice, datorit! num!rului mare de leg!turi chimice "i
faptului c! moleculele de baze azotate se g!sesc în interiorul moleculei contactul
lor cu apa fiind limitat.
Fig. 3.3. Modelul structurii bicatenare a
moleculei de ADN

63
3.3.2. Alte tipuri de ADN
Arhitectura molecular
! a ADN stabilit! de Watson "i Crick a fost
confirmat! printr-un mare num!r de m!sur
!tori fizice. Modelul propus de cei doi
autori presupune împerecherea A-T, C-G "i o r
!sucire a celor dou! catene în
sensul acelor de ceasornic, deci o dubl! elice de dreapta (dextrors!) (ADN - D).
Cercet!rile recente bazate pe perfec#ionarea metodelor de analiz!
(difrac#ia în raze X) "i a celor de sintez! "in vitro" a unor fragmente scurte de
ADN, au dus la descoperirea mai multor tipuri conforma#ionale de ADN,
determinate de împerecheri "nelegitime" dintre bazele azotate (C-C, A-G),
înlocuirea bazelor azotate cu analogi ai acestora sau schimbarea modului de
r
!sucire a dublei elice. Tipurile de ADN ce au la baz! dubla elice de dreapta, dar
se deosebesc prin unele propriet!#i fizice au fost notate cu A, B, C "i D, iar tipul
de ADN ce posed! dou! catene cu r
!sucire spre stânga s-a notat cu Z.
ADN de tip A se apropie mult de structura ADN originar, bazele
azotate având îns! o înclina#ie într-un unghi de 20° fa#! de axul moleculei, ceea ce
determin! modificarea pasului elicei (2,8 Å în loc de 3,4 Å) "i a num!rului de
baze pe tur de elice (11 baze în loc 10).
ADN de tip B este aproape identic cu modelul originar. Cea mai mare
parte din ADN celular este de tipul B.
ADN de tip C este tot o dubl! elice de dreapta în care for #ele de
"împerechere" a bazelor azotate sunt mult mai slabe, ceea ce modific!
conforma#ia moleculei de ADN în lungime. Este întâlnit! în unele genomuri
virale.
ADN de tip D mai pu#in cunoscut, este o dubl! elice dextrors! cu un
unghi mare de r
!sucire (45°).
ADN-Z a fost descris de Rich "i Itakura în 1980 (Zarnea, G., 1986).
Acest ADN posed! dou! catene care afecteaz! o r
!sucire elicoidal! spre stânga,
datorit! atât unor leg!turi întâmpl!toare între G-C, cât unei frecven#e mai mari în
molecul! a acestui cuplu de baze.
Diferen#ele dintre ADN-B "i ADN- Z nu sunt fixe, fiind posibil!
transformarea reversibil! a celor dou! tipuri.
Forma Z a ADN bicatenar a fost descris! la un num!r mic de specii: în
cromozomii gigantici de la Drosophila melanogaster, Chironomidae "i în
cromozomii umani.
Analizându-se fragmente de ADN s-a putut constata c! într-un ADN-Z
pot exista scurte fragmente de ADN-B, diferen#ele dintre fragmente fiind u"or de
depistat prin mijloace adecvate, de înalt! rezolu#ie, datorit! modific!rii pasului
elicei, înclin!rii bazelor azotate "i a ordinii de succesiune a acestora. Aceasta face
posibil! recunoa"terea acestor zone de c!tre sistemele enzimatice implicate în
reglajul activit!#ii genelor: schimbarea direc#iei de r
!sucire a ADN la începutul
unei gene ar determina încetarea activit!#ii genei respective, controlul activit!#ii
genelor fiind foarte riguros.

64
Exist! "i ipoteza c! în aceste zone de tranzi#ie se pot ata"a cu o mai mare
frecven#! substan#ele mutagene "i cancerigene, fapt ce ar putea explica baza
molecular
! a mutagenezei cu o frecven#! mai mare.
În celulele eucariote, pe lâng! ADN nuclear, exist! în organitele
citoplasmatice ADN specific acestora: ADN mitocondrial (ADN-mt) "i ADN
cloroplastic(ADN-cl).
ADN - mitocondrial (ADN - mt) este bicatenar "i de form! circular
!,
asem!n!tor într-o mare m!sur
! cu ADN bacterian. ADN-mt nu este complexat cu
histone, în electronografii ap!rând ca ni"te fibrile cu un diametru de 25-30 Å.
ADN-mt al metazoarelor este de tip A-T, con#inutul în G-C fiind variabil. Dublul
helix de ADN-mt are o caten! grea, bogat! în resturi de A "i o caten! u"oar
!
bogat! în resturi de T. ADN-mt este singurul tip de ADN circular ce are în
secven#a sa ribonucleotide covalent integrate, ceea ce-l face sensibil la uree "i
ribonucleaz!, modificând forma moleculei "i oferind locuri speciale de
recunoa"tere pentru polimeraze.
M!rimea moleculei de ADN-mt variaz! în func#ie de specie la
organismele inferioare având în medie o greutate molecular ! de 107
daltoni, ceea
ce corespunde la 15.000-17.000 perechi de baze.
La plantele superioare ADN-mt are o greutate molecular ! mult mai
mare 60-140 x 106
daltoni, iar con#inutul în G-C este uniform (45-47%).
Informa#ia genetic! din ADN-mt este foarte compact!, neexistând secven#e
repetitive (introni). Se pare c! pe parcursul evolu#iei intronii au fost elimina#i din
ADN-mt.
ADN - cloroplastic (ADN-cl). Fiecare cloroplast con#ine cel pu#in o
molecul! de ADN-cl localizat! în stroma cloroplastului (zona genofor !).
Pot exista mai multe molecule de ADN-cl separate spa#ial, formând
zone genofore separate, ata"ate de un loc (situs) specific al membranei interne a
cloroplastului.
Cercet!rile efectuate la plantele superioare "i inferioare au ar
!tat c!
plastomul acestora este format din molecule de ADN-cl, dublu catenare, circulare,
cu un perimetru de 40-50 µ corespunzând unei greut!#i moleculare de 92 x 106
daltoni, respectiv 130 Kilobaze. Un cloroplast are în medie aproximativ 10-14
g
ADN, ceea ce înseamn! aproximativ 50 copii ale plastomului (Sitte P. "i colab.,
1991, dup! Toma N. "i Anghel I., 1985). Prin studii de denaturare "i renaturare
sau analiz! biochimic! direct!, s-a constatat c! la plantele inferioare con#inutul în
G+C este inferior celui de A+T, în timp ce la plantele superioare con#inutul de
G+C poate fi egal sau pu#in mai ridicat fa#! de cel de A+T. Experien#ele de
hibridare molecular
! ADN-ADN au demonstrat c! între ADN nuclear "i cel
cloroplastic exist! un anumit grad de omologie.
În ceea ce prive"te replicarea ADN-cl, are loc dup! modelul
semiconservativ, bidirec#ional, independent de replicarea ADN nuclear. ADN-cl
se replic! o singur
! dat!, atât în timpul gametogenezei, în gametul femel, în timp
ce ADN-cl con#inut de gametul mascul nu se replic!. În dezvoltarea ontogenetic!,
ADN-cl provenit de la genitorul matern se replic! "i este deci men#inut, în timp ce

65
ADN-cl de provenien#! patern! (în cantit!#i foarte mici) este degradat enzimatic;
în acest fel se explic! transmiterea pe linie matern! a genelor din ADN-cl.
ADN-cl cuprinde câteva sute de gene, genomul cloroplastic fiind mult
mai mare decât cel mitocondrial, având "i un rol mult mai complex în formarea "i
metabolismul cloroplastului "i a celulei, existând "i o cooperare complex! între
acesta "i nucleu.
ADN-satelitic (ADN-S). Acest tip de ADN formeaz! blocuri de unit!#i
repetitive (câteva milioane) în zona centromerului "i a satelitului. Num!rul de
secven#e repetitive variaz! de la o specie la alta de la 1% pân! la 5% per genom.
ADN-satelitic de#ine func#ia de reglare a replic!rii ADN cromozomic, replicare ce
presupune participarea proteinelor histonice.
ADN-bicatenar-circular este caracteristic cromozomului bacterian "i
unor plasmide prezente în celulele procariote, cum ar fi plasmidele F, R sau Col.
Dimensiunile acestui ADN sunt variabile de la o specie la alta. Avantajele
structurii circulare nu sunt cunoscute. Se presupune c! aceast! structur
! asigur
!
protec#ia moleculei de ADN fa#! de degradarea enzimatic! prin exonucleaze care
ac#ioneaz! asupra extremit!#ilor libere ale moleculei.
ADN monocatenar. Exist! unele virusuri a c!ror material genetic este
reprezentat de un ADN monocatenar. Astfel, la virusul ∅x174, molecula de ADN
monocatenar ! are o greutate molecular
! de 3 x 106
daltoni, are o form! circular
!
"i nu liniar
!. Ulterior s-au descoperit "i al#i bacteriofagi a c!ror material genetic
este reprezentat de un ADN monocatenar: bacteriofagul S13 "i bacteriofagul F1.
Structura monocatenar
! a ADN de la aceste virusuri constituie o
excep#ie reprezentând o adaptare la via#a specific parazitar
! a acestora.
3.3.3. Acidul ribonucleic (ARN)
Structura chimic$ a moleculei de ARN. Acidul ribonucleic (ARN) are
o structur
! chimic! asem!n!toare cu cea a acidului dezoxiribonucleic (ADN). În
structura chimic! a ARN intr
! trei componente: bazele azotate, zaharul "i
radicalul fosforic. Bazele azotate sunt: purinice, adenina (A) "i guanina (G) "i
pirimidinice, citozina (C) "i uracilul (U). Deci o prim! deosebire structural! între
ADN "i ARN este prezen#a uracilului în locul timinei. Uracilul are o structur
!
destul de apropiat! de cea a timinei.
Zaharul care intr
! în structura moleculei de ARN este riboza, care are o
form! ciclic!. Combinarea unei baze azotate cu zaharul d! na"tere unui
ribonucleosid, iar prin ad!ugarea unui radical fosfat rezult! un ribonucleotid.
O alt! deosebire important! între ADN "i ARN este faptul c!
macromolecula de ARN este monocatenar
!, fiind format! dintr-un singur lan#
poliribonucleotidic. Acest fapt face ca bazele azotate purinice s! nu fie în cantitate
egal! cu cele piridimice.
'inând seama de rolul pe care îl îndepline"te ARN se apreciaz! c! sunt
dou! categorii: acidul ribonucleic viral
(ARNv) "i acidul ribonucleic celular
,
implicat în sinteza proteinelor.

