Manual Biologie XII

Embed Size (px)

Citation preview

  • 5/26/2018 Manual Biologie XII

    1/134

    m a n u a l p e n t r u c la sa a A a

    XII

    Stelica ENE

    Gabriela BREBENEL

    Elena Emilia IANCU

    BIOLOGIEMinisterul

    Educatiei, t 1Cercetarii

    si

    Tineretului

    E d i t u r aG I M N A S I I M

  • 5/26/2018 Manual Biologie XII

    2/134

    C l J P R l N S

    Capitolul I. GENETICA / 5

    1.1 GENETiCff MOLECULfiRfl / 51. G e nc t i c a m o l e c u l a r a - s t i in t a v i i to r u l u i / 5i *

    1.1. Genetica-trecut, prezent, perspective / 5

    2. Acizii nucleici-struetura si functii / 8> ^2.1. Rolul si structura acizilor nucleici / 8

    2.2. ADN-spirala vietii /13

    LP. Modelarea structurii dublu catenare a ADN /18

    2.3. Struetura si tipurile de ARN /19

    2.4. Functia autocatalitica si heterocatalitica / 22

    3. Organizarea inaterialului genetic / 29

    3.1. Materialul genetic la virusuri si pro ear iote /29

    3.2* Matcrialul genetic la eucariote / 32

    L.P. Evidentierea cromozomilor uriasi la Drosophila melan ogaster/35

    L.P. Evidentierea cromozomilor prin metoda rapida de colorare cu solutie

    carmin-acetica/35

    3.3. * Genomica / 36

    4. Reglajul genetic/40

    4.1. * Reglajul genetic la procariote/40

    4.2. Reglajul genetic la eucariote / 44

    Evaluare / 48

    I..2. Gencti ca umana / 501. Genomul uman /' 50

    ^ 1 . 1 . Complementul cromozomial uman / 50

    L.P. Analiza de cariotip / 54

    L.P. * Evidentierea crom atinei sexuale la om / 56

    2 . Caractere fenotipice umane / 57

    ^ 2 .1 . Determinismul genetic al caracterelor fenotipice umane / 51

    L.P. Stabilirea spectrului genetic individual / 62

    3. Diversitatea genetica umana / 63

    3.1. Genetica raselor umane / 63

    4. Mutagcncza si teratogcneza / 6 6

    ^4 . 1 . Mutagenezasi teratogcneza umana 66

    4.2. Anomalii cromozomiale asociate cancerului uman / 73

    3

  • 5/26/2018 Manual Biologie XII

    3/134

    5. Imunogenetica / 76

    5.1, Antigens. Alergii. Anticorpi / 76

    6 . Consideratii biocticc in genetica umana / 81

    6 .1. Domenii de aplicabilitate in genctica umana / 8 1

    Evaluare / 85

    Capitolul II. ECOLOGIA UMANA / 89

    1 . Pa r t i c u l a r i t a t i l e e c os i s t e m e l o r a n t r op i z a t e / 89

    1.1. Particularitati ale biotopului si biogenezei in ecosistem ele antropizate / 89

    L.P. * Investigarea sistem elora ntro piza te/94

    L.P. Analiza factorilor abiotici / 96

    L.P. Determ inates structurii trofice in ecosistemele antropizate / 99

    1.2. * Particularitati ale fluxului de materie si energie in ecosistemele cantropizate / 1 0 1

    2. * Structura si dinamica populatiilor umane /105

    2.1. Stmctura si dinamica populatiilor umane /105

    L.P. * Analize statistice ale structurii si dinamicii populatiilor / 110

    3. ImpactuI antropic asupra eeosistemelor naturale /114

    3.1. ImpactuI antropic asupra ecosistemelor naturale /114

    L.P. Evidentierea impactului antropic asupra ecosistemelor / 119

    4. Efectele deteriorarii ecosistem elor asupra sanatatii umane /120

    4.1. Efectele deteriorarii ecosistem elor asupra sanatatii umane /12 05. Conservarea resurselor naturale si a biodiversitatii /12 6

    5.1. Conservarea resurselor naturale si a biodiversitatii /126

    6 . * Dezvoltarea durabila / 131

    6.1. Dezvoltarea durabila/131

    Evaluare/134

    Bibliografie / 136

    Sola: Temele evidentiate cu (*) sunt siudiuie la clasele cu 2-3 ore/ saptamdna.

    4

  • 5/26/2018 Manual Biologie XII

    4/134

    1.1. GENETICA MOLECULAR#

    i G E N E T I C A M O L E C U L A R A t n n r r A a v i i t o r u l u i

    Gtntlieo - trccut, prtzcnl, perspective

    Gregor Mendel - Teoria fac torilorereditari

    Primul oin de stiinta care a inteles ca trasaturile

    ereditare nu se transmit direct de la mama si de la tata, la

    copii, ci indirect prin intermediul factorilor ereditari (denumiti

    mai tarziu gene), a fost Gregor Mendel (fig. 1).

    Mendel a experimentat in mod deosebit pe mazare

    (Pisum sativum ) , p lanta care se reproduce pr in

    autopolenizare (autogamie). Pentru aceste cercetari, el a ales

    soiuri care aveau caractere distincte (contrastante) si

    constante, efectuand numeroase hibridari, prin polenizare

    artificiala si incrucisata ai *plantelor,

    R e a m in t i t i - v a

    experientele de mono-hibridare si dihibridare

    efectuate de Mendel/

    Meritul lui Mendel

    a fost introducerea notiunii

    de factor ere ditar - un

    corpuscul de natura

    m ater ia ls loc al izat in

    nucleul celular. Mendel a

    analizat statistic rezultateleincrucisarilor. determinand

    cu precizie frecventa cu

    Sfi ne reamintim !

    Genetica este stiinta ereditatii% y si a va riab ili tati i- laturi

    insepara ble ale proceselor vietii.

    Ereditatea este proprietateafundamentals a vietuitoarelor care

    asigura transmiterea cu fidelitate

    a t rasa tu r i lo r morfo log ice ,

    fiziologice, de comportament,

    adica a caracterelor ereditare, de

    la par int i la desccndenti .

    Ereditatea are astfel un caracter

    stabilizator, care asigura legatura

    organica dintre generatii.Variabilitatea este forma de

    manifestare a diversi tatii lumii vii.

    Este proprietatea urmasilor de a

    se deosebi de parinti cat si de frati,

    astfel meat fiecare individ este un

    unicat.

    Trasaturile care se transmit

    constant, cu mare fidelitate, de-a

    lungul generatii lor dc la parinti iadescendenti se numesc caractere

    ereditare.

  • 5/26/2018 Manual Biologie XII

    5/134

    care apar diferitele tipuri de caracteristici, nu numai in prim a generatie filiala ci si in a doua si a treia

    generatie.

    Organ ismele in care factorii ereditari pereche sunt de acelasi fel se numesc homozigote(bob

    neted AA, bob zbarcit aa), iar cei in care factorii ereditari pereche sunt diferiti, se numesc heterozigote

    (Aa).

    La indivizii heterozigoti se manifesta doar unul din caractere si anume cel dominant (A)iar celrecesiv (a) ramanc in stare ascunsa. Conditia ca un caracter recesiv sa se manifeste este aceea ca

    faetorul ereditar ce detennina acest caractcr sa fie in dublu exemplar (aa). Mendel a deseoperit deosebirea

    dintre structura genetica a organismelor, numita ulterior genotipsi in fatisarea organ ismelor, numita

    ulteriorfenotip (rezultatul interactiunii dintre genotip si mediul de viata).

    Studiul modului cum se comporta in descendenta h ibrizii rezultati in urma monohibridarii si

    dihibridarii 1-a condus pe Mendel la formularea teorieifactorilor ereditaridescoperind legile ereditatii.

    1.Legea puritatii gametilor:gametii sunt totdeauna puri din punct de vedere genetic indiferent

    ca provin din indivizi heterozigoti sau homozigoti deoarece contin numai unul din factorii ereditari

    pereche.2.Legea segregarii independente aperechilor de caractere.Prin combinarea probab ilistic^ a

    gametilor indivizilor din prima generatie F,, apare in generatia a doua F^ fenomenul segregarii

    caractere lor. Conform acestei legi fiecare pereche de factori ereditari segrega independent de alte

    perech i de factori ereditari. Rapoilul de segregare in F2 este de 3D : I r pentru fiecare pereche de

    factori ereditari iar, in cazul a doua pcrechi de caractere raportul dc segregare este de 9:3:3:1

    (dihibridare).

    Mendel dev ine astfel fondatorul geneticii ca stiinta, iar anul 1865 - anul publicarii rezulta telor

    experientelor sale reprezinta anul aparitiei uneia dintre cele mai tinere si fascinante stiinte.

    Contemporanii nu 1-au inteles pe Mendel. Cand acesta a murit. a fost onorat pentru functiile

    sale sociale, dar ignorat pentru opera sa. In anul 1900 trei mari cercetatori - botanisti europeni: Hugo

    de Vries, Carl Correns si Erich Tschermak, in urma unor experience efectuate independent unul de

    altul, uimiti de regularitatea matematica a aparitiei unor caractere la urmasi, s-au grabit sa-si publice

    rezultatele. Impecabilele lor lucrari nu mai constituiau piioritati, ci doar confinnaiea cercetarilor efectuate

    cu aproape 35 dc ani in urma de Gregor Mendel.

    Th. Morgan - Teo ria croxnozonaiala a ereditatii

    Mendel nu dispunea nici de cunostintc citologiee. nici de mijloaee tehnice care sa-i pernrita

    detectarea factorilor ereditari.Odata cu dezvoltarea unor noi ramuri ale biologiei (citologia - stiinta care se ocupa cu studiul

    celulei) se descopera cromozomii si ulterior rolul lor in transmiterea caracterelor ereditare.

    La inceputul secolului al XX-lea, Thomas Hunt Morgan (fig.2) a demonstrat ca factorii ereditari,

    numitigene. sunt localizati in cronuKomi.Th. H. Morgan - laureat al premiului Nobel, si echipa de

    cercetatori de la Univcrsitatea Columbia au elaborat teoria cromozontiala a ereditatii.Ca urmare

    apare o noua stiinta, citowenetica. care studiaza ereditatea la nivel celular. Tezele acestci teorii sunt

    uiTnatoarele:

    I. Pentru fiecare caracter exists cel putin o gemu iar fiecare gcna ocupa un anum it loe (locus -

    loci) in cromozom. Gene lesuntd ispusein cadrul caimozomului intr-oanumitasuccesiunc: dispunerealineara a gene tor in cromozomi;

    6

  • 5/26/2018 Manual Biologie XII

    6/134

    2. Genele localizate in acelasi cromozom au tendinta de a se* transmite impreunS la dcscendenti (linkage): trammiterea inlantuita

    a genelor dispuse in acelasi cromozom;

    3. Intre cromozomii perechi se pot realiza schimburi reciproce

    de fragmente de ADN (crossing-over): schitnbul reciproc de gene

    intre cromozomii omologi.

    Rezultatele obtinute prin experience realizate peDrosophila

    melanogaster, i-au dat o mare satisfac tie luiMorgan deoarece, pe

    de o parte confirma teoria sa dupa care genele se transmit inlantuit si,

    in acelasi timp, ofereau o excep tie fenomenul de crossing-over, ce

    facea ca teoria lor ereditara sa poata explica si aparitia diversitatii in

    natura.

    Catre anul 1933 Morgansi colaboratorii sai au alcatuit deja

    primele harticromozomiale*.

    Acizii nucfeici in central atentiei

    In anul 1928, medicul englez F Griffitha deseoperit un fenomen de o foarte mare importanta

    - transformarea genetica- caruia nu a reusit sa-i dea o explicatie foarte clara la momentul respectiv,

    dar care va deveni una din metodele ingineriei genetice, de transfer de gene de la o specie la alta.

    In 1944 se publica rezultatele unei experien te cruciale in biologie. O. T. Avery, C. McLeodsi

    M. McCarty, continuand experientele doctorului Griffithsdescopera ca ADN-ul extras din pneumococi

    III S transform apneum ococii II R in pneumococi III S, deciADNeste misteriosulfactor transformator

    al doctorului Griffith.

    Ideea ca ADN este purtatoru! inform atiei ereditare a fost confirmata de multe alte experiente de

    transformare genetica efectuatc pe bacterii, plante si animate../. Watson si F. Crickanunta in 1953 ca au reusit, cu ajutorul razelor Roentgen, sa descopcre

    structura macromolecuiei ADN. M odetul lor este confirmat deM. Wilkinssi toti trei vor fi distinsi cu%prem iul Nobel pentru medic ina si bio logie (1962),

    Modelul structurii bicatenare a AD N-ului este cea mai mare descoperire din secolul al XX-lea

    in domeniul biologiei.

    Daca in epoca aparitiei geneticii c a stiinta, la inceputul secolului al XX-lea, factorii ereditari

    mendclieni erau inca nistc unitati ipote tice deduse pe baza unor calcule statistico matem atice, in

    epoca noastra, cu ajutorul metodelor m oderne de in ves tigate s-a patruns tot mai adanc in intimitatea

    mecanismului ereditar.S-au tacut progrese in studiul bazelor biochimice ale ereditatii, ale codului si reglajului genetic,

    in cunoasterea procesului mutagen dar si in domeniul geneticii populatiilor. A luat astfel nastertgenetica

    moleculara,care studiaza ereditatea la ni vel bio ch im ic/i ind cea mai tanara si mai moderna ramura a

    geneticii.

    Caracteristic pentru epoca actuala de dezvoltare a geneticii moleculare este imbinarea armonioasa

    a cercetarii fundamentale cu cea aplicativa, fenomen care a facut posibila dezvoltarea medicinii,

    agriculturii, zootehnici, industriei fermentative, etc. ce due la rezolvarea unor probiem c fundamentale

    aleumanitatii.

    Inzestrata cu o forta extraordinara de a putea sa schimbe natura biologica , genetica viitoruluipoate ti asemanata cu energia atomica. Dcpindc de intelepciunea omului dc a sti sa foloseasca aceasta

    forta in interesul sau in dctrimcntul sau.

    7

  • 5/26/2018 Manual Biologie XII

    7/134

    1 f tet inet i ! r

    Anul 1865 - Johan Mendel, num it dupa calugarie Greg or Men del, publica luerarea

    'Experiente asupra hibrizilor la plante , in care sunt redate experientele de hibridare la mazare si

    formu late primele legi ale ereditatii. G rego r Mendel pune bazele celei mai fertile dintre stiintele

    biologice a le secolului XX - genetica clasica.

    Anul 1900 - a insemnat actul de nas tere al geneticii ca stiinta, cand cei trei cercetatori

    europeni au readus la lumina legile lui Mendel.

    Anul 1909 - Johansen propune term enul de gena notiunii de factor ereditar.

    Anul 1910 - Th. H. Morgan elaboreaza teoria cromozomiala a ereditatii si pune bazele

    citogeneticii.

    Anul 1944 - O. T. Avery si colaboratorii au dovedit ca ADN este substratul ered itatii.

    Anul 1953 - J. D. Watson si F. H. Crick au propus m odelul de structure b icatenara a ADN*

    1. Precizati trei momente decis ive din istoria geneticii motivand alegerea voastra.

    2. Imaginati m odele de transmitere a genelor folosind d oua seturi identice de carti de joc.

    Puteti avea in vedere 1, 2 ,. .. X caractere.

    3. Defmiti urmatoarele notiuni pe baza cunostintelor din clasa a IX-a: ereditate, variabilitate,

    genotip, fenotip, homozigot, heterozigot, cromozomi, eariotip, recombinare genetica.

    2HCIZII NUCLEICI - STRUCTURESI FUNCTII

    f f lRolul si structure ocizilor nucleic!

    Misterloaul factor traniformator al doctorului Griffith

    Sfi ne reaminfim !

    Acizii nucleici au un rol deosebit

    de im portant in depozitarea informatiei

    gene t ice , e i f i ind pur tS tor i i

    caracterelor ereditare.

    In 1928, bacteriologul englezJ. Griffithcom unica laCambridge o experienta extrem de ciudata. Lucra de la un

    timp cu pneum ococi, tipul 11 si 11 1, care se deosebesc intre

    ele prin caracteristici biochimice usor detectabile. De

    asemenea, avea unele eprubete cu culturi virulente, care

    provoaca moartea soareci lor folositi in experien te si alte

    eprubete cu culturi de pneumococi blanzi'\ are nu omorau

    soarecii. Pe medii decultura, pncumococii virulenti formau

    colonii mici, netede, de forma S (SUde la smooth = neted). Cei nevirulenti formau colonii zbarcite

    la suprafata, de form a Ri4(rough = aspru).Griffith a facut doua suspensii de m icrobi:

    a) prima continea pneumococi II R neviru lenti;

    b) a doua con tinea pneumococi III S, virulenti.

    8

  • 5/26/2018 Manual Biologie XII

    8/134

    sPneumococinevirulenti

    s 9!Pneumococi

    virulent!

    Pneumococivirulentiprin c;

    Pneumococi nevirulenti si virulenti-

    omorati prinira

    aoaroceletraleste

    soarecelomoar*

    soareceletraieste

    soerecetemoare

    Fig. 3 E xpe rime ntele lui G riffith

    El nu dorea sa ucida animalele, ci

    sa prepare un vaccin. Pentru aceasta a

    omorat prin caldura microbii din suspensia

    b., apoi a inoculat am bele suspensii unui

    lot de soa red albi de laborator si a asteptat.

    Spre surprinderea lui Griffith ,

    marea majoritate a soareeilor au murit, desi

    prima suspensie le adusese microbi vii darnepericulosi, iar a doua numai resturile

    microbilor virulenti. (fig. 3)

    Contrariat la cuime, cercetatorul a

    repetat experienta dc mai multe ori cu

    acelasi rezultat. Pentru a vedea ce microb*a omorat so ared i, el a insamantat pe medii

    de cultura sange din cordul soareeilor

    morti. A cons tatat ca pe medii crescusera

    si se inm ultisera pneum ococi de tip 111 S virulenti, pe care Griffith ii stia morti si verificase ca suntmorti,

    Singura expl icate a fenomenului era ca de la cadavrele pneumococilor 111 S a trecu t "ceva"in

    celulele pneumococilor II R pe care i-a transfo rma t in pneum ococi III S virulenti.

    Acel ceva continea informatia ered itara care, odata ajunsa in noul organism, a functionat si

    a fost transmisa urmasilor.

    Structure chimica a acitilor nucleici

    Acizii nucleici sunt substante chimice macromoleculare, care reprezinta cei mai lungi polimeri

    din lumea vie.Pentru ca unitati le structurale ale acizilor nucleici - monomerii - se numesc nucleotide, atunci

    putem spune ca macromoleculele ac iz ilor nucleici sunt po linucleotide .

    O nucleotida este alcatuita din trei componente (fig.4)

    a) o baza azotatd;

    b) un zahar (o pentoza);

    c) un acidfosforic. (P).

    Exista doua categorii de acizi nucleici a caror denumire deriva de la tipul de zahar pentozie pe

    eare il contin nuc leotide le lor si care poate fi dezoxiriboza- D si riboza-R (fig.5). Se deosebesc astfel:

    - ADN - acidul dezoxiribonucleic, a carei macromolecula prezinta doua catene (lanturi)

    polinucleotidice;

    - ARN - acidul ribonucleic, a carei molecula prezinta de obicei o singura catena polinucleotidica.

    Din cele trei com ponente ale nucleotidelor, doar bazele azotate confera specificitate in cadrul

    fenomenului ereditar deoarece, pentozele si radicalul fosforic sunt comune tuturor macromoleculelor

    HO-SCH

    Fic. 5 Riboza si dezoxiriboza

    9

  • 5/26/2018 Manual Biologie XII

    9/134

    Ia d e n i n A GUANINA

    l ibt. 7 B aye pu rin icc : a) Ad en ina ; l) G ua ni naL

    Pig. 6 Nuclei*I purinic

    Fig.8 * Nucleul pirimidiuic

    NH-

    T I M I N A URACIL

    i nFig. 9 Baze pi rim idi nice

    5fosfat

    L.e|5lujiIbsfodicstctice

    o - - O - C H

    0

    .Vhidroxil

    H H'

    OH H

    Fig. 10 Legaturi fosfodiesterice t

    de ADN din lumea vie. Bazele azotate din

    macromolecula acizilor nucleici sunt de doua

    tipuri: purinicc si pirimidinice. Bazele azotate

    purin ic e au ca ele m ent esential doua ciclu ri

    condensate insumand 5 atomi de carbon (C) si 4

    atomi de azot (N)(fig. 6 ). Hie sunt adenina- A si

    guanina - G(fig.7). Bazele pirimidinice au un

    singur ciclu cu 4 atomi de carbon (C) si doi atomi

    de (N) (fig.8 ). Ele sunt: timina-T, citozina- C si

    uracilul -U ( f ig .9 ) . In tre nuc leo t ide le

    macromoleculelor de acizi nucleici sc stabilesc

    legaturi intracatenaresi intercatenare.

    a.Legaturile dintre nucleotide in cadrulmonocatenei sau lantului polinucleotidic

    intracatenare - sunt legatur i covalente ,

    fosfodiesterice pe care le realizeaza radicalul fosfat

    (P) cu pentozele intre al treilea carbon (C,) al

    pentozei unui nucleo tid si al cinci lea carbon (C s)

    al pentozei nucleo tidului urm ator (fig. 10). Atat in

    ADN cat si in ARN in cadrul structurii primate

    (monocatenare) nucleotidele alcatuiesc, prin

    radicalii lor glu cidofo sforici, un adevarat scheletsau coloana de care sunt legate bazele azotate

    (fig. 11)

    10

  • 5/26/2018 Manual Biologie XII

    10/134

    b. Legaturile dintre nucleotide apartinand celordoua catene

    polinucleotidice intercatenare- se realizeaza intre bazele azotate

    purinice si cele pirimidinice. Acestea sunt legaturi de hidrogen,

    de slaba cncrgie. Ceea ce este cu adevarat uim itor in modelul

    prezentat de Watson si Crick in 1953 privind structure ADN.

    este faptul ca bazele purinice si cele pirimidinice sunt plasate in

    molecula de ADN intr-un mod foarte precis. Totdeauna adenina

    este legata de timina prin legaturi duble, iar citozin a este legata

    de guanina prin legaturi triple (fig. 1 2 ):

    A = T T = A C=G G=C

    A fost stabilita astfel legea complementaritatii bazelor

    azotate care evidentiaza ca intr-o m olecula de ADN bicatenar

    (formata din doua catene) bazele azotate se imperecheaza

    specific. Acelasi lucru se intampla si in cazul in care ARN-ul

    este bicatenar cu o singura exceptie: timina este inlocuita cu

    uracilul:

    A = U U = A C=G G=C

    Observam ca exista 4 tipuri de nucleotide corespunzatoare

    celor 4 baze azotate caracteristice fiecarui tip de acid nueleic(fig.

    13):

    InADN: InARN:

    P - D - A ; P - R - A ;

    P - D - G ; P - R - G ;

    P - D - C ; P - R - C ;

    P - D - T . P - R - U .