66
Acidul ribonucleic celular este de trei tipuri: acidul ribonucleic mesager
(ARNm), acidul ribonucleic de transport
sau solubil
(ARNt) "i acidul ribonucleic
ribozomal
(ARNr
).
Acidul ribonucleic viral (ARNv) constituie materialul genetic al unor
ribovirusuri cum ar fi: virusul mozaicului tutunului (VMT), virusul gripal, virusul
poliomielitei, virusul stomatitei veziculare, bacteriofagii F2, R17, QB "i altele.
Studiindu-se molecula de ARNv de la virusul mozaicului tutunului s-a
determinat c! este alc!tuit! din aproximativ 6.000 ribonucleotide, într-o anumit!
ordine, determinând con#inutul mesajului genetic. La mai multe virusuri molecula
de ARNv este format! din dou! catene complementare înf
!"urate elicoidal în jurul
unui ax imaginar. Molecula de ARNv este în general liniar
!, cu excep#ia virusului
encefalomielitei "oarecilor, la care molecula de ARNv este circular
!.
A"a cum s-a ar
!tat într-o experien#! anterioar
!, în momentul infec#iei
virale, în interiorul celulei infectate p!trunde numai molecula de ARNv, care are
capacitatea de a se multiplica, având rolul de matri#! pentru formarea unor
molecule noi, de#inând "i informa#ia genetic! necesar
! sintezei proteinei virale.
Acidul ribonucleic mesager (ARNm). A fost descoperit în celulele
bacteriene infectate cu bacteriofagi, apoi în toate celulele organismelor. A. D.
Hershey "i colab. (1953) au ajuns la concluzia c! sinteza ARNm este dependent!
de ADN. Ei au identificat într-o celul! bacterian! infectat!, pe lâng! ADN "i o
mic! cantitate de ARN, care era complementar ADN. Acest tip de ARN are rolul
de a copia informa#ia ereditar
! de pe o por
#iune din molecula ADN "i de a o
transmite în citoplasm! la ribozomi, organite citoplasmatice la nivelul c!rora are
loc sinteza proteinelor. De aceea acest tip de acid ribonucleic a fost denumit ARN
mesager (messenger ARN), prescurtat ARNm (F. Jacob "i J. Monod, 1961).
Acidul ribonucleic mesager se sintetizeaz! în procesul de transcrip#ie a
informa#iei genetice.
Cercet!rile genetice au stabilit c! ARNm are o durat! foarte scurt!, fiind
foarte repede sintetizat, dar "i foarte repede distrus. Molecula de ARNm se
asociaz! cu ribozomii "i formeaz! complexe denumite poliribozomi. Se afirm! c!
în perioada asocierii ARNm cu ribozomii, molecula nu este supus! degrad!rii.
Lungimea catenei de ARNm este foarte variabil!, deci "i masa
molecular
! este variabil!, în func#ie de lungimea segmentului de ADN de pe care
este copiat! informa#ia genetic!.
Acidul ribonucleic solubil sau de transfer (ARNs sau ARNt). Acest
tip de acid ribonucleic are o structur
! chimic! asem!n!toare cu a celorlalte tipuri
de ARN. Are o greutate molecular
! mic! "i anume 25.000 daltoni, având 75-90
nucleotide, este solubil în solu#ie de NaCl, de aceea i s-a dat numele de ARN
solubil.
Rolul ARNs este de a transporta aminoacizii din citoplasm! la ribozomi,
în procesul de sintez! a proteinelor.
Molecula de ARNs are la un cap!t tripleta citozin!-citozin!-adenin!
(CCA), iar la cel!lalt cap!t are un nucleotid ce con#ine guanina (G). Molecula

67
ARNs este monocatenar
!, dar are "i por
#iuni bicatenare datorit! leg!turilor de
hidrogen dintre A-U "i G-C, dându-i forma caracteristic! a unei frunze de trifoi.
R. W. Holley de la Universitatea Cornell (SUA) a determinat, în anul
1965, ordinea nucleotidelor unui ARNs care transport! alanina la ribozomi, la
drojdia de bere (Saccharomyces cerevisiae) (fig. 3.4.):
Spre deosebire de celelalte tipuri de ARN, acidul ribonucleic solubil are
o serie de particularit!#i chimice: con#ine o serie de nucleotide neobi"nuite, baze
ce au gruparea metilic! cum ar fi: 1-metilguanina, N-dimetilguanina, 1-
metilhipoxantina, hipoxantina, pseudouracilul "i altele.
Macromolecula de ARNs are trei regiuni distincte pentru recunoa"terea
moleculelor sau structurilor celulare:
a) Regiunea pentru recunoa"terea aminoacidului este situat! pe bra#ul cu
codonul CCA de la un cap!t al moleculei. Aminoacidul se fixeaz! de aceast!
regiune cu ajutorul enzimei aminoacil - ARN
s - sintetaza, care are o structur
!
foarte variat! de la un organism la altul, existând câte o enzim! pentru fiecare
aminoacid.
b) Regiunea anticodonului este format! dintr-o triplet! de nucleotide
complementar ! unui codon din ARNm. Num!rul anticodonilor este egal cu cel al
codonilor.
c) Regiunea pentru recunoa"terea ribozomului este alc!tuit! dintr-o
secven#! de cinci nucleotide: G-T-P-C-G (P-pseudouracilul). Aceast! regiune
realizeaz! leg!tura cu ribozomul în timpul procesului de sintez! a proteinelor.
Fig. 3.4. Structura ARN-s ce transport! alanina la ribozomi
la drojdia de bere (Saccharomyces cerevisiae)

68
Sinteza ARNs este determinat! de genele din cromozomi, gene care se
g!sesc într-un num!r mare de copii. Teoretic ar trebui s! existe atâtea tipuri de
ARNs câte tipuri de codoni exist!, dar în realitate num!rul lor este mai mic
deoarece sunt "i codoni care servesc pentru punctua#ie sau sunt sinonimi.
Acidul ribonucleic ribozomal (ARNr). Acidul ribonucleic ribozomal
(ARNr
) reprezint! aproximativ 85% din cantitatea total! a ARN din celul!, fiind
localizat numai în ribozomi. O caracteristic! important! a ARNr
este aceea c! se
g!se"te întotdeauna asociat cu proteinele. ARNr
a fost izolat din ribozomii
purifica#i de Escherichia coli "i s-a stabilit c! are o greutate molecular
! de 5 x 106
,
nefiind purt!tor al informa#iei genetice. Ribozomii sunt structuri submicroscopice
celulare, fixate pe reticulul endoplasmatic, constituind locul sintezei proteice.
Structura ribozomului este foarte complex!, fiind alc!tuit la procariote
din dou! subunit!#i: o subunitate mare de 50 S "i o subunitate mic! de 30 S.
Subunitatea mare este alc!tuit! dintr-o molecul! foarte mare de ARNr
, format!
din aproximativ 3200 nucleotide, dintr-o molecul! mai mic! cu 120 nucleotide "i
34 proteine diferite. Subunitatea mic! este format! dintr-o molecul! mare de
ARNr
compus! din 1600 nucleotide "i 21 proteine diferite.
La eucariote, ribozomul este mai mare "i anume 80 S, subunitatea mic!
(40 S) are o molecul! de ARNr
"i 30 de proteine diferite, iar subunitatea mare (60
S) are dou! frac#ii de ARNr
"i 37 proteine.
Acidul ribonucleic ribozomal are o structur
! bicatenar
! în propor
#ie de
60-70% iar restul are o structur ! monocatenar
!.
Sinteza ARNr
se realizeaz! prin genele din ADN specializate în acest
sens "i a c!ror num!r este foarte mare datorit! necesit!#ii de a se sintetiza o
cantitate mare de ARNr
într-un timp scurt. Astfel, la Drosophila melanogaster
exist! 130 de gene ce r
!spund de sinteza ARNr
, la Xenopus laevis 450, la Zea
mays 5200, la Triticum aestivum 12700, la Hyacinthus orientalis 32000 gene.
Num!rul de ribozomi din celulele procariotelor este de aproape 15000
iar la eucariote chiar mai mare, explicându-se astfel necesitatea unui num!r mare
de gene ce r !spund de sinteza unor frac#ii de ARNr
.
3.3.4. Denaturarea &i renaturarea ADN
Înc!lzirea unei solu#ii de ADN la temperaturi de peste 65°C, determin!
ruperea leg!turilor de hidrogen dintre bazele azotate, cele dou! catene se separ
!
rezultând un ADN monocatenar, iar fenomenul se nume"te denaturare.
Temperatura la denaturare variaz! de la o specie la alta, de exemplu la
Drosophila melanogaster
este de 86°C, la Escherichia coli 90°C, Mycobacterium
phlei 97°C. Dac! solu#ia respectiv! este r
!cit! brusc, ADN r
!mâne monocatenar,
fiind numit ADN denaturat. Dac! solu#ia se r
!ce"te treptat, leg!turile de hidrogen
se refac, rezultând un ADN renaturat, iar fenomenul se nume"te renaturare.
Aceste dou! fenomene au o importan#! deosebit! pentru realizarea de
hibrizi moleculari ADN-ADN sau ADN-ARN.