    Aceste 4 tipuri dc nuc leotide sunt echiva lente cu 4 litereale unui alfabet. Alfabctul folosit de "mana evolutiei,pentru a

    scrie o atat de vasta informatie ereditara pe ADN, pare extrem

    de sarac la o prima vedere -A, T, G, C, dar in realitate posibilitatile

    de codificare biochimica si deci de realizare de seturi diferite de

    Fig. 11 I,an t po lim ielc otid ic

    Fig. 12 Pu nti dc h idrog en f f

    ARN

    Adenina ^

    Guanina ^

    WH O M

    Uracil

    Grupare ^

    Baza azotata

    OH OHRiboza

    Baza azotata

    G rup are Hfosfat

    OH HDezoxiriboza

    Fig. 13 Nuc leotide cu h a/e pu rinice si pirimidinice

    11

  • 5/26/2018 Manual Biologie XII

    11/134

    informatie ereditara sunt teoretic infinite. Stiind ca in mod normal secventa de nucleotide a

    macromoleculelor de acizi nucleici biologic active au ca limita inferioara circa 3000 nucleotide, ajungand

    la limite superioare de ordinul de sute de mii de milioane de nucleotide, ne putem expliea enormul

    po tential de co difica re pe care il poseda acizii nucleici. La aceasta se adauga si faptul ca uniun ile de

    tipul A - T si C - G:

    a.pot sa altemeze;

    b.po t sa se repete de 2, 3 ori;

    c.pot sa altemeze inversat A - T, urm at de T A.Cu cat sistemul are mai multe com ponente si acestea sunt mai diferentiate, informatia este mai

    bogata si mai complexa.

    Rolul acizilor nucleici

    1. Acizii nucleici reprezinta substratul ereditatii. Ei auinscrisa, sub forma de codificare biochimica

    informatia ereditara in catena polinucleatidica.

    2. Acizii nucleici asigura totodata transmiterea informatiei genetice de la o generatie la alta.

    Transmiterea informatiei ereditare, de la celula mama la celulele fiice, se realizeaza in cursul procesului

    de diviziune celulara.

    I f t el inet i !r f Acizii nucleici reprezinta cei mai lungi polim eri din lum ea vie.

    In organizarea si functionarea materialului ereditar, complementaritatea bazelor azotate este proprietatea

    esentiala.

    * Secv entionalizarea bazelor azotate de-a lungul catenelor m acrom oleculelor acizilor nucleici duce la cresterea

    posibil itati lo r de in sc riere a in fo rm at ii lo r ered itare.

    I APUCbTU

    1. Asociati elementele din cele dou3 coloane:

    /. Nucleotide II. Acizi nucleici

    1. A-D-P A. ADN

    2. A-R-P B. ARN

    3. T-D-P

    4. T-R-P

    5. U-D-P

    6 . U-R-P

    I. Legaturi intre nucleotide II. Substante implicate intre aceste legaturi

    A. Legaturi duble de hidrogen

    B. Legaturi triple de hidrogen

    C. Legaturi esterice

    1. Adenina si timina'52. Citozina si guan ina

    3. Adenina si uracil

    4. Radical fosfat si pentoza

    2. Urmatoarele afirmatii despre adenina sunt adevarate cu exceptia:

    A. Este o baza azotata purinica.

    B. Are doua cicluri condensate insum and 5 atomi de carbon si 4 de azot.

    C. Este prezenta in ADN si in ARN.

    D. Este complementary cu uracilul si timina.

    E. Are un singur ciclu cu 4 atomi de carbon si 2 de azot.

    12

  • 5/26/2018 Manual Biologie XII

    12/134

    3. Macromoleculele de ADN si ARN au urmatoarele asemanari cu o exceptie:

    A. Se num esc polinucleotide deoarece contin mai multe unitati numite nucleotide;

    B. In nucleotidele celor doi acizi nucleici se afla 3 tipuri de baze azotate: adenina, citozina,

    guanina;

    C. Nucleotidele de ADN si ARN contin pentoze (un zahar cu 5 atomi de carbon);

    D. Nucleotide le sunt legate prin legaturi elec trostatice de hidrogen;

    E. Nucleotide le sunt legate prin legaturi esterice.4. Explicate care sunt factorii care due la cresterea posibilitatilor deinscriere a informatiilor

    ereditare si macromolecula acizilor nucleici.

    ADN - s^lreSo vlcti!i i n mar t i i m h t m m mi ok t i a

    ----------------------------------------------------------------------------------------------------_--------------- -

    Sfi ne reamintim !

    Sintetizand datele acumulate in literature de specialitate cu cele obtinute in urma experientclorprop rii, in anul 1953 Watson si Crick au propus modelul de structura bica tenara a ADN.

    Structura prlmara sisecundara a ADN

    ADN se prezinta ca o substanta

    macromoleculara bicatenara alcatuita din doua

    catene polinucleotidice, rasucite helicoidal, in

    ju ru l unui ax com un. D is tin g em in

    macrom olecula de ADN 2 structuri (fig. 14):

    a. Structura primara monocatenara

    este data de secventa de nucleotide dintr-o

    catena care exprima modalitatea de incifrare,

    de inscriere sub forma codificata biochimic, a

    informatiei ereditare.

    b. Structura secundara este data de

    structura bicatenara dubla helicata. D iametrul

    dublului helix este de 2 nm ( 2 0 A) avand unpas (spira) de 3,4 nm (34 A). Fiecare spira adublului helix ADN cuprinde 10 nucleotide

    (fig. 15).

    Cele doua lanturi polinucleotidice sunt

    antiparalele, adica la unul dintre ele, legaturile

    fosfodiesterice se realizeaza intre C 3 al

    dezoxir ibozei unei nucleot ide s i C. a l }nucleotidci urmatoare, pe cand la nivelul

    celuilalt lant polinucleotidic, legaturilefosfodiesterice se realizeaza invers: C$+ Ci

    Fig. 14 S tru ctu ra molcculci de ADN

    F r a g m e n t d ec r o m o z o m

    b a c te r ia n fo rm a t

    d i n 2 c a t e n er a s u c i t e e l i c o ida l

    F r a gm e n t d in m o l e c u l a AD N

    cele 2 catene complementare

    sun t rasuc ite elicoidal

    detaliu

    perechi de

    baze pom-

    seheletul zah^r - fosfat

    detaikJ

    Molecula ADN:

    2 catene antiparalele

    si complementare

    A de ni na es te m ereu

    legata de timing si

    guanina de ci tozina

    1 la n t = o ca t e n a

    p o l i n u c l e o t i d i c a

    1 l a n t = o c a t e n i

    p o l i n u c l e o t i d i c e

    13

  • 5/26/2018 Manual Biologie XII

    13/134

    Fig. 15 Structura

    secundarS a ADN

    Punte de hidrogen Baza azotata

    Dezoxiriboza

    h2c\

    0 ^ \ ^o

    N e

    N

    HjC\

    ADN(bicatenar)

    Fig. 16 * S tru ctu ra chimica a ADN

    Im perec herea intre bazele azotate are la baza princ .r .

    complementaritatii, cel mai de seama in organizarea si functionary

    matcrialului genetic ereditar. Astfel adenina (A) este complementara

    timinei (T), iar guanina (G) este complementara citozinei (C).

    lmperecherile de baze se realizeaza prin intermediul unor punti de

    hidrogen: doua intre adenina si timina (A = T) si trei intre guanina si

    citozina (C =G ) Legaturile de hidrogen se formeaza si se dezorganizeaza

    cu usurinta fara sa necesite surse energetice speciale. Acest fapt explicamodul in care se desfasoara replicarea ADN, transcrierea informatiei din

    ADN sau repararea ADN etc,

    Structura bicatenara a ADN prezinta de regula o m are stabilitate

    fizica. Ea este asigurataastfe l:

    a. pe verticala, de puntile fosfodiesterice intracatenare;

    b. pe o rizonta la , de puntile de hidrogen intercatenare.

    Caracteristicile structurale finale ale ADN dublu catenar sunt dictate

    insa de moleculele de dezoxiriboza (D) care se aseaza, cu oxigenul inelului

    orientat in sus, in cadrul unei catene si orientat in jos , in cadrul cateneicomplementare(fig. 16)

    Din cauza acestui aranjament opus al moleculelor de dezoxiriboza

    in cele doua catene, si deoarece dezoxiriboza se leaga la o pozitie

    excentrica a bazei azotate, intreaga molecula de ADN

    este obligata sa se rasuceasca, sa se spiralizeze, rezultand

    nu o structura dreapta bicatenara ci una spiralata - dublu

    helix, in care fiecare pereche su ccesiva de baze azotate

    se intoarce cu 36 in directia acelor de ceasomic (rasucire

    dextrogira), iar dublul helix face un tur comple t de 360la fiecare 1 0 percchi de baze.

    Datorita structurii bicatenare,macromolccula de

    ADN poate suferi fenomene de denaturare-renaturare

    si replicare(autoco piere).

    Denaturarea -renaturarea ADN

    Prin incalzirca unei solutii in care se afla ADN ,

    cele doua catene com plementare se despart si ADN-ul

    devine monocatenar. Daca solutia este racita brusc ,i j

    ADN-ul ramane monocatenar ADN denaturat iar,

    daca se raceste trcptat, cele doua catene se atrag datorita

    complementaritatii bazelor azotate si ADN-ul isi reface

    structura dublu-catenara -AD N renaturat (fig. 17).

    Amestecand monocatcne ADN de la specii

    diferite se formeaza prin renaturare partiala hibrizi

    moleculari.

    Procedeul este folosit de oamenii de stiinta in

    studiul relatiilor filogenetice dintre specii.Speciile

    inrudite au temperaturi apropiate de denaturare a ADN

    si realizeaza o renaturare rapida si de mari proportii cand*

    14

  • 5/26/2018 Manual Biologie XII

    14/134

    2

    incalzire

    ------------------------------- *

    f

    1

    1

    ADN

    bicatenar

    ADNmonocatenar

    1Fig. 17> D ena turarca - rcn aturare a ADN

    bifurcatie dereplicare: separarealanturilor prin ruperea

    legaturilor de hidrogen

    li se amesteca monocatenele deoa rec e, secventele polinucleotidice sunt identice pe mari portiuni. De

    exemplu, procentul de renaturare intre monocatenele ADN de la om si de la maimute este de 75%, pe

    cand intre monocatene ADN de om si soarece este de numai 25%.

    Replicarea (autocopierea) ADN

    Este stiut faptul ca de miliarde de ani ADN-ul

    se imparte si se tot imparte numarului imens a miliarde

    de generatii de celule. Cum se face ca ADN-ul nu se

    epuizeaza in procesul diviziunii celulare? Raspunsul

    este replicatia (autocopierea) ADN. Deoarece ADN

    contine informatia genetica a celulei, sinteza sa este

    unul din cele mai importante evenimente din viata

    acesteia. Sinteza ADN, care se realizeaza prin

    interventia unui complex aparat enzimatic, este oreactie de tip replicativ si este unicul caz din lumea

    biomoleculelor in care o substanta isi d irijeaza propria

    sinteza.

    Modelul de s tructura bicatenara a ADN

    sugereaza modul in care poate avea loc sinteza de ADN

    inaintea procesului de diviziune celulara:

    In principiu, modelul admite re aliz area unei

    denaturari fiziologice progresive a macromoleculei

    bicatenare de ADN, prin desfacerea legatu ri lo r dehidrogen. In acest proces intervin mai multe enzime,

    Ele actioneaza precum cursorul unui fermoar,

    despartind cele doua catene. Separarea este treptata,

    pon iita din punctul de initiere si se continua progresiv

    spre un punct terminus, Astfel, in plin proces de

    replicare, macromolecula de ADN capata forma literei

    MY . Punctul de ram ificare a macromolecu lei de ADN

    se num este bifurcatie de replicare (fig. 18). D esfacerea

    legaturilor progreseaza pana la celalalt capat albiomoleculei helicoidale. Ar urma sa apara doua catene polinucleotidice izolate, ceea ce nu se intampla

    deoarece, pe masura ce spirala se desface si procesul avanseaza, incepe refacerea ei.

    Fig. 18 Schcina repiicatiei ADN

    15

  • 5/26/2018 Manual Biologie XII

    15/134

    Prin ruperea puntilor de

    hidrogen, macromolecula de

    ADN se separa in cele doua

    catene complementare

    Nucleotidele l ibere din

    citoplasm se ataseaza pe

    baza de complementaritate

    de catenele vechi.

    Au rezultat doua macromolecule

    de ADN bicatenar, fiecare avand o

    catena veche (care a avut rolul de

    model) si o qatenS nou sintetteatg.

    Fig. 19 Rcplicarea ADN dup modelul semiconservativ

    Prin desfacerea puntilor de hidrogen se separa cele doua catene complem entare ale dublului

    helix si ca urmare nucleotidele lor raman expuse cu gruparile chim ice libere.

    Dezoxiribonucleotidele libere din citoplasma celulara se pot asocia succesiv, pe baza decomplem entaritate, cu cele incadrate deja in monocatenele ADN, ce joaca, in acest fel, rol de matrita.

    In acelasi timp intre doua nucleotide aliniate suecesiv se realizeaza legatura ehimica covalenta,

    fosfodiesterica ce uneste grupul 3' OH al primei nucleotide cu 5' fosfatul celei dc-a 2-a nucleotide.

    rezultand cate o catena polinucleotidica noua. Catenele replica raman

    atasate prin punti de hidrogen de catenele matrita.

    Rezu lta 2 molecule fiice de ADN, identice cu cea initiala,

    care vor fi repartizate in cele doua celule fiice in timpul diviziunii.

    Fiecare molecula de ADN confine o catena veche - matrita si una

    nou sintetizata. Se poate spune astfel ca replicarea m acromoleculeide AD N are loc dupa m odelul sem iconse rva tiv44, adica fiecare

    molecula fiica de ADN mosteneste doar una din cele 2 catene ale

    moleculei parentale initiate, de ADN (fig. 19).

    Tipuri de ADN

    Modelul clasic de ADN, propus de Watson si Crick este

    caracteristic zonelor cu eucrom atina si reprezinta tipul Bde ADN

    (fig. 2 0 ).

    Informa B , dublul helix ADN are rasucire dex trala si 10

    perechi de baze per tur: un tu r complet al helixului are 34 A, iarinclinatia fata de orizontala planului pe rechilor de baze este zero.In alte conditii, m acromolecula dublu-catenara de ADN se

    poa te afla si sub alte forme structurale: tipul Asi tipul Z.

    16

  • 5/26/2018 Manual Biologie XII

    16/134

    Forma A a duplexului ADN arc ,de asemenea, rasucire dextrala si 11perechi de baze/ tu r dc

    helix : pasul helixului are 28 A iar perechea de baze azotate are o inclinatie de 2 0 fata de orizontala.

    Forma Z prezinta seheletnl glucido-fosforic sub forma de zig -za g; are rasucire spre stanga,cu

    1 2 perechi de nucleotide/turde helix.

    Tipuri de ADN Rotatia moleculei Perechi baze/pas elice Diametrul molecutei(A)

    A Dreapta 11 23

    B Dreapta 1 0 2 0Z Stanga 1 2 18

    | Retineti !

    Replicarca ADN este unica reactie in U nivers, in care o molecula preex istenta serveste drept

    model pentru sinteza a doua molecule fiice identice. Ea este posibila datorita structurii bicatenare

    a macromoleculei de ADN.

    | / (P LI Ch JI I

    1. Cele doua catene ale moleculei de ADN sunt complementare deoarece:

    A. Sunt opuse

    B. O baza purinica dintr-o catena se leaga cu o baz5 pirimidin ica din cealalta catena

    C. Cele doua catene sunt antiparalele

    D. Exista legaturi esterice putem ice intre cele doua catene

    E. Legaturile electrostatice se desfac usor

    2. Rcplicatia - autocopierea:A. Are loc cand celula se pregateste de diviziune

    B. In acest proces intervine ADN polimeraza

    C. Cantitatea de ADN se dubleaza

    D. Vor rezulta doua molecu le bicatenare de ADN

    E. Are loc in timpul diviziunii celu lare

    3. Asociati notiunile din cele doua coloane:---------------- ,------------------------------------- ------------------

    /. Caracteristici ale macro-

    moleculei de ADN

    II. A rgumente care sustin aceste caracteristici

    1. Dublu helix

    2. Catene an tiparalele

    3. Catene complementare

    4. Denaturare

    5. Replica este semiconservativa

    6 . Renaturare

    7. ADN denaturat

    A. Se stabilesc legaturi inte rcatenare intre o baza purinicasi una pirimidinica

    B. ADN-ul sintetizat are numai o catena noua

    C. Are doua catene infasurate inju rul unui ax

    D. Cele doua catene sunt legate prin legaturi duble si triple

    de hidrogen

    E. La incalzire spre 100C puntile de H se rup

    F. Prin racire treptata cele doua catene se atrag datorita

    complementaritatii intre bazele azotate

    G. Prin racire brusca ADN ramane m onocatenarH. Legaturile intre doua nucleotide succesive sunt

    de tip 5' - 3' intr-o catena si de tip 3'- 5' in cealalta catena.

    17

  • 5/26/2018 Manual Biologie XII

    17/134

    4. Ade vara t sau fals?

    a) in plin proces de replicare macromolecula de ADN capata forma literei Y deoarece separarea

    celor doua catene este treptata pornita din punctul de initiere pana la punctul terminus.

    b) Rep lica tia ADN se real izeaza cu inal ta fidelitate deoarece dator ita complementarita tii,

    nucleotidele libere se vor organiza formand o catena noua pe langa fiecare din cele doua catene

    vechi (care functioneaza ca o matrita).

    Medtlarto slruclurii dublu cattnors q ADN-ului

    Materialenecesare : carton sau placa j, trusa traforaj, echer, compas, culori diferite, sarma de

    cupru sau aluminiu de grosimi diferite, ace cu gamalie.Mod de lucru ,

    1. Desenati pe carton sau pe placaj

    modelele bazelor azotate purinice ( 1 0 cm)

    si pirimidinice (5 cm).

    2. Decupati modelele si colorati-le: A-

    portocaliu; G- galben; T- rosu ; C- rosu

    deschis; Realizati circa 30 40 de copii

    pentru fiecare baza azotata.

    3. Desenati modelul dezoxiribozei ca cel din figura si stabiliti pozitiile carbonului 3si 5' .Realizati 3 0 - 4 0 copii de culoare verde.

    4. Desenati un patrat cu latura de 3 cm, reprezentand radicalul fosfat; relizati 30 - 40 copii de

    culoare albastra.

    5. Stabiliti o succesiune de baze azota te pentru una din catenele dublei elice.

    6 . Pe principiul complem entaritatii, stabiliti cu ajutorul decupajelor bazelor azotate, succesiunca

    de pe catena complementara.

    7. Legati bazele azotate de la cele

    doua catene prin punti de hidrogen (doua

    intre A - T sau T A si trei intre G - C sau

    C - G), folosind sarme cu diamctru mai

    mare.

    8 . Leg ati ba zele azo tate de

    dezoxiriboze prin sarme mai subtiri.

    9 . Stabi l i t i legatur i le in tre

    dezoxiriboza si radicalul fosforic, urmarind

    regula ca la o catena aceasta legatura sa fie

    de la Cs -> C3, iar la com plem enta ra de la

    C *> C3 5.. A10. Incercati sa imperecheati purine

    cu purine si pirimidine cu pirimidine si

    observati grosimea machetei rezultate.

    18

  • 5/26/2018 Manual Biologie XII

    18/134

    Structure si tlpurile de ARN

    Sfi ne reaminlim !

    Daca ADN reprezinta substanta macrom oleculara cu functia primara ereditara. ARN este

    implicat indeosebi in realizarea decodificarii informatiei ereditare.

    Structura ARN

    Acidul ribonucleic-ARN este o substanta macromoleculara avand

    o structura primara monocatenara, cu molecula constituita,de regula, dintr-

    un singur lant polinucleotid ic, in care in locul timinei se afla uraciluh iar in

    locul dezoxiribozei se afla riboza (fig. 2 1 ).

    Reamintiti-va componentclc unci nucleotide!

    Legaturile dintre nucleotidele succesive sunt.ca si in AD NSlegaturi

    diesterice realizate intre radicalul fosfat si pentoza (riboza).

    La unii acizi ribonucleici cu catena polinucleotidica mai lunga, ARN

    se pliaza iar partile plia te pot fi legate prin punti de hidrogen tot pe baza de

    complementaritate.

    Moleculele de ARN, nu pot avea dimensiuni foarte mari, deoarece

    cu cat creste numarul nucleotidelor (peste cateva mii) cu atat stabilitatea

    moleculei scade.

    Sinteza ARN (transcr ipt ia) se real izeaza tot pe baza

    complementaritatii bazelor azotate ca si in cazul replicatiei ADN. Cele doua

    catene ale macrom oleculei de ADN se despart, pe intervalul care urmeaza

    a fi transcris, numai ca de data accasta va actiona ARN polimeraza. Acum

    va transcrie numai una din catenele moleculei de ADN. Catena de ADN

    care functioneaza ca matrita pentru sinteza ARN, se numeste catena sens.

    Uracil

    O ij^O NH2

    9

    NH2

    Guanina

    Fig. 2\ S c he m a

    macrom olcculei de ARN

    ADN

    Pm

    AD N

    g :

    D

    *P

    REPLICARE

    pDB 0 O'p# #p

    TRANSCRIERE

    ADN ADN

    p

    p#

    p#

    p*

    p#o G

    v: /P

    p

    SG

    SG

    p

    #p

    B Dt

    D

    g;p

    p 0

    ADN ARN ADN

    p. * v n 0

    P# P SM V sa

    p# mam * #P 11

    VG

    G O-

    p# d h * d #p 0

    0

  • 5/26/2018 Manual Biologie XII

    19/134

    Nucleotidele libere care se vor alinia pe baza complementaritatii vor contine riboza. In dreptul adeninei

    de pe catena m atrita se va atasa uracilul in catena nou sintetizata. Polim erizarea de ribonuc leotide in

    transcriptie se desfasoara in acelasi sens ca reactia de polimerizare a dezoxiribonucleotidelor din

    cadrul replicatiei ADN si anume de la 5' la 3' (flg.22).

    Tipurile de ARN si Sunctiile lor

    Sunt doua clase de ARN si anume: una care controleaza ereditatea la unii virus\-ARN viralsi

    alta care este implicata in sinteza prote inelor spec\f\ce-ARN celular.

    1, AR N viral estematerialul genetic al ribov irusurilor: unii bacteriofagi, unele virusuri vegetale

    (virusul moza icul tutunulu i) si unele virusuri anim ate (virusul turbarii, poliom ielitei, gripal (fig.23),

    stomatitei vezicu lare etc). El se poate afla tie sub forma m onocatenara, fie sub forma bicatenara (mai

    rar). Replicarea ARN viral este asigurata de celula ga/d a sub actiunea unei enzime (ARN polimeraza)

    numita ARN replicaza sau ARN sintetaza. ARN viral este purtator unic al informatiei ereditare si la

    viroizi (au doar o molecula mica de ARN, fara invelis proteic) dar si la retrovirusuri. In cazul

    retrovirusurilor, replicarea ARN sc realizeaza cu ajutorul enzimei rcverstranscriptaza. Aeeasta este o

    ADN polimeraza care utilizcaza o matrita de ARN pentru sinteza unei catene de ADN. In primaetapa rezulta un hibrid molecular ARN - ADN. dupa care este hidrolizat ARN si ADN complementar

    este trecut sub forma bicatenara.

    Descoperirea reverstranscriptiei a contribuit la intelegerea mecanismelor de transformare maligna

    (carcinogeheza) si totodata a demonstrat ca informatia genetica nu circula intr-o directie unica

    ADN ARN prote ine, ci si de la ARN ADN.

    2.ARNcelulareste implicat in decodificarea informatiei ereditare si traducerea ei in secvente

    de aminoacizi in procesul de biosinteza a proteinelor.

    Trecerea informatiei ereditare de la ADN spre proteine nu se poate realiza direct, datorita

    deoscb irilor in structura celor doua tipuri de macromolecule. Este necesara, asadar, interpunerea unormolecu le adaptoare. Acestea sunt reprezen tate de diferitele tipuri de ARN:

    a. ARN m - acidul ribonucleic mesager;

    b. ARNt - acidul ribonucleic solubil sau de transport;

    c. A R Nr acidul ribonucleic ribozomal.

    a. ARN mesager (ARNm) - poarta mesajul genetic inscris in secventa sa de ribonucleotide.