69
Hibrizii moleculari ADN-ADN, dar de la specii diferite, ne dau
informa#ii despre gradul de înrudire al speciilor respective. Hibridarea ADN-ARN
permite localizarea pe cromozomi a genelor ce intervin în sinteza diferitelor tipuri
de ARN.
3.3.5. Specificitatea ADN
În urma determin!rii cantit!#ii de ADN din nucleul procariotelor "i
eucariotelor s-a putut observa c! acesta variaz! foarte mult de la o specie la alta.
În general, procariotele au o cantitate mai mic! de ADN fa#! de eucariote,
deoarece organismele superioare au nevoie de o cantitate mai mare de informa#ie
genetic! pentru cre"tere, dezvoltare "i reproducere.
În molecula de ADN raportul dintre bazele azotate purinice "i bazele
azotate pirimidinice A/T "i G/C este constant "i egal cu 1 (E. Chargaff, 1951).
Deosebirile ce exist! între ADN de la diferite specii const! în faptul c! raportul
dintre A+T/G+C este foarte variabil. La plantele "i animalele superioare acest
raport este în favoarea bazelor A+T. La speciile înrudite "i raportul A+T/G+C
este apropiat, ceea ce arat! c! la acestea succesiunea nucleotidelor este
asem!n!toare. Diferen#ele privind secven#a de nucleotide asigur
! deosebirile
genetice dintre specii.
3.3.6. Replica%ia ADN
Una dintre însu"irile de baz! ale macromoleculei de ADN este cea de
replica#ie sau autoreplica#ie, constituind func#ia autocatalic! a materialului
genetic. La eucariote, replicarea ADN "i deci a genelor care nu sunt decât
segmente de ADN, are loc în timpul diviziunii mitotice, asigurându-se
transmiterea exact! de la o genera#ie la alta a caracterelor ereditare.
Studiul ciclului mitotic a relevat existen#a unei varia#ii regulate a
cantit!#ii de ADN iar pe aceast! baz! ciclul celular a fost împ!r
#it în urm!toarele
etape: M - mitoza, G1 - perioada anterioar
! sintezei de ADN (gol sintetic), S -
perioada sintezei de ADN "i G2 - perioada de postsintez!. Dup! telofaz! în G1
cantitatea de ADN r
!mâne constant! "i egal! cu 2C (dou! catene).
Biosinteza proteic! ce are loc în aceast! perioad! determin! cre"terea
celulei, are loc sinteza de ADN "i deci a unor proteine specifice ce declan"eaz!
mitoza. În perioada S se produce replicarea ADN, care se încheie prin dublarea
cantit!#ii de ADN, egal! cu 4 C (patru catene). În timpul profazei "i metafazei
mitotice, cantitatea de ADN r
!mâne constant! iar în anafaz!, când cromozomii
migreaz! spre cei doi poli, se împarte în dou!, fiecare celul! având o cantitate de
ADN egal! cu cea din celula mam!.
Diviziunea meiotic! determin! o reducere la jum!tate a cantit!#ii de
ADN în game#i. Cantitatea dubl! de ADN se reface în momentul fecund!rii
game#ilor, când rezult! zigotul diploid.

70
J. D. Watson "i F. H. Crick (1953) în urma elabor
!rii modelului
structural al moleculei de ADN au emis "i ipoteza replic!rii acestuia dup! tipul
semiconservativ. Acest tip de sintez! const! în ruperea pun#ilor de hidrogen
dintre cele dou! catene complementare. Fiecare caten! serve"te ca matri#! pentru
sinteza unei catene noi. În final, dintr-o molecul! veche de ADN vor rezulta dou!
molecule, dar care sunt noi numai pe jum!tate.
Au mai fost emise "i alte ipoteze de replicare a macromoleculei de
ADN. Un asemenea tip ar fi cel conservativ conform c!ruia molecula veche de
ADN serve"te ca model pentru sinteza unei molecule complet noi.
O alt! ipotez! consider
! c! replicarea ADN se realizeaz! dup! tipul
dispersiv. Conform acestui model, molecula de ADN se desface în p!r
#ile
componente "i împreun! cu nucleotidele din celul! particip! la formarea a dou!
molecule de ADN, care vor con#ine atât nucleotide vechi cât "i nucleotide noi.
Modelul replic!rii dup! tipul semiconservativ propus de Watson "i
Crick, asigur
! o mare fidelitate în sinteza noilor molecule de ADN. Termenul de
replica#ie deriv! de la faptul c! în acest proces fiecare caten! serve"te ca matri#!
pentru catenele noi sintetizate, informa#ia genetic! fiind transmis! fidel noilor
molecule.
Sinteza ADN dup! tipul semiconservativ se realizeaz! astfel: la o
extremitate sau într-un punct oarecare al macromoleculei de ADN, pun#ile de
hidrogen se rup, fenomen ce continu! pe toat! lungimea moleculei, asem!n!tor
desfacerii unui fermoar. Fiecare caten! se r !suce"te în spa#iu cu 180°, prin rotirea
nucleotidelor în planul exterior, în jurul radicalului fosforic. În citoplasm! se
g!sesc sintetizate cele patru tipuri de nucleotide care con#in bazele azotate
purinice "i pirimidinice: adenin!, guanin!, citozin! "i timin!.
Pe baza fenomenului de complementaritate
dintre bazele azotate purinice "i pirimidinice, o
nucleotid! care con#ine adenin! se va lega prin
pun#i de hidrogen de una ce con#ine timin!, iar
una ce con#ine guanin! se va lega de una ce
con#ine citozin!. În final, paralel cu catenele
vechi s-au sintetizat dou! catene noi, rezultând
dou! molecule fiice, identice cu molecula mam!
(fig. 3.5.). Replicarea macromoleculei de ADN
se realizeaz! în trei etape: în prima etap! are loc
sinteza precursorilor nucleotidelor ce intr
! în
alc!tuirea ADN de tipul acidului uridilic "i
acidului inosinic; în etapa a doua are loc sinteza
nucleotidelor propriu-zise ce intr
! în structura
ADN: dezoxiadenozintrifosfat,
dezoxiguanozintrifosfat, dezoxicitidintrifosfat "i
dezoxitimidintrifosfat; în etapa a treia are loc
polimerizarea nucleotidelor sub controlul
enzimei ADN-polimeraza.
Enzima are un diametru de circa 65 Å, mult mai mare decât a moleculei
de ADN (20 Å) "i este format! din circa 1000 aminoacizi. Enzima ADN-
Fig. 3.5. Modelul replic!rii
semiconservative a
macromoleculei de ADN

71
polimeraza determin! esterificarea oxidrilului de la carbonul 3' al catenei
polinucleotidice de c!tre fosfatul ce esterific! oxidrilul de la carbonul 5' al
nucleotidei, a"a încât dac! catena veche are polaritatea 5’ % 3', catena nou
sintetizat! va avea polaritatea invers! 3' % 5'.
S-au descoperit mai multe tipuri de polimeraze (I, II, III), unele din ele
intervenind în procesul de reparare a macromoleculei de ADN, atunci când unele
nucleotide au fost încatenate în mod eronat.
Pentru desf
!"urarea procesului de replica#ie este necesar
! o anumit!
cantitate de energie. Aceast! energie provine din hidroliza acidului
adenozintrifosforic (ATP) în acidul adenozindifosforic (ADP) "i un radical
fosforic (P). O parte din energia rezultat! se pierde sub form! de c!ldur
!.
Pentru ca pierderile s! fie cât mai mici, în celul! exist! un grup de
enzime denumite transferaze, care au rolul de a transfera grupe func#ionale de la
o molecul! la alta. Astfel ATP transfer ! energia sa c!tre GTP care este un
precursor în sinteza acizilor nucleici, devenind o molecul! activat!.
În celule exist! o enzim! puternic! denumit! pirofosfataz$, care rupe
leg!tura de înalt! energie dintre radicalii de fosfor (P ∼ P) eliberând-o (P ∼ P % P
+ P + 7 kcal/mol). Pentru unirea a dou! nucleotide se consum! 0,5 kcal/mol,
restul de 6,5 kcal/mol r
!mâne ca energie liber
! ce p!streaz! echilibrul
termodinamic al macromoleculei de ADN.
3.3.7. Replica%ia acizilor nucleici la bacterii &i virusuri
Celula bacterian! con#ine un singur cromozom circular format dintr-o
macromolecul! de ADN cu o lungime de aproape 1000 µ. În timpul replica#iei la
bacterii macromolecula de ADN î"i p!streaz! forma circular
!. Geneticienii M.
Meselsohn "i F. W. Stahl (1958) au elucidat mecanismul de replica#ie al ADN de
la bacterii prin marcarea acestuia cu izotopi radioactivi. Eu au folosit izotopul
stabil al azotului N15
, care se poate izola destul de u"or de azotul obi"nuit N14
, prin
ultracentrifugare.
Bacteria Escherichia coli a fost cultivat! pe un mediu ce con#inea
clorur
! de amoniu marcat! cu N15
. Dup! prima diviziune a bacteriilor, au fost
trecute pe mediu ce con#inea N
14
"i au fost l!sate s! se divid! de 1-3 ori. Dup!
num!rul de bacterii din cultur
! se poate determina num!rul de diviziuni.
Dup! aceea bacteriile au fost lizate "i introduse într-o ultracentrifug!. S-
a constatat c! bacteriile crescute pe mediu cu N15
aveau ADN marcat numai cu
N15
, iar dup! ce au fost trecute pe mediu cu N14
, dup! prima diviziune exista o
frac#ie de ADN hibrid, având o greutate molecular
! intermediar
!. Dup! cea de a
doua diviziune celular
!, 50% din ADN con#ine N14
"i 50% N15
, iar dup! cea de a
treia diviziune 75% con#inea N14
"i 25% hibrid. Aceste rezultate au demonstrat c!
replicarea cromozomului bacterian se realizeaz! dup! modelul semiconservativ.
Procesul de replica#ie a cromozomului bacterian începe într-un punct al
acestuia denumit replicator, care este ata"at de membrana celular
! într-o regiune
denumit! mezozom.

72
La bacterii, fiecare diviziune a bacteriei este precedat! de o singur
!
derulare complet! a cromozomului circular.
La virusuri s-a constatat c! acest proces de derulare a cromozomului se
repet! de mai multe ori, rezultând mai întâi o forma#iune liniar
!, lung!, care apoi
se fragmenteaz! "i rezult! cromozomi circulari.
Unele virusuri au ca material genetic o molecul! de ADN monocatenar
(∅x174, S 13, F etc.). La aceste virusuri, procesul de replica#ie decurge astfel: în
momentul în care ADN monocatenar notat cu (+) p!trunde în celula bacterian!
infectat!, serve"te ca matri#! pentru sinteza unei catene complementare notat! cu
(-). În interiorul bacteriei infectate a rezultat un ADN dublu catenar, dar numai
catena (-) serve"te ca matri#! pentru sinteza catenelor (+) ale virusului.
Exist! virusuri a c!ror material genetic este reprezentat de ARNv, care
are o structur
! monocatenar
!. Replica#ia acestui ARN în cazul ribovirusurilor este
asem!n!toare cu replica#ia ADN monocatenar de la virusul phi x 174.
Studiindu-se, de exemplu, ciclul de via#! al ribovirusului F2, s-a
constatat c! dup! p!trunderea ARNv monocatenar notat cu (+) în celula
bacterian!, se ata"eaz! de ribozomi, pentru a declan"a sinteza enzimei necesare
desf
!"ur
!rii procesului de replica#ie, ARN-polimeraza. Pe matri#a catenei (+) se
formeaz! o caten! complementar
! notat! cu (-), iar pe matri#a acesteia se
formeaz! un num!r mare de molecule de ARNv (+). O parte din aceste molecule
de ARNv (+) se ata"eaz! de ribozomi, sintetizându-se proteinele virale dup! care
are loc unirea ARNv cu acestea rezultând un num!r foarte mare de fagi ce distrug
celula gazd! (liza bacteriei).
3.3.8. Sinteza acizilor nucleici "in vitro"
Sinteza artificial! a acizilor nucleici a fost realizat! de A. Kornberg
(1954) "i S. Ochoa "i M. Grünberg-Manago (1955). A. Kornberg a fost distins cu
premiul Nobel (1959) pentru aceast! realizare. Pentru realizarea sintezei "in vitro"
a macromoleculei de ADN sunt necesare urm!toarele componente:
dezoxiribonucleotidele celor patru baze azotate, sistemul enzimatic format din
ADN-polimeraza, ioni de magneziu (Mg2+
) "i o cantitate mic! de ADN cu un grad
înalt de polimerizare folosit ca amors! (primer) "i matri#! pentru ADN nou
sintetizat. Ca amors! poate fi folosit un ADN monocatenar sau un ADN bicatenar,
dar în al doilea caz, molecula bicatenar ! trebuie denaturat! cu ajutorul c!ldurii.
În condi#ii favorabile de reac#ie s-a sintetizat o cantitate mai mare de 10
ori de ADN decât cea folosit! drept amors!. ADN sintetizat artificial este identic
cu cel folosit drept amors!, în privin#a raportului dintre bazele azotate, îns! aceste
molecule au fost inactive biologic. Lipsa activit!#ii biologice a ADN sintetizat "in
vitro" este pus! pe seama ADN-polimerazei, care con#ine mici cantit!#i de
dezoxiribonucleaz!, enzim! ce degradeaz! par
#ial molecula de ADN.
În anul 1968 A. Kornberg a reu"it s! sintetizeze "in vitro" ADN
monocatenar, activ biologic, "i anume o molecul! de ADN viral, identic! cu ADN
monocatenar al virusului phi x 174. Pentru aceasta, în mediul de reac#ie s-au

73
introdus: ADN-polimeraza, ADN monocatenar izolat de la virusul phi x 174, ca
amors!, precursorii dezoxiribonucleotidelor "i polinucleotidligaza, enzim!
necesar
! realiz!rii formei inelare a ADN viral. S-au ob#inut monocatene negative
(-) complementare catenelor ini#iatoare (+), care formau un helix dublu, circular.
Prin utilizarea unor enzime s-au izolat o serie de catene (-), care au fost utilizate
apoi ca matri#e pe sinteza unor catene (+) biologic active, cu însu"irea de a ini#ia
multiplicarea virusului.
În anul 1955 M. Grünberg-Manago "i S. Ochoa, au realizat sinteza "in
vitro" "i a macromoleculei de ARN, dup! aceea"i metod! folosit! pentru sinteza
ADN. Elementele mediului de reac#ie sunt: ribonucleotidele, enzima ADN-
fosforilaza "i ioni de magneziu. Ca matri#! pentru sinteza ADN "in vitro" s-a
folosit o molecul! de ADN monocatenar.
Sinteza artificial! a acizilor nucleici deschide perspective mari în
înlocuirea unor "gene defecte", prin segmente de ADN nou sintetizate.
3.4. CODUL GENETIC
Dup! descoperirea structurii macromoleculei de ADN "i a însu"irii ei de
a se replica cu mare fidelitate, mul#i geneticieni "i-au pus întrebarea dac!
informa#ia genetic! nu este codificat! într-un anumit fel prin secven#a de
nucleotide, ce rela#ii se stabilesc între cele patru tipuri de nucleotide "i
aminoacizii din lan#urile polipeptidice.
Ciberneticianul G. Gamow (1954) este primul care a descoperit leg!tura
dintre secven#a de nucleotide din ADN "i ordinea aminoacizilor, emi#ând ipoteza
c! în macromolecula de ADN se g!se"te codificat! biochimic informa#ia genetic!,
necesar
! sintezei moleculelor proteice.
În general, prin informa#ie se în#elege un mesaj, mai mult sau mai pu#in
cuprinz!tor, despre o serie de fenomene care au avut loc, au loc sau vor avea loc
într-un sistem biologic sau tehnic. Aceste informa#ii sunt înregistrate, stocate "i
apoi transmise printr-un sistem de codificare. De exemplu, codul Morse, folose"te
un sistem de linii "i puncte pentru codificarea literelor "i cuvintelor.
Proteinele sunt alc!tuite din lan#uri polipeptidice formate din 20 de
aminoacizi a c!ror succesiune este specific! pentru fiecare protein!.
Prin schem! teoretic! a unui cod genetic a fost elaborat! de G. Gamow
(1954). Potrivit concep#iei acestuia, codificarea celor 20 de aminoacizi nu se
poate realiza de un singur nucleotid (41
=4) "i nici de grupe formate din câte dou!
nucleotide (42
=16), pentru c! în ambele cazuri num!rul total de combina#ii este
mai mic decât num!rul aminoacizilor. Ca urmare, el a considerat c! numai
secven#e de câte trei nucleotide (43
=64) pot realiza codificarea celor 20 de
aminoacizi (tabelul 3.1.). Grupul de trei nucleotide care codific! un aminoacid a
primit denumirea de codon. În cazul codului de tip triplet, num!rul codonilor este
64, dep!"ind de trei ori num!rul aminoacizilor, fapt ce confer
! o mare eficien#! "i
plasticitate în recunoa"terea aminoacizilor.

74
În perioada care a urmat, o serie de geneticieni au adus numeroase
dovezi experimentale privind codificarea informa#iei ereditare, deci a rela#iei
nucleotide-aminoacizi, culminând cu descifrarea în totalitate a codului genetic.
Primele dovezi experimentale ale rela#iei nucleotide-aminoacizi, au fost
aduse prin studiul unor muta#ii, induse cu acid nitros, la virusul mozaicului
tutunului (VMT). La acest virus capsida este format! din 2150 catene
polipeptidice identice, fiecare con#inând câte 158 aminoacizi. Acidul nitros induce
muta#ii de tipul tranzi#iilor (înlocuirea unei baze purinice cu o baz! purinic! sau
înlocuirea unei baze pirimidinice cu o baz! pirimidinic! în catena acizilor
nucleici) "i anume A ( G sau C ( U.
Tabelul 3.1.
Diferite tipuri teoretice de coduri
Codul
monotipic
(4 combina#ii)
Codul cu dublete
(16 combina#ii)
Codul cu triplete
(64 combina#ii)
AA AG AC AU AAA AAG AAC AAU
GA GG GC GU AGA AGG AGC AGU
CA CG CC CU ACA ACG ACC ACU
UA UG UC UU AUA AUG*
AUC AUU
GAA GAG GAC GAU
GGA GGG GGC GGU
GCA GCG GCC GCU
GUA GUG*
GUC GUU
CAA CAG CAC CAU
CGA CGG CGC CGU
CCA CCG CCC CCU
CUA CUG CUC CUU
UUA•
UAG•
UAC UAU
UGA•
UGG UGC UGU
UCA UCG UCC UCU
A
G
C
U
UUA UUC UUC UUU
* codoni ini#iatori ai sintezei unei catene polipeptidice
•
codoni nonsens, care nu codific! nici un aminoacid reprezentând
codonii terminali ai sintezei unei catene polipeptidice
Apari#ia acestor muta#ii la nivelul nucleotidelor din ARNv al virusului,
care îndepline"te rolul de ARNm, apar modific!ri în secven#a aminoacizilor din
catena polipeptidic!. Aceste modific!ri sunt de tipul substitu#iei unor aminoacizi:
Prolin! Serin! Fenilalanin! sau
Prolin! Leucin! Fenilalanin!
S-a dedus c! prolina este codificat! de un codon, la care cel pu#in dou!
nucleotide sunt fie A fie C. Tranzi#ia A ( G sau C ( U a uneia din aceste
nucleotide genereaz! codonul serinei "i respectiv al leucinei. În codonul
fenilalaninei, ambele nucleotide trebuie s! fie G sau U.