    ARNm este monocatenar si are o Iungime variabila. in functie de lungimea genei (ADN) pe care a

    transcris-o. de marimea mesajului genetic purtat (fig.24 a). El se asociaza cu ribozomii din citoplasma

    celulara, la nivelul carora dicteaza secven ta de aminoacizi din catena polipeptidica. Dupa ce molecula

    de ARNm isi indeplineste rolul sau de mesager, el este

    supus hidrolizei enzimatice si depolimerizat.

    b. ARN de transfer (ARNt) este specializat

    pentru aducerea aminoaeizilor la locul sintezei proteice.

    Molecula este formata din 70 - 90 nucleotide. Are

    portiuni bicatenare, care ii dau aspectul unei frunze de

    trifoi(fig.24b). Are doi poli functional!: unul la care se

    ataseaza un aminoacid, altul care contine o secventa de

    3 baze azotate numita anticodon, cu ajutorul careia

    ARNt rccunoaste la nivelul ribozomului, codonul din

    ARNm coresp unza tor aminoacidu lui pe care il poarta.

    Recunoas terea codon anticodon are loc la nivelul

    ribozomului in procesul sintezei catenei poiipeptidice.

    Neuramin idaza

    Hemag lu t in ina

    Bistrat l ip id ic

    Proteina matrixului

    AR N po lim era za

    Nuc leopro te ina

    ARN

    Fig. 23 Virusu l gripal

    20

  • 5/26/2018 Manual Biologie XII

    20/134

    ARNr

    ARN ribozomai intra instructura ribozomului

    c. ARN ribozomal (ARNr) intra in structura ribozomilor. alaturi de proteinele ribozomale,

    atat la procariote cat si la eucariote . El este sintetizat tot prin transcriere din ADN, dupa care catena de

    ARNr, se pliaza formand portiuni bicatenare datorita com plementaritatii bazelor azotate (fig.24,c).

    Un ribozom este format din 2 subunitati care vor recunoaste (tot pe baza complementaritatii) si voratasa intre ele nucleotidele de recunoas tere de la inceputul moleculei de ARNm.

    >ARNr

    C)

    RIBOZOMUL

    Locul sintezei proteice

    Fig. 24 T ipu ri dc ARN

    ftetineti !Transcriptia (transcrierea) genica este procesul complex de copicre a informatiei genetice

    purtata in secventa de d ezoxiribonucleotide a genei (A DN) intr-o secventa complemen tara dc

    ribonucleotide cu sinteza diferitelor tipuri de ARN celular.

    ARNm - purtator de mesaj genetic

    ARNt - tran spo rted ! de aminoacizi la ribozomiAR Nr component al ribozomilo r sediul sintezei proteice.

    | /4PLICNTII

    1. Asociati notiunile din cele doua coloane:

    /. Tipuri de ARN II. Functi i deARN

    1. ARNm

    2. ARNt

    3. ARN r

    4. ARN viral

    A. Este material genetic pentru viroizi

    B. Transfera aminoacizii la ribozomi

    C. Copiaza informatia genetica a unci catene din macromolecula de ADN

    D. Se autocopiaza

    E. Intra in alcatuirea ribozomilor asociat cu proteinele

    21

  • 5/26/2018 Manual Biologie XII

    21/134

    2. ARN mesager:

    A. Constituie materialul genetic al eucariotelor

    B. Are succesiunea nuc leotidelor complem entara cu a ADN-ului copiat

    C. Are portiuni bicatenare

    D. Este intotdeauna monocatenar

    E. Are o g reutate mo leculara variabila

    3. ARN de transfer ARNt:

    A. La un pol se ataseaza un anumit aminoacid

    B. Molecula este monocatenarS si are lungimi diferite

    C. Are molecula form ata din 70 - 90 de nucleotide

    D. Transporta aminoacizii la nivelul ribozomilor

    E. La un pol contine o secventa de trei nucleotide care recunoaste o anumita secven ta a ARN

    ribozomal unde se aseaza pe baza com plementaritatii

    4. ARN ribozomal:

    A. Este sintetizat prin transcriere din ADN

    B. Intra in alcatuirea ribozomilor asoc iat cir proteineC. Prin pliere formeaza portiuni bicatenare datorita complem entaritatii bazelor azotate

    D. Este purta tor al informatiei genetice la virusuri

    E. Transporta aminoacizii la ribozom i - locul sintezei proteice

    5. Adevarat sau fals?

    A. ARN mesager (AR Nm) are rolul de a copia informatia genetica dintr-un fragment de ADN

    deoarece molecula de ARN m are portiuni b icatena re care li dau forma unei frunze de trifoi.

    B. ARN de transfer (ARNt) este specializat pentru aducerea aminoacizilor la locul sintezei

    prote ice deo arece m acromolecula de ARNt are doi poli functional.

    C. ARN este purtatorul unic al informatiei genetice deoarece ribovirusurile si viroizii nu continADN.

    funetio eutocotolitic& si h*t*rocotalitic69 9

    Sfi ne reamintim !

    Informatia ereditara este inscrisa in ADN sub forma de codificare biochimica, adica sub

    forma unei secvehte date de baze azotate. Ea se poa te autoreproduce si poate fl transferata prin

    transcriere genetica, pe baza principiului complementaritatii. diferitelor molecule de ARN. Dintre

    acestea. ARN mesager este singurul purtator de mesaj genetic si supus traducerii la nivelul

    ribozomilor- sediul sintezei proteice.

    Materialul genetic indeplineste doua funtii importante:

    - autocatalitica - reprezentata de rcplicatia ADN-ului;- heterocatalitica -reprezentata de b iosinteza proteica.

    Conform dogmei centrale a geneticii(fig.25) inform atia genetica se reproduce prin

    22

  • 5/26/2018 Manual Biologie XII

    22/134

    ADN

    t r a n s c r i p t i e !

    IARN -m

    TRANSLATIE

    Proteine

    Fig. 25 Dogma

    ccn trala a geneticii

    replicatie si este decodificata(transformata intr-o proteina spccifica) prin

    transcriptie si translatie.

    1. Functia autocataliticaconsta in capacitatea moleculelor de ADN

    de a se autoreproduce cu inare fidelitate dupa modelul semiconservativ.

    Reamintiti-va modul cum se realizeaza replicatia A D N !

    Studiul ciclului celular (fig. 26) a releva t existenta unei anumite

    constante a dinamicii cantitatii de ADN in celule. Astfel,in interfaza - prima

    faza a ciclului celu lar - exista mai multe perioade:-perioada6 7 - primul gol sintetic, cand cantitatea de ADN din celula

    ramane constanta; cromozomii sunt monocromatidici, fiecare este format

    dintr-o macrom olecula de ADN formata din doua cromoneme (2 C);

    -perioada S de sinteza, in care arc loc replicarea ADN care se incheie

    cu dublarea cantitatii de ADN; cromozom ii devin bicromatidici, format! din doua macromolecule de

    ADN ce contin patru cromoneme (4 C);

    -perioada G2- al doilea gol sintetic, in care se prezerva cantitatea dubla de ADN (4C).

    In timpul diviziunii cclulare - a doua etapa a ciclului celula r cantitatea de ADN este variabila

    in diferitelc faze ale procesului. Astfel in profaza si metafaza mitozei cromozomii sunt bicromatidici.iar cantitatea de ADN din celula este aceeasi cu cantitatea de ADN a celulei ce a intrat in diviziune. In

    anafaza, cromozomii redevin monocromatidici prin clivarea longitudinala a celor bicromatidici

    migreaza spre polii celulei si in final (la sfarsitul telofazei) rezulta doua celule fiice cu acelasi numar

    de crom ozomi si aceeasi cantitate dc ADN ca si celula mama.? TDiviziunea meiotica, care se desfasoara in organele reproduca toare ale organismelor pomind

    de la celule diploide (2 n), determina form area celulelor haploide (n) si reduce la jum atate numarul de

    cromozomi si respectiv, cantitatea de A D Nf Astfel, in timp ce celulele somatice au o cantitate dubla

    de ADN celulele gametice vor avea doar jumatate. Cantitatea de ADN sed ub leaz ain urma singamiei

    gametilor si formarii zigotului diploid.

    2. Functia heterocatalit ica

    consta in faptul ca materialul genetic are

    capacitatea de a determina sinteze

    spccifice de proteine, cu o anumita

    secventa de aminoacizi.

    Cal i ta t i le f i in te lor vi i se

    intemeiaza in ultima analiza pe doua

    entitati: pe aceea pe care bioch imistii o

    numesc proteina si pe aceea pe care

    geneticienii o numesc genii (ADN).

    Prima este unitatea de executie chimica,

    care confera structura corpurilor vii. Cea

    de-a doua este unitatea ereditara care

    dirijeaza, in egala masura, reproducerea

    unei functii si variatia ei. Una comanda,

    cealalta realizeaza (Fr. Jacob, 1972).

    Proteinele sunt macromolecule

    formate din aminoacizi; sunt polimcri de

    aminoacizi. Polimerizarea aminoacizilor,real izata la nivelul r ibozomilor ,

    presupune tbrmarea de legauiri sau punti

    Filamentulnuclear

    despiralizat

    Inceputulduplicari j^j^...

    Filamentnuclear

    duplicat

    Individualizareacromozomilor

    bicromatidici

    INTERFAZA

    \ C3sOwQ.

    Decoridensareaft-Q * cromozomului

    % ^

    MITOZA

    r ^ ySepararea # celor 2

    cromatide&

    AnafazaX

    Cromozomi

    foartecondensati

    Fig. 26 t Evoiutia unu i cromo zom in cursui ciclului celula*

    23

  • 5/26/2018 Manual Biologie XII

    23/134

    peptidice mire gruparea carboxil (-COOH) a unui aminoacid si gruparea amino (N R,) a altui aminoacid,

    cu eliminarea unei molecule de H,0 . Formarea de punti peptidice succesive determina polimerizarea

    aminoacizilor liberi. adica includerea lor intr-o catena polip6ptidica. Aeeasta reprezinta structura primara

    a proteinei. Uncle proteine sunt alcatuite dintr-o singura catena polipeptidica, altele din mai multe

    catene polipeptidice identice, iar altele din mai multe catene polipeptidice diferite.

    Dupa sinteza catenei polipeptidice, prin interactiunea aminoacizilor sai (in anumite conditii de

    temp eratura, de pH) prin intermediul uno r punti de hidrogen sau a unor punti bisulfidice ( - S - S)

    macromolecula proteica poate capata o structu ra secundara cu configuratii bi sau tridimensiona le.

    Cu toate ca la alcatuirea proteinelor participa numai 20 de aminoacizi numarul si varietatea

    acestora sunt imense. Specificitatea proteinelor este data de:

    - numaru l dc aminoacizi si succesiunea acestora in cadrul catenei polipeptidice;

    - numarul de catene polipep tidice si structura acesteia;

    - rolul fiziologic indeplinit etc.

    Unele proteine au rol structural in viata celulei. iar altele au rol functional. Cele mai multe

    pro te ine fu nctioneaza ca enzime. Fiecare enzima ca ta lizeaza o anumita reactie biochimica. Aceste

    reactii se succcd intr-o ordine stricta si formeaza lanturi metabolice. Prin transformari succesive celula* ? poate produce substan te asa numitul produs final - care satisfac nevoile celulei sau organ ismului si

    care confers organism elor anumite caractere fenotipice.

    Codul genetic

    Informatia necesara sintezei proteinelor, care detin un limbaj de 20 de semne (aminoacizi) este

    depozitata in mo leculele de ADN care detin un limbaj de 4 semne (baze azotate). Pentru traducerea

    limbajului de 4 sem ne al nuc leotidelor in limbajul de 20 dc semne al aminoacizilor este nevoie de un

    "di.eti.onar pc care natura l-a inventat la inceputurile vietii si care se numeste "codulgeneticu(fig.