75
Studiile efectuate la mutantele induse cu proflavin! la bacteriofagul T4,
în cadrul genei rIIB, au demonstrat c! unitatea care codific! un aminoacid este o
triplet! de nucleotide (codon).
Descifrarea codului genetic a fost posibil! "i prin folosirea unor ARNm
sintetiza#i artificial, care con#ineau o secven#! cunoscut! de nucleotide, pe baza
c!rora au fost sintetizate proteine. Experien#e de acest fel au fost realizate de M.
W. Nirenberg "i J. H. Matthaei (1961). Ei au reu"it s! sintetizeze o caten! de
polifenilalanin!, folosind un ARNm artificial care con#inea numai nucleotide cu
uracil (U), dovedind c! tripleta (UUU) codific! aminoacidul fenilalanin!. S-au
folosit apoi ARNm artificiali ce con#ineau o secven#! de dou! nucleotide
cunoscute. De exemplu, ARN artificial ce con#ine secven#a UGUGUG, determin!
sinteza unui lan# polipeptidic în care alterneaz! cisteina "i valina, deci cisteina
este codificat! de codonul UGU iar valina de GUG (figura 3.6.).
A doua nucleotid! a codonului
Prima
nucle-
otid! a
codo-
nului 5'
U C A G
A treia
nucle-
otid! a
codo-
nului 3'
UUU UCU UAU UGU
UUC
Fen
UCC UAC
Tir
UGC
Cis
UUA UCA UAA Non 2 UGA
Non
3
U
UUG Leu UCG
Ser
UAG Non 1 UGG Tri
U
C
A
G
CUU CCU CAU CGU
CUC CCC CAC
His
CGC
CUA CCA CAA CGA
C
CUG
Leu
CCG
Pro
CAG
Glu
CGG
Arg
U
C
A
G
AUU ACU AAU AGU
AUC ACC AAC
Asp
AGC
Ser
AUA
Ileu
ACA AAA AGA
A
AUG Met ACG
Tre
AAG Liz AGG Arg
U
C
A
G
GUU GCU GAU GGU
GUC GCC GAC
Ac.asp
GGC
GUA
Val
GCA GAA GGA
G
GUG
f-
Met
GCG
Ala
GAG
Ac.glu
GGG
Gli
U
C
A
G
Fig. 3.6. Codul genetic

76
Problema cea mai grea ce a trebuit rezolvat! a fost precizarea pozi#iei
nucleotidelor în cadrul codonului, pentru c! cele dou! nucleotide pot forma trei
combina#ii: GUU, UGU "i UUG. Exist! mai multe c!i pentru precizarea ordinii
nucleotidelor în cadrul codonului, cea mai folosit! fiind studiul muta#iilor de
substitu#ie a unor aminoacizi din unele proteine mai bine cunoscute: hemoglobina,
proteina virusului mozaicului tutunului, triptofan-sintetaza din Escherichia coli
".a.
3.4.1. Caracteristicile codului genetic
Informa#ia genetic! este codificat! în acidul dezoxiribonucleic (ADN)
sau în acidul ribonucleic viral (ARNv) la unele virusuri, sub forma unor secven#e
de trei nucleotide (codoni). Informa#ia genetic! este copiat! prin procesul de
transcrip#ie de c!tre ARNm iar apoi tradus!, prin procesul de transla#ie, într-o
secven#! de aminoacizi, în catena polipeptidic!.
În prezent sunt cunoscu#i to#i codonii din ARNm, care codific! diferi#i
aminoacizi (fig. 3.6). Codul genetic cuprinde 64 de codoni. Doi codoni marcheaz!
începutul sintezei unei catene polipeptidice "i anume AUG "i GUG iar trei codoni
sunt nonsens: UAA (ocru), UAG (ambr
!) "i UGA (azur). Ace"ti codoni au rolul
de a marca terminarea sintezei unei catene polipeptidice (codoni stop).
Codul genetic are urm!toarele caracteristici: este universal, degenerat,
lipsit de ambiguitate, neacoperit "i f
!r
! virgule.
Prin universalitatea codului genetic se în#elege faptul c! un anumit
codon, codific! acela"i aminoacid la orice organism, indiferent de gradul s!u de
evolu#ie. Dovada cea mai evident! a universalit!#ii codului genetic a fost
urm!toarea: s-a izolat ARNm ce r
!spunde de sinteza hemoglobinei la iepure "i s-a
injectat în ovocitele de broasc!. S-a constatat c! în ovocitele de broasc! se
sintetizeaz! hemoglobina, de"i în mod normal, ovocitele nu sintetizeaz! niciodat!
hemoglobin!.
Codul genetic este degenerat, în sensul c! mai mul#i codoni codific!
acela"i aminoacid. De exemplu, arginina este codificat! de urm!toarele triplete:
GGU, GGC, GGA, AGA "i AGG.
În ceea ce prive"te importan#a nucleotidelor din codon s-a constatat c!
primele dou! sunt cele mai semnificative, în timp ce a treia poate fi u"or înlocuit!.
Dac! cea de a treia nucleotid! este o baz! purinic! ea poate fi înlocuit! tot cu o
baz! purinic! sau dac! este o baz! pirimidinic!, poate fi înlocuit! tot printr-o baz!
pirimidinic!. Diferi#i codoni, care au primele dou! nucleotide identice, pot
codifica acela"i aminoacid. Numai metionina "i triptofanul sunt codifica#i de câte
un singur codon (AUG "i respectiv UGG). Caracteristica de degenerare a codului
genetic, prin care mai mul#i codoni diferi#i codific! acela"i aminoacid, poart!
numele de redundan%$, termen preluat din informatic!. Redundan#a const! într-
un exces de informa#ie, într-un sistem, pentru a asigura transmiterea corect! a
informa#iei, chiar în cazul unor perturb!ri (Hartl D. L. "i colab., 1989).

77
În mod obi"nuit fiecare codon (triplet!) codific! un singur aminoacid. S-
a constatat, în unele cazuri, c! un codon poate codifica mai mul#i aminoacizi. A"a
este cazul codonilor GCG care codific! alanina "i arginina; CGG-prolina "i
arginina; GGA-glicerina "i acidul glutamic; AGG-glicina "i fenilalanina. Se
afirm! c! aceast! însu"ire reprezint! un avantaj evolutiv, deoarece înlocuirea unui
aminoacid cu altul printr-o muta#ie, într-o caten! polipeptidic! este mai pu#in
d!un!toare, dac! cei doi aminoacizi au propriet!#i asem!n!toare.
Codul genetic este neacoperit în sensul c! doi codoni vecini nu au
nucleotide comune "i este f
$r$ virgule, între doi codoni nu exist! spa#ii sau al#i
codoni care s! joace rolul unor semne de punctua#ie.
S-a demonstrat c! citirea mesajului genetic începe dintr-un punct fix, se
realizeaz! într-un singur sens, astfel c!, absen#a unui nucleotid (dele#ie) sau
ad!ugarea altuia (adi#ie), schimb! sensul mesajului.
Universalitatea codului genetic în lumea vie demonstreaz! pe de o parte
vechimea sa "i, totodat!, constan#a sa în timp.
3.5. BIOSINTEZA PROTEINELOR
Proteinele au un rol esen#ial în metabolismul celular, îns!"i func#iile
materialului genetic sunt condi#ionate de o serie de enzime sau proteine cu rol
structural.
Enzimele particip! la replicarea ADN "i ARN, la transcrip#ia informa#iei
genetice "i la sinteza proteinelor.
Proteinele structurale intr
! în alc!tuirea cromozomului, a membranelor
celulare, a componentelor celulare, particip! la asamblarea ribozomilor.
Procesul de biosintez! a proteinelor este mult mai complex decât cel de
sintez! a acizilor nucleici "i cuprinde dou! etape importante: transcrip#ia
informa#iei genetice "i transla#ia informa#iei genetice.
3.5.1. Transcrip%ia informa%iei genetice
Transcrip#ia constituie fenomenul prin care informa#ia genetic! de pe o
por
#iune din catena de ADN este transcris! (copiat!) într-o molecul! de ARNm.
Transcrip#ia mesajului genetic din molecula de ADN pe cea din ARNm se face
într-o form! care serve"te ca matri#! pentru sinteza proteinelor. Sinteza ARNm
este catalizat! de enzima ARN-polimeraza, enzim! universal! ce a fost
identificat! în celulele bacteriene, vegetale "i animale.
Mecanismul propriu-zis al transcrip#iei informa#iei genetice din ADN în
molecula de ARNm se realizeaz! astfel: enzima ARN-polimeraza se leag! specific
într-o pozi#ie a moleculei de ADN, ce corespunde cu începutul unei gene.
Leg!turile de hidrogen se rup pe por #iunea genei respective, segmentul respectiv
de caten! se rote"te cu 180° în spa#iu, servind ca matri#! pentru sinteza catenei de
ARNm. ARN-polimeraza asigur
! încatenarea corect! a ribonucleotidelor existente
în nucleu. Odat! cu înaintarea ARN-polimerazei de-a lungul matri#ei ADN, se

78
elibereaz! treptat noua caten! în citoplasm!, unde se asociaz! cu ribozomii
formând complexe denumite poliribozomi.
Dup! ce s-a realizat transcrip#ia, se refac leg!turile de hidrogen între
catenele moleculei de ADN.
De o foarte mare importan#! este descoperirea c! procesul de
transcrip#ie la nivelul unei gene se realizeaz! pe o singur
! caten! de ADN. A"a se
explic! faptul c! o gen! de#ine informa#ia genetic! necesar
! sintezei unei singure
proteine.
În ceea ce prive"te locul de pe catena de ADN unde se ini#iaz! procesul
de transcrip#ie, J. D. Watson (1974) arat! c! ARN-polimeraza este cea care
recunoa"te codonii de ini#iere.
Spre deosebire de ADN-polimeraza care este format! dintr-un singur
lan# polipeptidic, ARN-polimeraza este alc!tuit! din cinci lan#uri polipeptidice
notate cu β', β, δ, α2 "i W, fiecare cu o mas! molecular
! diferit!. Enzima poate s!
catalizeze formarea leg!turilor dintre nucleotide, chiar dac! lipse"te lan#ul δ,
deci
acest lan# nu are rol catalitic, ci acela de a recunoa"te catena matri#! "i secven#a de
dezoxiribonucleotide, de unde se ini#iaz! transcrip#ia. Pozi#ia din molecula ADN
unde se leag! ARN-polimeraza pentru a ini#ia transcrip#ia se nume"te promotor.
Încheierea transcrip#iei ARNm este controlat! de o protein! specific! numit! factor
σ.
În sens mai larg, transcrip#ia se refer
! "i la sinteza celorlalte dou! tipuri
de ARN implicate în procesul de biosintez! a proteinelor.
Acidul ribonucleic solubil sau de transfer (ARNs) se sintetizeaz! tot pe o
matri#! de ADN. Fiecare tip de ARNs este codificat de câte o singur
! secven#! de
nucleotide din ADN, deci de câte o gen!. Acidul ribonucleic ribozomal (ARNr
)
este produsul direct al mai multor gene. Detalii despre ARNs "i ARNr
au fost
precizate într-un paragraf anterior.
3.5.2. Transla%ia informa%iei genetice
Transla#ia este mecanismul prin care secven#a codonilor din ARNm este
tradus! într-o anumit! succesiune de aminoacizi ce intr ! în constitu#ia unui lan#
polipeptidic. Realizarea procesului de transla#ie implic! participarea mai multor
componente celulare ce alc!tuiesc un aparat de transla#ie. Aparatul de transla#ie
cuprinde urm!toarele elemente: diferite tipuri de ARNs corespunz!toare tipurilor
de aminoacizi, aminoacizii, ribozomii, enzimele activatoare ale aminoacizilor,
cofactorii energetici, ATP "i GTP, factori de ini#iere, alungire "i terminare a
sintezei lan#ului polipeptidic.
Pentru sinteza celular
! a proteinelor este necesar
! o anumit! cantitate de
energie, formarea unei singure leg!turi peptidice necesitând 0,5 kcal/mol. Aceast!
energie este asigurat! de acidul adenozintrifosforic (ATP) care, prin hidroliz!,
pune în libertate unul sau doi radicali fosforici eliberând energia corespunz!toare:
ATP + H2O AMP + P ∼ P + 8 kcal/mol

79
Sinteza proteic! se desf
!"oar
! concomitent cu hidroliza ATP în AMP "i
doi radicali fosforici, rezultând 8 kcal/mol, din care 0,5 kcal/mol sunt folosite
pentru realizarea leg!turii peptidice iar restul de 7,5 kcal/mol pentru men#inerea
echilibrului reac#iei în favoarea sintezei proteice "i nu a hidrolizei.
O prim! etap! în sinteza proteinelor o constituie activarea
aminoacizilor "i formarea complexului aminoacil-ARNs. Activarea aminoacizilor
se realizeaz! cu ajutorul energiei rezultate din hidroliza ATP "i în prezen#a
enzimei aminoacilsintetaza (E). Reac#ia de activare a aminoacizilor poate fi redat!
astfel:
AA1 + ATP + E AA1 ∼ AMP ∼ E + P ∼ P
Aminoacizii, dup! ce au fost activa#i, se pot ata"a de molecula unui
ARNs specific:
AA1 ∼ AMP ∼ E + ARNs1 AA1 - ARNs1 +
+ AMP + E
Cele dou! reac#ii au loc succesiv, sunt catalizate de aceea"i enzim!
(aminoacilsintetaza)"i ca atare se poate scrie reac#ia general!:
aminoacilsintetaza
AA1 + ATP + ARNs1 AA1 - ARNs1 +
+ AMP + P ∼ P
În urm!toarea faz! complexul aminoacil-ARNs se ata"eaz! de
poliribozomi, la nivelul c!rora are loc ini#ierea sintezei lan#ului proteic.
Ribozomul asigur
! de a"a manier
! asocierea acestor elemente încât zona
anticodon a ARNs s! poat! recunoa"te codonul corespunz!tor din ARNm, ducând
astfel la o descifrare corect! a mesajului genetic. Dup! fixarea aminoacidului,
ARNs devine liber putând transporta alte molecule de aminoacid la nivelul
ribozomului. Încatenarea aminoacizilor se realizeaz! de c!tre enzima
peptidiltransferaza "i const! în realizarea leg!turilor peptidice între gruparea
carboxil a unui aminoacid "i gruparea aminic! a celuilalt (figura 3.7.).
Reac#ia de încatenare a aminoacizilor poate fi redat! astfel:
peptidiltransferaza
AA1 - ARNs1 + AA2 - ARNs2 + AA3 - ARNs3 +…
AA1 - AA2 - AA3 … + ARNs1 + ARNs2 + ARNs3 + …

80
Fig. 3.7. Reprezentarea schematic! a procesului de transla#ie
(dup! Kimball, 1978)
Încheierea sintezei catenei polipeptidice se realizeaz! cu ajutorul a doi
factori proteici care sunt activa#i în prezen#a codonilor de încheiere UAA, UAG "i
UGA. Ca urmare, catena polipeptidic! se deta"eaz! de ribozomi "i de ARNs care
a adus ultimul aminoacid.
În ceea ce prive"te viteza cu care se realizeaz! biosinteza proteic!, exist!
o serie de date atât la procariote cât "i la eucariote. Transcrip#ia genei ce
determin! sinteza enzimei ce intervine în producerea triptofanului la Escherichia
coli are loc cu o vitez! de 28 nucleotide/sec., iar transla#ia cu viteza de 7
aminoacizi/sec. O molecul! complet! de hemoglobin! uman! este sintetizat! în 35
secunde (gena ce determin! hemoglobina con#ine 670 nucleotide).
În prezent s-a reu"it sinteza unor substan#e proteice într-un sistem
celular liber (popula#ii de celule la care s-a distrus membrana celular !), folosind
ARNm artificial (M. W. Niremberg, 1961).
3.6. REGLAJUL GENETIC AL ACTIVIT!"II GENELOR
Celula vie con#ine o cantitate mare de informa#ie genetic! iar procesele
metabolice ce au loc func#ioneaz! cu o mare eficien#!, asigurând economisirea la
maximum a energiei.
Cantitatea mare de informa#ie din celulele procariotelor "i eucariotelor
permite func#ionarea acestora în cele mai variate condi#ii de mediu. În timp ce
virusurile posed! în programul lor genetic 3-4 gene, bacteriile 2.000-3.000 gene,
plantele "i animalele superioare au un program genetic foarte complex, constituit
din câteva zeci de mii de gene.
Genele ce alc!tuiesc programul genetic al vie#uitoarelor nu func#ioneaz!
toate deodat!, ci intr
! în func#ie în mod succesiv, în func#ie de tipul "i cantitatea
de enzime "i proteine, pe m!sura dezvolt!rii individului. Mecanismele de reglare
a activit!#ii genelor sunt foarte complexe atât la procariote cât "i la eucariote.
Func#ionarea celulei este dependent! de cele dou! laturi ale
metabolismului: catabolismul (dezasimila#ia), prin care o serie de substan#e sunt
descompuse "i se elibereaz! "i o anumit! cantitate de energie "i anabolismul
(asimila#ia) în urma c!reia se sintetizeaz! substan#e complexe din substan#e
simple. Fiecare etap! a asimila#iei "i dezasimila#iei este catalizat! de o anumit!
enzim!, care la rândul ei este dependent! de informa#ia uneia sau a mai multor
gene.