    _______ _______ 27, fig. 28). El reprezinta un sistem

    biochimic prin care se stabiles te relatia

    dintre acizii nucleici si proteine si constain corcspondenta d in t re f iecare

    aminoacid s i o succesiune de 3

    nucleotide, numita codon.

    nuclo-ottd.i

    nuelodNd.i 2nucto-otid.n

    1y C A G

    U

    ForsilaUnina S

  • 5/26/2018 Manual Biologie XII

    24/134

    Matematic, prin aranjamente d e 4 nucleotide luate cate 3, rez ulta 4* = 64 combinatii.

    Din cei 64 codoni ai codului genetic :

    - 61 codoni codifica diferitii aminoaciz i (codoni se n s);

    - 3 sunt codoni nonsens, care nu spec ifica vreun aminoacid, dar joaca un rol impo rtant in

    citirea mesajului genetic purtat de ARNm, intrucat ci marcheaza sfarsitul acestui mesaj genetic. De

    aceea se mai numesc codoni STOP: UAA; UGA; UAG.

    Din cei 61 codoni sens, 2 co doni: AUG si GUG care codifica metionina respec tiv valina sunt

    si codoni cu sem nificatia de inceput de sinteza".Codul genetic are urmatoarele caracteristici esentiale:

    - este nesuprapus - doi codoni succesivi (vecini) nu-si imprumuta nucleotide, adica nu au

    nucleotide comune;

    - Qsic fard virgule - intre doi codoni succesivi nu exista semne de punctuatie biochimica

    reprezentate de nucleotide fara sens, citirea informatiei genetice realizandu-se continuu;

    - este degenerat (redundant) - fiind mai multi codoni decat aminoacizi, acelasi am inoacid

    poate fi codificat de mai multi codoni; exemplu: serina poate fi codificata de 6 codoni (numiti sinonimi):

    - este universal - in toata lumea vie aceiasi codoni codifica acelasi aminoacid; exe m plu: codonul

    UUU codifica fenilalanina ata t la procariote cat si la eucariote.

    Geneticienii au deseoperit unele mici exceptii de la universalitatea codului genetic, datorate

    :robabil unor mutatii. Astfel, codonul UG A are rolul de in genomul nuclear, dar in mitocondrii

    codifica aminoacidul triptofan. Codonul AU A care codifica aminoacidul izoleucina in genomul nuclear,

    a mitocondrii codifica aminoacidul metionina.

    Etapele sintezei proteicePe baza codului genetic are loc sinteza proteine lor in 2 faze:

    transcriptia -copierea mesajului genetic din moleculele de ADN in m oleculele dc ARNm;

    - translatia- utilizarea mesajului gene tic pentru sinteza pro teinelor pe baza codului genetic.

    Transcriptia (transcrierea)

    O celula poate produce mii de proteine diferite. Sinteza fieeareia dintre ele incepe, la momentul

    ^portun, prin activarea genei corespunzatoare. In aeeasta prima faza, sub actiunea enzimei ARN

    E n z i * * 1** r i m l o n i i t i i r i l e

    de h

    ARNm copiaz^ informatiagenetica unei srngurecatene din tnacromoleculade ADN

    CITOPLASV5A

    CELULEI

    %

    ARNm se deplaseaz^In citoplasma c^treribozomi

    TRANSCRIERE

    Fig. 29 Transcrierea informatiei genet ice t

    25

  • 5/26/2018 Manual Biologie XII

    25/134

    polimeraza se tran scric mesajul genetic din fragmentul ADN respectiv sub form a unei molecule de

    ARN mesager-ARNm (fig. 29).

    Procesul de transcriere cuprinde trei faze:

    a. faza de initiere: enzima ARN -polimeraza, activata de un factor specific, se asociaza cu o

    secventa din ADN numita promotor;

    b.fa za de alungire: se realizeaza cresterea catenei de ARMm prin formarea puntilor

    fosfodiester ice succesive in directia 5' -> 3', proces realizat prin aditia unui ribonucleotid 5' fosfat la

    capatul 3 OH al ribonucleotidului precedent;c. faza de incheiere: se poate realiza direct prin intalnirea unui codon "stop "in cadrul secventei

    transcrise din ADN sau indirect prin interventia unui factor proteic de terminare.

    Laprocariotese copiaza informatia genetica a mai multor gene succesive, iar ARN m codifica

    mai multe prote ine de care cclula are nevoie in mom entul respectiv.

    La eucariotese copiaza dc regula informatia geneticS a unei singure gene rezultand ARNm

    precursor. Apoi anumite en zime sectioneaza molecula ARNm precursor, separand secven tele

    informationa le (exoni) de secven tele noninformationale (ititroni). Alte enzime leaga exonii intre ci si

    rezulta ARN m m atur care va ajunge la ribozom i prin difuziune (fig.30).

    Translatia (traducerea)

    Are loc la nivelul ribozomilor. Este meritul lui George Emit Paladede a fi deseoperit ribozomii

    ca organite celulare, la nivelul carora se face asamblarea aminoacizilor. Pentru aeeasta el a primit

    prem iul Nobel in 1974.

    Daca ADN-ul celulei poate fi comparat cu un institut de arhitectura care poseda planurile

    alcatuirii corpului victuitoarelor, ribozomii

    sunt adevaratii zidari.

    Pentru ca translatia sa aiba loc trebuicmai intai ca toti factorii implicati sa ajunga

    la locul sintezei proteice.

    INCEPUTULI GENEI

    SFARSITULGENEI J

    ADN

    ARNmPRECURSOR

    ARNmMATUR

    ^ f R C ^ T e XON ' I N TR Of

    2 L .

    TRANSCRIERE

    gflNTRMi EXON -INTRON

    2 : 3 3!------ 1:--- 2--------

    EL F M I NAREA

    I N T R O N I L O R

    i EXON

    ! 3

    *TRANSLATIE

    CATENA

    POLIPEPTIDICA

    NUCLEUL

    CITOPLASMA

    Fig. 30 * T ran scrip tie la eucariote

    1) ARNm recunoaste locul sintezei

    datorita primelor nucleotide ale sale care

    formeaza o secventa de initiere. Ea atrage

    cele doua subunitati ale ribozomului care

    acum se cupleaza prinzand intre ele capatul

    moleculei ARNm. La eucariote, ARNm

    incepe cu codonul AUG care corespunde

    metioninei. Deei primul aminoacid al

    moleculei proteice va fi metionina care

    ulterior poate fi inlaturata.

    2 ) Intre t imp, in c i toplasma

    aminoacizii sunt pregatiti pentru sinteza in

    2 faze:

    a) In prima faza am inoacizii sunt

    activati p rin rcactia cu ATP care le va dona

    energie

    26

  • 5/26/2018 Manual Biologie XII

    26/134

    A A+A TP am ' n - - L AA ~ A | 4P + P - Psmtetaze

    AA = un aminoacid oareeare; ATP - acid adcROzintrifosforic; AMP - acid adenozinmo nofosforic: P ~ P -

    pi ro fosfat ; ~ - legatura eh im ic a pu rtatoa re de en erg ie

    b) Apoi am inoacidul activat se ataseaza unei molecu le de ARN de tran sfer (A RNt):

    aminoaci 1 ,AA~AMP+ARNt 777 AA - ARNt + AMP.

    S l i i l c l c i Z t

    AMP va fi reincdrcat cu energ ie prin fosforilare (AM P + P ~ p ------ ATP ) la nivelul

    mitocondriilor, deci este reciclahil'\

    Un anumit aminoacid se ataseaza numai la acea molecula de ARNt care la polul opus are

    anticodonul corespunzator, adica un grup de 3 nucleotide complementare codonului; exemplu: ARNt

    care ataseaza lizina contine anticodonul UUC.

    3) Acum poate incepe etapa translatiei (traducerii), adica sinteza propriu -zisa a proteinei. Ea

    presupune trecerea ARNm printre subunitatile ribozom ului ca o b anda mag netica prin d ispozitivul de

    citire al unui casetofon. In spatiul dintre cele dQua subunitati este loc pentru numai doi codoni aiARNm.

    ***Pentru intelegerea modului in care se ordoneazd aminoacizii in succesiuneaprogramatd

    genetic, urmariti schema din fig. 31.

    Ea prezinta un moment din etapa translatiei, cand deja prin ribozomi au treeut primii 5 codoni.

    Amintiti-va ca informatia din ARNm este codificata in sensul 5 3', deci ordinea nucleotidelor din? y

    >chem$se citeste de la dreapta la stanga: pe schema, molecula ARNm se deplaseaza spre dreapta, iar

    nbozomul spre stanga. Primii trei codoni nu mai apar in desen. Asa cum stiti primul codon al lantului

    AR GIN INA A A 7

    ARN de tr an sp or t

    cliberat

    AM INO ACID ATA SAT

    ARNtTranslatia continua

    formand lantul polipeptidic> ARN DE TRANSPORT

    Incepe

    Translatia

    ANTICODONARNt,Serina

    SerinaA A K

    ARNm

    Citirea informatiei se face in sens 5*-3'

    Rilxwom

    In procesul de translatie este necesarS participarea urmStoarelor proteine:

    1. Factori de initiere - pentru inceperea translatiei

    2. Factori de elongatie - pentru continuarea traducerii3. Factori de terminalizare - pentru incetarea traducerii si eliberarea lantului peptidic

    Fig. 3 1 Translat ia

    27

  • 5/26/2018 Manual Biologie XII

    27/134

    ARN m a fost AUG, iar primul aminoacid al lantului in curs de formare (A A ) este metionina. Acum

    in cele doua spatii dispon ibile din ribozom se afla codonii UCG si AGG, In dreptul lor au fost atrase

    moleculele de ARN t care poseda anticodonii complementari AGC si UCC, iar la polul opus prezinta

    aminoacizii serina (AA6) si arginina (AA?). Cei doi aminoacizi sunt acum foarte aproape unul de

    altul. In acest mom ent sub actiunea enzimei peptid polimeraza, intre ei se formeaza o legatura

    peptidica. Ca urmare, lantul polipep tidic s-a marit de la sase la sapte aminoacizi.

    In momentul urmator, ribozomul se va deplasa cu un codon spre capatul 3' al ARNm (sprestanga). Codonul AGG se va deplasa in ribozom in spatiul din dreapta imprcuna cu ARNt care poarta

    aminoacidu l arginina (AA7) legati de toti ceilalti sase aminoacizi ai catenei in curs de formare, Acum,

    in spatiul din stanga va ajunge un codon AGG care va atrage ARN t cu anticodonul UCC. Acesta are

    atasat aminoacidul AA8, care asa cum rezulta din tabclul cu codul genetic, este tot arginina. La fel ca

    in momentul anterior, peptid polimeraza va determina formarea legaturii peptidice intre cele doua

    molecule de arginina, aminoacizii din pozitiile 7 si 8 . in acelasi timp, ARN t care adusese aminoacidul

    serina la locul sinteza a iesit din ribozom fara aminoacidul respectiv. Molecula de ARNt va putea

    acum sa ataseze alta molecula de serina, deci ARNt este reciclabil. Ce aminoacizi sunt in pozitiile 4,

    5 si 9?Pe masura ce ARNm este deplasat codon dupa codon, informatia este tradusa din limbajul

    po linuc leotidic in lim bajul polipeptidic si lantul de am inoacizi se lungeste. Deplasarea moleculei

    ARN m continua pana la codonul cu semn ificatia stop care indica sfarsitul sintezei.

    Aceeasi molecula de ARNm trece succesiv prin mai multi ribozomi (se formeaza poliribozomi)

    si pe baza ei se formeaza mai multe exemplare din molecula proteica respec tive Producerea unui

    numar exagerat de exem plare este prevenita prin distrugerea ARNm utilizat. Dupa ce m olecula de

    ARN m a iesit dintr-un ribozom , cele doua unitati ale ribozomului se despart si se vor reuni in juru l

    secventei de initiere al altei molecule de ARNm.