81
3.6.1. Reglajul activit$%ii genetice la procariote
Teoria reglajului genetic la procariote a fost elaborat de geneticienii
francezi Francois Jacob, André Lwoff "i Jaques Monod, în anul 1961, realizare
pentru care ei au fost distin"i, în anul 1965, cu premiul Nobel. În aceast! lucrare ei
demonstreaz! experimental "i practic c! sinteza proteinelor "i a enzimelor variaz!
în func#ie de necesit!#ile celulei "i este controlat! genetic. F. Jacob "i J. Monod au
descoperit mai multe moduri de reglare genic! a sintezei proteice:
- induc#ia enzimatic!;
- represia enzimatic!;
- retroinhibi#ia enzimatic!.
Induc%ia enzimatic$ este fenomenul prin care celulele produc sistemul
enzimatic necesar pentru metabolizarea substan#elor care de obicei nu sunt
prezente în mediu.
Propriet!#ile enzimatice ale bacteriilor sunt influen#ate de mediul în care
cresc, fenomen denumit adaptare enzimatic$, ceea ce confer
! acestor organisme
posibilitatea de a cre"te în medii diferite. Enzimele ce intervin în catalizarea
diferitelor laturi ale metabolismului au fost împ!r
#ite în dou! categorii: enzime
adaptive a c!ror cantitate "i activitate variaz! în func#ie de condi#iile de mediu "i
enzime constitutive a c!ror cantitate nu depinde de mediu "i se sintetizeaz!
continuu.
J. Monod (1941) a descoperit fenomenul de diauxie prin care o bacterie
ce cre"te pe un mediu de glucoz! "i lactoz!, cre"te "i se înmul#e"te pân! ce
glucoza este epuizat!, iar dup! o perioad! de stagnare, cre"te din nou "i se
înmul#e"te folosind îns! lactoza.
Un exemplu de induc#ie enzimatic! a fost descoperit la drojdia de bere
(Saccharomyces cerevisiae) care poate s! fermenteze lactoza din lapte cu ajutorul
enzimei lactaza. Tulpinile de drojdie de bere, care au fost crescute mai multe
genera#ii pe mediu de lactoz!, vor con#ine în cantitate mare enzima lactaza, iar în
acest caz, fenomenul de fermenta#ie începe foarte repede (aproximativ o or
! de la
incuba#ie). În cazul unor tulpini care nu au fost crescute în prealabil pe mediu de
lactoz!, fermenta#ia nu are loc pentru c! acestor tulpini le lipse"te lactaza. Dac!
aceste tulpini sunt #inute în continuare în mediu de lactoz!, dup! aproximativ 14
ore, fermenta#ia se declan"eaz!, fapt ce arat! c! lactoza induce producerea lactazei
de c!tre celulele drojdiei. În acest caz lactoza ce trebuie metabolizat! ac#ioneaz!
ca un inductor.
Induc#ia enzimatic! a fost ilustrat! de J. Monod "i colab. la bacteria
Escherichia coli, prin studierea sistemului lactoz!. Acest mecanism va fi prezentat
mai pe larg în cadrul modelului Jacob-Monod de reglaj genetic.
În concluzie se poate afirma c! induc#ia enzimatic! este caracteristic!
sistemelor de catabolism (dezasimila#ie) fiind declan"at! de substan#e denumite
inductori.
Represia enzimatic$ este un fenomen opus induc#iei enzimatice, prin
care este inhibat! sinteza unei proteine datorit! unui produs final al unui lan#

82
metabolic denumit represor.
Fenomenul de represie enzimatic! a fost pus în eviden#! la bacteria
Escherichia coli. Astfel, s-a demonstrat c! sinteza aminoacidului triptofan este
inhibat! atunci când în mediul de cultur
! se adaug! cantit!#i mici de triptofan sau
analogi ai acestuia. Represia enzimatic! este caracteristic! unor sisteme
enzimatice ce intervin în anabolismul unor constituen#i cu rol esen#ial în organism
(aminoacizi, nucleotide). Represia enzimatic! poate ac#iona asupra mai multor
proteine ce fac parte din acela"i lan# metabolic, prin intermediul represorului.
Dac! un metabolit ac#ioneaz! asupra represorului suprimându-i activitatea, se
deblocheaz! sinteza tuturor enzimelor din acela"i lan# metabolic. Efectul genetic
al represorului const! în blocarea uneia sau a mai multor gene prin aceasta
sistarea sintezei uneia sau a mai multor proteine specifice.
Substan#ele capabile s! modifice efectul de represie al represorului se
numesc efectori. Efectorii pot fi inductori, când inhib! activitatea represorului "i
corepresori, când intensific! activitatea de represie a represorului.
Retroinhibi%ia enzimatic$ denumit! "i inhibi#ia prin feed-back sau
inhibi#ia prin produs final este un sistem de reglare a sintezei proteice prin
cantitatea de produs final. În cazul unui lan# metabolic, exist! mai multe etape,
fiecare fiind catalizat! de o anumit! enzim!, rezultând un produs final. În cazul
retroinhibi#iei enzimatice, produsul final, într-o cantitate mai mare decât cea
normal!, ac#ioneaz! asupra enzimei din prima treapt! a lan#ului metabolic "i
întreg lan#ul metabolic este oprit.
Fenomenul a fost studiat la bacteria Escherichia coli. Aminoacidul L-
treonin! se transform! într-un alt aminoacid, L-izoleucin! în cinci etape, fiecare
fiind catalizat! de c!tre o enzim! (figura 3.8.).
Figura 3.8. - Represia enzimatic! "i retroinhibi#ia enzimatic!
în cazul c!ii metabolice ce asigur
! sinteza izoleucinei.

83
În acest exemplu, cantitatea de izoleucin! poate fi reglat! atât prin
retroinhibi#ie enzimatic! cât "i prin represie enzimatic!. Prin retroinhibi#ie
enzimatic!, izoleucina în cantitate prea mare blocheaz! activitatea primei enzime
din lan#ul metabolic, treonin! deaminaz! "i întreg lan#ul metabolic este oprit. Prin
represie enzimatic!, aminoacidul izoleucin! blocheaz! activitatea tuturor celor 5
enzime din lan#ul metabolic. Prin urmare sinteza izoleucinei este controlat! printr-
un sistem dublu, cele dou! sisteme fiind independente. Independen#a celor dou!
sisteme a fost dovedit! prin faptul c! la E. coli s-au ob#inut dou! mutante, una la
care izoleucina nu poate s! inhibe enzima treonin! deaminaz!, iar cealalt! la care
izoleucina nu inhib! nici una din cele cinci enzime ale lan#ului metabolic. S-a
demonstrat c! cele dou! muta#ii sunt situate în loci diferi#i pe cromozom.
În cazurile de mai sus, produ"ii celulari sunt controla#i numai de
produ"ii finali ai liniei metabolice respective. Sunt îns! "i cazuri când unii produ"i
celulari sunt controla#i de produ"ii finali ai altei linii metabolice. De exemplu,
bazele azotate purinice "i pirimidinice ce intr
! în alc!tuirea acizilor nucleici sunt
sintetizate de dou! linii metabolice paralele, dar cele dou! linii se regleaz!
reciproc. Acest lucru are o mare importan#! deoarece cele dou! grupe de baze
trebuie c! fie într-un anumit raport în momentul replic!rii acizilor nucleici.
Experimental s-a demonstrat c! propor
#ia bazelor pirimidinice este controlat! de
produ"ii finali pirimidinele, dar "i de purine, astfel: pirimidinele în exces inhib!
prima enzim! din lan#ul metabolic al pirimidinelor, iar purinele în exces
stimuleaz! activitatea aceleia"i enzime. Prin acest proces, bazele azotate sunt
sintetizate economic, exact în cantit!#ile necesare replic!rii acizilor nucleici.
Modelul Jacob-Monod de reglare a activit
!# ii genelor
F. Jacob "i J. Monod (1961), pe baza experien#elor efectuate la
Escherichia coli asupra locusului lac (lactaz!), privind fenomenele de induc#ie
enzimatic! "i represie enzimatic!, au ajuns la concluzia c! reglarea sintezei
proteice este de natur
! genic!. În acest proces de reglaj sunt implicate trei
categorii de gene: gene structurale, gene reglatoare "i gene operatoare.
Genele structurale sunt segmente din macromolecula de ADN "i au
rolul de a determina secven#a aminoacizilor în moleculele proteice sintetizate de
celul!.
Genele reglatoare sunt localizate tot pe ADN "i au rolul de a sintetiza
represorii specifici ce controleaz! activitatea genelor structurale. Represorul nu
interac#ioneaz! direct cu genele structurale, ci prin intermediul celui de-al treilea
tip de gene, genele operatoare sau operator. Operatorul este o gen! adiacent!
genelor structurale, care are posibilitatea de a se combina sau nu cu represorul,
inducând sau blocând func#ionarea genelor structurale. Gena operatoare poate fi
considerat! un receptor al represorului. Gena operatoare este un fel de comutator
chimic care declan"eaz! sau nu intrarea în activitate a genelor structurale. Înaintea
genelor operatoare "i structurale este localizat promotorul care ini#iaz! procesul
de transcrip#ie a informa#iei genetice al genelor structurale. Ansamblul format din
promotor, gena operatoare "i genele structurale se nume"te operon, ocup! un
fragment de cromozom "i func#ioneaz! coordonat.

84
Schema modelului Jacob-Monod privind reglarea sintezei proteice prin
induc#ie "i represie enzimatic! este dat! în figura 3.9.
Interac#iunile dintre represor "i efector sau dintre represor "i operator
(gena operatoare) are loc astfel: în sistemele represibile gena reglatoare determin!
sinteza represorului R, activ, care interac#ioneaz! cu gena operatoare "i în acest
caz, gena operatoare blocheaz! activitatea genelor structurale, fapt ce face ca
ARN-polimeraza s! nu poat! sintetiza ARNm "i ca atare, nu se vor sintetiza
proteine.
Figura 3.9. - Modelul Jacob-Monod privind reglarea sintezei proteice
În sistemele inductibile, un efector negativ sau inductor reac#ionând cu
represorul (R) îl transform! într-o form! inactiv! (R') care nu poate reac#iona cu
gena operatoare (O), fapt ce face ca ARN-polimeraza s! ini#ieze procesul de
transcrip#ie a ARNm. În celule se pot forma molecule cu greutate molecular ! mic!,
denumite efectori pozitivi sau corepresori, care poate transforma represorul
inactiv (R') într-o form! activ! (R), care reac#ionând cu gena operatoare (O)
opre"te transcrip#ia ARNm.
În ceea ce prive"te modul de transmitere a informa#iei genetice de c!tre
genele structurale dintr-un operon pentru sinteza unei proteine, s-au emis dou!
ipoteze: una apar
#ine lui Jacob "i Monod (1961) care sus#ine c! fiecare gen! dintr-
un operon î"i transcrie un ARMm propriu (o gen! - un mesager) iar a doua ipotez!
formulat! de S. Spiegelman "i R. G. Martin (1963) (cita#i de C. Panfil, 1974),
sus#ine c! întreaga informa#ie a unui operon este transmis! într-o singur
!
molecul! de ARNm (un operon - un mesager).
Un exemplu concret privind modul de func#ionare al genelor în reglarea
procesului de biosintez! a proteinelor îl constituie cel al operonului lac de la
Escherichia coli (figura 3.10).
La aceast! bacterie se apreciaz! c! exist! între 100 "i 200 de operoni,
dar numai activitatea unora este cunoscut!. La bacteria E. coli utilizarea lactozei