    IRetineti IOrganismele nu transmit urm asilor caracterc ci informatia necesara pentru constituirea lor Celula ou contine

    "planuldefabricatie"al viitorului organism constand in programe care determina diviziunile eelulare (mitoze,

    limite, difercntieri de celule, tesuturi si organe), biosinteza miilor de substante speeiftce, bioritmuri,

    com portam ente, etc. Din zigoti dcstul de asem anato ri ca infatisarc pot rezulta: un greier. un salcani, o vaca sau

    un om, in flinctie de programul genetic pe care ll contin. El este codificat sub forma unor lungi siruri de

    nucleotide din moleculele de ADN. Unul din procesele prin care programul genetic este materializat in

    structuri biologice este sinteza proteinelor.

    dPLICfcTIIt

    1. Asociati notiunile din cele doua coloane:

    /. Codul genetic. Caracteristici / / .Arguntetite

    1. Degenerat

    2. Nesuprapus

    3. Fara virgule

    4. Universal

    A. In toata lumea vie aceeasi codoni codifica acelasi

    aminoacid.

    B. Nu exista nucleotide in plus intre codoni

    C. Doi codoni vecini nu pot avea nucleotide comuneD. Acelasi am inoacid poate fi codifica t de mai multi

    codoni sinonimi"

    28

  • 5/26/2018 Manual Biologie XII

    28/134

    /. Transcriptia II. Tipuri de organisme

    1. Se copiaza informatia genetica a unei singure gene

    2. Se copiaza informatia genetica a mai multor gene succesive

    3. ARNm codifica mai m ulte proteine de care celula are nevoie

    in mom entul respectiv

    4. ARN m precursor contine secvente in formationale (exoni) si

    secvente noninformationale (introni)

    A. Procariote

    B. Eucariote

    2. In fazele sintezei proteice actioneaza enzimele:

    1. Peptidpolimeraze

    2. ARN - polimeraze

    3. Aminoacilsintetaze

    4. Ligazele

    3. Care este secventa de ARNm complementara urmatoarei succesiuni de baze azotate

    AGGCTATTC dintr-o catena de ADN:

    1. TCGGU TAAG 2. UGC CUTA AG 3. TCCGATAAG 4. UCCG AUA AG

    4. Codonul UGA:

    1. Este codon stop in genomul nuclear2. Codifica triptofanul in mitocondrii

    3. Are semn ificatia inceput de sin teza 11

    4. Codifica metionina

    r

    3 ORGANIZAREA MATERIALULUS GENETIC

    Motcriolul gciiflic ia virusuri si precarfoic

    Mat e r i a l u l gene t i c v ira l

    Virusurile sunt entitati infectioase de nivel

    subcelular ale caror dimensiuni variaza intre 80 - 2500

    A. Ele sunt alcatuite dintr-un invelis proteic numitcapsida viraldsi un m iez - genomul viral, reprezentat

    de un acid nucleic. Un astfel de virus matur (complet)

    se numeste virion. In afara acestei stari de existenta, > *virusurile se mai pot afla si sub alte forme:

    - virus vegetativ - acidul nucleic aflat liber in

    citoplasma celulei ga zd a;

    -provirus- acidul nucleic integrat Tn cromozomul

    unei celule gazda.

    Virusurile se deosebesc esential de toate celelalte

    sisteme biologice, prin aceea ca miezul lor de acid nucleic

    este alcatuit fie din ADN, tie din ARN. Niciodata, inacelasi virus, nu se intalnesc ambele tipuri de acizi nucleici asa cum se intalnesc in oricc sistcm

    biologic cu organizare cc lulara oricat de simplu ar fi el. Continand in virionul lor fie ADN , fic ARN,

    . irusurile se clasifica in dezoxirihovirusurisi ribovirusuri.

    Si ne reaminiim !

    Materia lul genet ic prezinta o

    anum ita orga nizare Tn func tie dc

    gradul de complexitate al sistemeior

    b io lo g ice . S is tem ele ae tu a ie

    nucleoproteinice se grupeaza in doua

    categorii distincte: sisteme acelulare si

    celulare. Din catcgoria sistemelor

    acelulare fac parte: virusurile. virotii,

    plasmid ele si p rio n ii. Sistemele

    celulare cuprind la randul lor doua

    tipuri de organizare: procarioia si

    eucariota.

    29

  • 5/26/2018 Manual Biologie XII

    29/134

    Este important de retinut faptul ca, la ambele tipuri de virusi, informatia genetica se afla codificata

    in miezul dc acid nucleic viral care se mai numeste cromozom viral sau genom viral. Molecula de

    acid nucleic viral poate fi circ ula r! sau lineara, monocatenara sau bicatenara:

    -ADN viral monocatenar (bacteriofagu! phi X 174);

    -ADN viral bicatenar (virusul herpetic, majoritatea bacterio fagilo r-fig.32 a)

    -ARN viral monocatenar (virusul gripal-fig.32 b, H IV -fig.32c , virusul mozaicul tutunului -

    VMT)

    -ARN viral bicatenar (reovirusuri).

    Pe unicul cromozom viral pot exis ta 4 gene (fagul M S J sau 135 gene (bacteriofagul T4).

    Mo lecula de acid nucleic viral are o lungim e variabila de la 3000 - 10000 nucleotide.

    Multiplicarea virusurilor. Desi virusurile detin in acizii lor nucleici codifiCate planurile

    arhitecturale ale formarii de noi particule virale, adica ale multipliearii lor, virusurile nu se multiplica,

    nu se tnmultesc. Virusurile sunt multiplicate (sunt inmultite) de celula gazda, deoarece toate virusurile

    sunt paraziti absoluti de nivel genetic, dependenti total de o celula gazda fie bacteriana, fie vegetala,

    fie animala. Niciodata o particula virala nu prov ine prin diviziunea unei particule virale preexistente.

    Virusurile sunt reproduse in celula gazda, oferind doar instructiuni (informatia ereditara) pentru a fi

    reproduse, iar celula gazda asigura substantele, echipam entul enz imatic si energia necesare.

    Genomul viral patruns in celula gazda, determina devierea proceselor de biosinteza caracteristiceacesteia, astfel incat celula gazda va efectua sinteze noi dupa modelul furnizat de virionul decaps idat

    (numit virus vegetativ). Se sintetizeaza acid nucleic viral, proteine virale si apoi are loc asam blarea

    noilor componentc intr-un numarmare de virioni, dupa care, prin lizarea celulei gazda are loc eliberarea

    noilor virioni.

    Replicarea materialuluigenetic viralse realizeaza tot pe baza de complementaritate a bazelor

    azotate.,dar cu unele particularitati.

    La dezoxiribovirusuri catena ADN poate servi ca matrita pentru sinteza alteia. La ribovirusuri

    catena dc ARN poate servi ca matrita pentru sinteza alteia complementare, care la randul ei, devine

    matrita pentru s inteza ARN initial.In cazul retrov irusu rilor (virusul HIV 1, agentul etiolog ic al SIDA), replica rea ARN se

    realizeaza cu ajutorul enzimei reverstranscriptaza. Aeeasta enzima utilizeaza ca matrita ARN viral

    pentru sinteza unei catene de ADN. Rezulta, in pr im a etapa un hibrid molecu lar ARN - ADN dupa

    care ARN este hidrolizat, iar ADN com plem entar este trecut sub forma bicatenara si, sub aeeasta

    forma, se integreaza intr-unul din cromozomii celulelor implicate in rcalizarea raspunsului imun la

    om, para lizand u-i activitatea: in acest fel organism ul infectat cu HIV 1 nu mai poate da raspunsuri

    imune la actiunea celor mai comuni agcnti patogeni.

    glicoproteine anvelopS

    miez de ADN

    capsidaproteica

    a) b)

    filament ----------

    miez de ADN capsidS

    | Fig. 32 a) B actc riofa^ ul T4; b) V irusu l gr ipa l; c) N'iriisul F ll\' B "

    bistralipidic

    miezviral

    ARN

    reverstranscriptaza

    p9. p7

    30

  • 5/26/2018 Manual Biologie XII

    30/134

    Chiar daca sunt sisteme sup ramoleculare, virusurile prezinta variabilitate genetica. In cazul

    dezoxiribovirusurilor se poate realiza recombinarea genetica prin crossing - over, iar in cazul

    ribovirusurilor variabilitatea se realizeaza, in special prin mutatie.

    Ca urmare apare o variab ilitate genetic a in cadrul populatiilor virale si respectiv o adaptare a

    lorm arita la conditiile variabilea le mediului. De exemplu virusul gripal cu genom ARN manifesta o

    atat de mare variabilitate incat fiecare epidemic se datoreaza unei alte tulpini virale.

    Materialul genetic la Procariote

    Organizarea Procariota caracterizeaza bacteriile si algele albastre verzi (numite si cianobacterii),

    Toate aceste forme prezinta structura cclu lara cu dimensiuni cuprinse intre 1$i 1Onm.

    O celula bacteriana este alcatuita din citoplasma, delimitate de membrana plasmatica, protejata

    la exterior de un perete celular. In celula se distinge o regiune centrala care reprezinta nucleoidul.

    Nuc leoidul nu este separat fata de ci toplasm a pr intr-o structura mem branara. astfel ca el nu poate fi

    socotit un nucleu adevarat.

    Corespondentul nucleoidului este cromozomul bacterian de forma circulara. El reprezinta

    suportul fizic al unicului grup de inlantuire a genelor (aproximativ 2000 - 3000 gene). Ca urmare

    toate genele de la bacteria mam a se transmit in bloc la bacteriile fiice. Cromozom ul are o lungime de

    1000 de ori mai mare decat diametrul celulei. contine o macromolecula de ADN circulara cu

    aproximativ 40-50 buclc si superrasuciri (circa 400 pcrechi nucleotide / bucla) care sunt mcntinutc

    prin in term ediul uno r molecu le de ARN (fig. 33), Cromozom ul bacterian este atasat de mem brana

    plasmatica a celulei bacteriene prin interm ediul unei structur i de rivate din aeeasta, carc es te numit

    mezozom.

    In afara cromozomului circular bactcrian (suportul grupului principal de gene), se pot afla in

    citoplasma celulei bacteriene, una sau mai multe structuri ereditare aditionale. Aceste structuri

    extracromozomiale, separate fizic de cromozom ul principal, au fost denum iteplasmMe.Plasmida

    este o molecula circulara de ADN b icatenar care reprezinta 1% din cromozomul bacterian principal.

    Ea reprezinta un minicrom ozom ce poarta 6 - 8 genesi care se replica independent de cromozomul

    principal. Ca exem ple de plasm ide pot fi considerate

    ' dc to nil de sex (factoml F)saufactond de rezistenta

    la antibiotice (factond R).Plasmidele pot fi transferate

    de la o celula la alta, pot suferi mutatii, pot fi pierdute

    >au pot fi redobandite de catre celula bacteriana,

    Datorita acestor procese, o populatie bacteriana

    prezinta o mare he terogenitate, ceea ce reprezinta un

    avantaj selectiv pentru adaptarea la mediu a bactcriilor.Studiul plasm idelor a trezit interes deosebit din partea

    cercetatori lor mai ales cand s-a cons tatat ca ele detin

    genele de rezistenta la antibiotice - markeri genetici

    foarte importanti si foarte usor de decelat prin

    antibiograme,

    In ultimul timp studiul plasm idelor bacteriene

    suscitat un interes mai mare, cand s-a constatat ca

    ele pot fi folosite in experien te de inginerie genetica

    vehiculi cu ajutorul carora pot fi introdusi in celulabacteriana, gene dc la eucario te . P lasm idele

    reprezinta un element esential in tehnoJogia ADN Fig. 33 Cromozom ul bac te r ian

    recombinat.

    31

    ADN

    P6te

    calulArNfembranapfcramaOca

    2.5 M

    dtxaoml ^cromozomulbacterian 1----- 1M

    S e o b s e r v a c r o m o z o m u l

    circular atasat damembrana plasmatica

    30, Intr-o Invaginaro =mezozom

    >

    1. Cromozomul circularbacterian

    2. Bude3. Superrfisudrl

  • 5/26/2018 Manual Biologie XII

    31/134

    1 ftetinefci !r t

    La virusuri, genomul este rep rezentat de un singur cromozom de forma circulara sau lineara

    pe care sunt dispuse genele intr-o anumita ordine. Cromozom ul viral este reprezentat de o

    macrom olecula dc ADN sau o macromolecu la dc ARN.

    * La bacterii cromozomul are forma circu lara si este reprezenta t de o macromolecula de ADN

    bicaten ar care-si pastreaza s tructura cu ajutorul uno r molecule de ARN.

    1. Asociati notiuniie:J J - ----

    / . Sisteme de organizare II.MaterialulgeneticA. Ribovirusuri

    B. Dezoxiribovirusuri

    C. Bacterii

    1.Crom ozom circular ce contine ADN si ARN> >2. Cromozom ce contine ADN

    3. Cromo zom ce contine ARN------------------------------- -------------------- X- - ----- --

    II. Material genetic II Caracteristici

    A. Cromozom viral

    B. Cromozom bacterian

    C. Plasmid

    1. Mezozom

    2. Factorul F

    3. 1%

    4. 2000 - 3000 gene

    5.3 - 200 gene

    6 . Bucle si superrasucuri

    2. Explicati replicarea materialului genetic la retrovirusuri.

    3. Explicati procesul de variabilitate la virusuri si bacterii.

    4. Motivati de ce virusurile nu au un metabolism propriu.

    Materialul genetic la eucariote

    Materialul genetic la eucariote se afla in nuclcul celular

    dar si in citoplasma mai precis in mitocondrii, cloroplaste,etc.

    1. La nivelul nucleului materialul ereditar este

    organizat intr-o substanta numita cromatina .

    Cromatina este forma interfazica a cromozomilor.

    adica a structurilor caracteristice ce apar evident la eucariote

    doar in timpul diviziunii nucleare.

    La eucariotecromozom ii au o arhite ctura foarte com plexa, fiind alcatuiti din 13- 15% ADN.

    12-13% ARN cromozomial; 68-72% p roteine histonice si nonhistonice, mici cantitati de lipide. ioni

    de M g2" i Ca2". Com ponenta cea mai im portan ta a crom ozom ului eucariotic este ADN. El poate fi

    impartit in doua categorii: secvente unice de nucleotide in care sunt incluse genele si secvente repetitive,

    reprezentate de una sau mai multe fractii de ADN, in care anumite secvente de nucleotide se repeta de

    un num ar variabil de ori (de la 102- 106ori). Acest ADN repetitiv este de obicei noninformational,

    adica nu contine gene stru ctura l, ci indeplineste alte roluri, mai ales in reglajul genetic, diferentierea

    cclulara si evolutia materialului genetic. In cromozomii eucariotelor, secventele de nucleotide repetitive

    sunt intercalate cu secvente unice, nonrepetitive.

    Cromatina prezinta doua stari functional alternative si reversibile: eucromar;>;j si

    heterocromatina.

    S f i n e r e a m i n t i m !

    Eucariotelesunt organisme a

    caror celule poseda nueleu tipic

    Tnvelit in membrana nucleara.

    32

  • 5/26/2018 Manual Biologie XII

    32/134

    Cromozom metafazic

    Nucleosomu!

    Format dintr-unoctamer histonicTnconjurat la exteriorde un segment din

    ADN alcatuit din 140perechi de nucleotidedispuse sub forma a dou3

    inele la varful si la bazaoctamerului

    Proteine histonice

    HjA. HjB.

    Cromatide

    Cromatina

    LegStura dintredoi nucleosomise realizeazaprintr-o cesventade ADN de catevazeci de nucleotideunite prin intermediul unei proteinehistonice Ht

    ADN

    Eucromatina p rez in ta

    proprietati de colo rare norm ale cu

    coloranti bazici si un ciclu de

    condensare standard (condensare in

    d iv iz iune s i decondensare in

    interfaza). La nivelul eucromatinei se

    af la secvente unice de ADN.*Eucromatina reprezinta partea activa

    genetic in transcrierea cromatinei

    interfazice, la nivelul ei aflandu-se cea

    mai mare par te din prote inele

    nonhis tonice care condit ioneaza

    functionarea materialului ereditar in

    replicare sau in transcriere.

    Heterocromatina are un ciclu

    atipic de condensare. Ea reprezinta

    cromatina care este condensata si in

    interfaza cand apare sub forma de

    cromocentri. La nivelul ei replicarea

    ADN este intarziata si este inactiva in 5t ranscr ie re . Daca eucromat ina

    cupr inde gene le majore ,

    heterocromatina prezinta mai ales

    functii reglatoare.

    Crom atina eucariotelor este un

    lant flexibil alcatuit din unitati care se

    repeta si care se numesc nucleosomi(fig.34). Fiecare nucleosom are forma unui cilindru turtit format dintr-un octamer de proteine histonice

    (H 2A, H2B, I\v H4 luate cate doua) inconju rat la exterio r de un segment de ADN alcatuit din 140

    perechi de nucleotide* Acestea fo rm eaza o pereche de inele la varful si la baza cilindrului. Legatura

    dintre doi nucleosomi se realizeaza cu ajutorul unei secvente de cateva zeci de nucleotide care se

    gasesc unite cu un alt tip de histone H.r

    Din complexarea ADN cu h istonele rezulta complexul nucleohistonic, care alcatuieste fibra de

    cromatina. Nucleii si cromozomii eucariotelor contin asemenea fibre de cromatina al caror diametru

    este de 100 300 A. Fiecarui cromozom eucariot ii corespu nde o singura fibra de crom atina

    nucleohistonica si deci, asemanator cromozom ului procariot, o singura mo lecula dublu catenara deADN. Crom atina nuclcului in terf ace ca si cromatina cromozom ului in diviziune contine si variate

    proteine nonhistonice . Nonhistonele sunt foarte heterogene. Ele prezinta specificitate de specie si dc

    tesut. Nonhistonele apar ca activatori specifici ai genelor eucariote. Prin fosforilarea nonhistonelor

    crestc rata de transcriere.

    Descoperirea ca atat cromatina interfazica cat si cromozomii in timpul diviziunii, prezinta aceeasi

    structura nucleosomala fundamentala, demonstreaza continuitatea organizatorica a materialului genetic

    de-a lungul intregului ciclu celular. De fapt cromozomii nu d ispar in interfaza. Individualizarea lor in

    profaza diviziuni i este un aspect de fenotip crom ozomal realizat in vederea desfasurar ii cu mare

    exactitate a evenimentelor distributive ale ciclului celular, adica repartizarea aceleiasi informatii ereditarein celulele fiice prin distributia unui num ar egal de cromozomi in aceste celule.

    Pregatirea celulei pentru diviziune presupune atat dublarea cantitatii de ADN cat si a substantelor

    asociate, adica a Tntregii cantitati de cromatina.Fiecare cromozom este deja dublu la inceputul mitozei

    Fig. 34 4 Materialul gcnetic la eucariote

    33

  • 5/26/2018 Manual Biologie XII

    33/134

    a - q r o m p z o m m e t a c e n t r ic

    b - cromozom submetacentricc - cromozom subtelocentricd - cromozom acrocentric

    34

    Fig.35 Tip uri de cromozomi

    sau meiozei, asa ca acum o celula diploida din punctul

    de vedere al numarului de cromozomi, este tetraploida

    din punct de vedere al cantitatii de cromatina.Acum

    fiecare cromozom este format din doua cromatide. Ele

    sunt identice din punct de vedere al informatiei subtiri,

    para le le si unite prin tr -o zona num ita centroraer,

    Cromatidele reprezinta de fapt cromozom ii-fii care inca

    nu s-au despartit.La inceputul profazei cromozomii devin vizibili

    la mieroscopul opt ic deoarece se spira l izeaza,

    mgrosandu-se si scurtandu-se. Ei ajung in metafaza la o

    condensare maxima. Acum ei au numarul, forma si

    marimea caracteristiee fiecarei specii si aeeasta proprietate

    constituie un important caracter taxonomic. Prin distrugerca fusului de diviziune, cromozomii se vor

    dispersa din planul ecuatorial al celulei putand fi fotografiati la microscop. Decupand imaginile si

    ordonandu-le in perechi numerotate in ordinea descrescatoare a marimii se obtine cariotipul speciei

    respective. Pozitia centromerului este un caracter morfologic constant, un criteriu de elasificare acromozom ilor (fig.35).

    2. In citoplasma celulelor eucariote s-a evidential existenta unui material genetic propriu

    reprezentat de ADN din organitele celulare (ADN mitocondrial, ADN cloroplastic) numit ADN

    extranuclear.

    Acest ADN poseda unele insusiri particulare, ADN extranuclear se replica dupa modelul

    semiconservativ, da r nu in perioada S (de sinteza) a ciclului celular, ci independent de ADN nuclear.

    El se deosebeste de ADN nuc lear al speciei respective prin greutatea moleculara si raportul A -r T / G

    4 *C ceea ce face ca si viteza cu care se realizeaza denaturarea-renaturarea sa fie diferita, Datorita

    aces tor deosebiri nu sc pot obtine hibrizi molecu lar! intre ADN nuc lear si cel extranuclear.

    Comparativ cu ereditatea controlata de genele nucleare (ereditatc mendeliana) care se

    caracterizeaza prin aceea ca genele de la cei doi parinti, tata si mama, contribuie in mod egal la

    formarea constitutiei genetice a urmasilor (eredilate biparentala), ereditatea citoplasmatica sau

    nemendeliana se caracterizeaza mai ales prin transmiterea la descendenti a trasaturilor genetice mateme

    (ereditatc uniparentala - materna). Acest lucru se datoreaza faptului ca in marca m ajoritate a cazurilor

    numai gametul femel poseda atat nucleu cat si citoplasma, in timp ce gametul mascul poseda in

    general numai nucleu.

    I Ret inel i ! r

    Totalitatea genelor nucleare, numite cromogene, fonneaza genomul.

    * Totalitatea genelor citoplasmatice, numite plasmagene fonn eaza plasmonul.

    Crom ogenele impreuna cu plasm agenele alcatuiesc genotipul.

    Organismele eucariote prezinta diviziune mitotica si meiotica, care asigura reproducerea

    echilibrata a materialului genetic, precum si posibilitati imense de diversificare aprogram elor

    genetice si deci de asigurare a variabilitatii genotipice.

    n^PLICNTII

    1. Evidentiati principalele caracterist ici de superioritate ale cromozomului eucar iot prin

    comparatie cu cel procariot.

    2. Care sunt principalele comp onente ale cromozo mului metafazic ?

    34

  • 5/26/2018 Manual Biologie XII

    34/134

    3. Aft'gctTraspunsurile corectc:

    a. nucleosomul este unitatea structurala a nucleoidului;

    b. nuc leosomul es te uni tatea st ructura la a moleculei de ADN ;

    c. nucleosomul este unitatea structurala a cromatinei;d. nucleosomul este unitatea structurala a plas m idu lui.

    4. Asociati notiunile din cele doua coloane :

    1.cromozomi pu temic condensati; a. uneste cele doua cromatide;a *

    2 .centromer; b, format din proteine histon ice;3.nucleosom; c. metafaza;

    4 cromozomi monocromatidici. d. o singura m acrom olecula de ADN

    Cvidentiereo cromozomilor uriosi low wDrosophila melanogaster

    V

    * ^

    Materiale necesare: lame si lamele microscopiee, ac

    spatulat, solutie carmin-acetica, lampa de spirt, hartie filtru,

    larve de drosofila in stadiul III (inainte de impupare).

    Mod de lucru. Se folosesc larve de stadiul III, de

    Drosophila, femele, care sunt mai mari decat cele mascule.

    Glandele salivare sunt plasate in partea anterioara a corpului

    larvei legate de armatura bucala, care apare ca un punct negru.

    Printr-o miscare de smulgere se detaseaza aeeasta parte

    anterioara a corpului care se pune intr-o picatura de carmin-

    acetic in care sta circa 3 min. Se aplica lamela. Se aplica hartia de filtru. Se preseaza putemic cu

    degetul mare pentru etalare. Se inlatura excesu l de carmin, Se exam ineaza la microscop.

    Descried si desenati ce observati!