85
din mediu se realizeaz! cu ajutorul a trei enzime, a c!ror sintez! este determinat!
de trei gene structurale ce alc!tuiesc operonul 1ac. Genele respective se g!sesc
dispuse al!turat pe cromozomul bacterian: z+
, determin! sinteza enzimei β -
galactozidaza, care se g!se"te liber
! în citoplasm! "i care desface lactoza în
galactoz! "i glucoz!; y
+
determin! sinteza β - galactozid permeazei, care este
localizat! în membrana celulei bacteriene "i permite intrarea lactozei în celul! "i
gena a+
ce determin! sinteza enzimei galactozid trans-acetilaza a c!rei ac#iune este
necunoscut!.
Figura 3.10. - Reglajul genetic al operonului lac la Escherichia coli
Dac! lactoza lipse"te din mediu, genele structurale ce determin! sinteza
celor trei enzime sunt inactive. Când se adaug! lactoza în mediu, în câteva minute
începe sinteza celor trei enzime, deci genele structurale sunt activate.
Activitatea celor trei gene structurale (z+
, y+
"i a+
) este controlat! de o
gen! reglatoare prin intermediul unui represor. Când lipse"te lactoza, gena
structural! sintetizeaz! represorul care se cupleaz! cu gena operatoare ce se afl!
înaintea genelor structurale "i activitatea celor trei gene este inhibat!.
Prin testul cis-trans s-a constatat c! gena reglatoare este independent! de
operonul lac, plasat! într-o alt! regiune a cromozomului bacterian.
Operonul lac este alc!tuit din urm!toarele subunit!#i dispuse în
urm!toarea ordine: promotorul (P), gena operatoare (O) "i cele trei gene
structurale z+
, y+
"i a+
. Promotorul are rolul de a recunoa"te enzima ARN-
polimeraza, determinând ini#ierea procesului de transcrip#ie, gena operatoare are
rolul de a se combina cu represorul sintetizat de gena reglatoare.
Cele dou! regiuni sunt formate din secven#e de câte 10-30 nucleotide
fiind regiuni ale operonului.
Operonul lac este, de obicei, nefunc#ional, ceea ce înseamn! c! în
absen#a lactozei represorul este activ "i blocheaz! activitatea genelor structurale.

86
În prezen#a lactozei represorul î"i modific! structura "i nu mai poate reac#iona cu
gena operatoare "i ca atare întreg operonul devine activ, lactoza putând fi
metabolizat!.
În ceea ce prive"te m!rimea diferi#ilor operoni "i a genelor reglatoare
exist! o serie de informa#ii la procariote, deoarece la eucariote nu au fost
eviden#ia#i operoni.
La E. coli operonul lactoz! (lac) este alc!tuit din 5.113 perechi de
nucleotide, iar gena reglatoare din 1.020 perechi nucleotide, operonul triptofan
con#ine 6.600 perechi de nucleotide iar operonul histidinei de la Salmonella are
13.000 perechi de nucleotide.
M!rimea genei operatoare de la E. coli se pare c! este alc!tuit! din 30
perechi de nucleotide (cu o lungime de aproximativ 100 Å). Nu se cunoa"te prea
bine modul de cuplare al genelor operatoare cu represorul, dar se pare c! acesta
din urm! nu se ata"eaz! decât de un ADN bacterian, deoarece denaturarea ADN
blocheaz! activitatea represorului.
Represorul operonului lac este o protein! format! din patru catene
polipeptidice identice, cu o greutate molecular
! de 150.000 daltoni.
3.6.2. Reglajul activit$%ii genelor la eucariote
Structura molecular
! a cromozomului la eucariote este mult mai
complex! decât la procariote. Cromozomii eucariotelor sunt alc!tui#i din: 13-16%
ADN, 12-13% ARN "i 68-72% proteine histonice "i nehistonice. La eucariote,
programul genetic este alc!tuit dintr-un num!r foarte mare de gene (câteva zeci de
mii), gene care nu func#ioneaz! simultan, chiar mai mult, în unele celule
diferen#iate, majoritatea genelor sunt inactive. Toate aceste aspecte fac ca reglajul
genetic la eucariote s! fie mult mai complex, reglajul sintezei proteice realizându-
se la nivelul genei "i nu la nivelul operonilor. Se poate spune c! ARNm la
eucariote transcrie mesajul genetic al unei singure gene, deci pentru un singur lan#
polipepidic. Acest fapt a fost demonstrat prin compararea m!rimii poliribozomilor
angaja#i în sinteza miozinei, hemoglobinei sau gammaglobinei.
Func#ionarea ADN al eucariotelor ca matri#! pentru sinteza ARNm este
dependent! de conforma#ia spa#ial! tridimensional! a nucleohistonelor.
Superspiralizarea nucleohistonelor face ca ADN s! nu poat! func#iona ca matri#!
pentru ARNm. Ca regul!, cromatina condensat! nu poate fi transcris!, pe când
cromatina difuz! permite ca ADN s! func#ioneze ca matri#! pentru ARNm, sinteza
acestuia realizându-se în interfaz!.
La eucariote, reglajul activit!#ii genelor are loc la trei niveluri:
a) Reglajul la nivelul transcrip#iei, care const! în cuplarea proteinelor
cromozomice cu un segment din macromolecula de ADN de pe care trebuie s! se
transcrie informa#ia genetic! "i în acest caz se blocheaz! sinteza ARNm.
b) Reglajul la nivelul transla#iei, ce const! în degradarea ARNm format
prin transcrip#ie de c!tre enzime denumite nucleaze, localizate de o parte "i de alta
a membranei nucleare.

87
c) Reglajul posttransla#ional ce se manifest! la nivelul catenelor
polipeptidice, unde intervin o serie de factori ce împiedic! agregarea
monocatenelor pentru a forma stucturi cuaternare, "tiindu-se c! aceast! structur
!
este func#ional!.
În realizarea reglajului genetic la eucariote, un rol deosebit de important
îl au proteinele cromozomice, histonele "i nehistonele, care împreun! cu catena
ADN "i ARN cromozomic formeaz! cromatina.
Histonele sunt proteine bazice deoarece sunt bogate în aminoacizii
bazici, arginina, lizina "i histidina "i complet lipsite de triptofan.
Histonele sunt lipsite de specificitate fiind grupate în cinci clase în
func#ie de ponderea celor trei aminoacizi "i în func#ie de greutatea molecular
!.
Histonele ca "i ADN sunt sintetizate numai în faza S a interfazei, de c!tre o serie
de gene cromozomice. Histonele se caracterizeaz! printr-o mare stabilitate în
cursul evolu#iei "i o mare uniformitate de o specie la alta. De exemplu, histona H1
de la maz!re difer
! numai prin doi aminoacizi fa#! de aceea"i histon! de la
taurine.
A"a cum s-a v!zut într-un capitol anterior, cromozomul eucariotelor este
constituit din unit!#i denumite nucleosomi, în care molecula de ADN este asociat!
cu histone "i nehistone, fapt ce explic! sinteza simultan! a celor dou! substan#e în
faza S a ciclului mitotic.
Histonele asigur
! stabilitatea structurii cromozomului "i sunt implicate
în transcrip#ia mesajului genetic, în mod nespecific.
Nehistonele sunt proteine cromozomice foarte variate ca structur
! "i
func#ie, cu o greutate molecular ! cuprins! între 10.000 "i 15.000 daltoni. Din
grupul proteinelor nehistonice fac parte: ADN "i ARN polimerazele, enzimele ce
intervin în sinteza "i degradarea proteinelor, proteinele cu rol structural "i reglator
din cromozom.
Proteinele nehistonice reac#ioneaz! în mod specific cu molecula de
ADN, determinând transcrip#ia diferen#iat! a genelor în func#ie de #esut "i de
celule, determinând ce gene vor fi transcrise, având un caracter reglator specific.
Modelul de reglaj genetic la eucariote este prezentat în figura 3.11.
Conform acestui model, proteinele nehistonice se ata"eaz! în mod specific la
nivelul unei gene, care în mod obi"nuit este represat! de proteinele histonice. Între
cele dou! tipuri de proteine are loc o reac#ie de fosforilare, prin care se elibereaz!
un radical fosforic, în urma c!reia complexul histon!-nehiston! r
!mâne înc!rcat
negativ. Acest complex este respins de molecula de ADN a c!rei sarcini electrice
sunt tot negative, în aceast! zon!, ADN eliberat de histone, putându-se realiza
transcrip#ia ARNm. În momentul în care gena respectiv! înceteaz! s! mai
func#ioneze, se refac moleculele de histone pe segmentul respectiv de ADN.
La organismele eucariote reglajul genetic se realizeaz! nu numai la
nivelul genelor individuale ci la nivelul segmentelor cromozomice, a
cromozomilor sau chiar a genomului.
Astfel, reglajul genetic se poate realiza "i prin heterocromatinizare.
Heterocromatina este de obicei localizat! în jurul centromerului "i în zona

bazele moleculare-ale-ereditatii

bazele moleculare-ale-ereditatii

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (7)

Similar to bazele moleculare-ale-ereditatii

Similar to bazele moleculare-ale-ereditatii (14)

bazele moleculare-ale-ereditatii