FUNCTIILE MATERIALULUI GENETIC

Functiile materialului genetic

Replicarea ADN

Replicarea ADN reprezinta transmiterea fidela a informatiei genetice la celulele fiice, in urma diviziunii celulare. Replicarea este una dintre cele doua functii esentiale ale materialului genetic. Mai mult decat atat, replicarea ADN este procesul de baza al continuitatii vietii pe Pamant.

1.1 Principalele etape ale replicarii ADN

Ca si alte procese din biologia moleculara, si procesul de replicare se desfasoara in 3 etape - initierea, elongarea si terminarea :

Initierea implica recunoasterea regiunii de pe o molecula ADN unde va incepe procesul de replicare

Elongarea cuprinde evenimetele ce se desfasoara la o bifurcatie de replicare, unde catenele parentale sunt copiate an catene fiice

Terminarea este o etapa destul de putin cunoscuta si se desfasoara atunci cand molecula parenatla a fost complet replicata

Etapele chimice ale replicarii ADN

Din punct de vedere chimic, replicarea ADN presupune urmatoarele etape principale:

desfacerea initiala a dublului helix intr-o zona denumita regiune de origine a replicarii

sinteza unor fragmente de ARN m.c. scurt ce ofera capatul 3'-OH liber pentru sinteza primelor legaturi fosfo-diesterice; aceste fragmente poarta numele de primeri si sunt sintetizate de ARN polimeraze speciale denumite primaze

in bucla de ADN desfacut procesul de replicare se va desfasura in ambele directii, formandu-se deci 2 bifurcatii de replicare

in fata fiecarei bifurcatii de replicare dublul helix va fi desfacut prin interventia topoizomerazelor (care derasucesc dublul helix) si a helicazelor (care desfac legaturile de hidrogen dintre cele 2 catene); astfel, bucla de replicare se va largi in fiecare din cele 2 capete

fiecare din cele 2 catene ale helixului parental va servi drept matrita pentru sinteza unei catene noi

sinteza catenelor noi se realizeaza de catre enzime numite ADN polimeraze, pe baza de complementaritate cu catena veche folosita ca matrita; nucleotidele sunt legate intre ele prin formarea de legaturi fosfo-diesterice; alungirea catenei noi se realizeaza in directie 5' - 3'

datorita faptul ca ADN polimerazele nu pot sintetiza o catena noua decat in directie 5' - 3', la fiecare bifurcatie de replicare, sinteza celor 2 catene noi are loc oarecum diferit :

una din catenele noi este sintetizata continuu, pornind de la un singur primer: aceasta catena este denumita catena conducatoare ("leading") (Figura 1)

cealalta catena este sintetizata discontinuu, pe masura    ce dublul helix parental este desfacut in continuare; aceasta catena este denumita catena intarziata ("lagging") si este formata din multe fragmente distincte, denumite fragmente Okazaki (de la numele celul care le-a descris prima oara) de aproximativ 100 nucleotide; fiecare asemenea fragment este initiat de la un primer

intr-o faza mai avansata a replicarii primerii sunt indepartati atat din structura catenei conducatoare, cat si din cea intirziata, dupa care golurile sunt umplute tot de o ADN polimeraza

aceste fragmente sunt apoi unite intre ele prin refacerea legaturilor fosfo-diesterice de catre o ADN ligaza

in timpul procesului de replicare monocatenele ADN (atat cele vechi, cat si cele nou sintetizate) sunt stabilizate si protejate de actiunea nucleazelor, de catre o clasa speciala de proteine numite proteine Ssb (Single Stranded Binding)

terminarea replicarii unei molecule de ADN difera intre moleculele circulare si cele lineare

la moleculele circulare, intalnite in majoritatea cazurilor la cromozomul bacterian si la plasmide, cele 2 bifurcatii de replicare se intalnesc intr-o regiune denumita ter.

la moleculele ADN lineare din cromozomii de la eucariote, capetele acestora (telomerele) sunt replicate printr-un mecanism diferit, iar fragmentele sunt apoi unite de ADN ligaze

Figura 1 Reprezentarea schematizata a unei bifurcatii de replicare.

Complementaritatea dintre bazele azotate de pe cele 2 catene ale moleculei de ADN determina o structura perfect adaptata functiei de replicare, fiecare dintre cele 2 catene servind drept matrita pentru sinteza unei catene complementare.

In majoritatea cazurilor, replicarea se realizeaza pe model semiconservativ, macromoleculele de ADN fiice fiind formate dintr-o catena veche si una noua (Figura 2).

Figura 2    Principalele trei modele de replicare a moleculelor ADN.

La majoritatea organismelor (chiar si la genomuri virale) replicarea ADN se desfasoara bidirectional, ceea ce presupune formarea a doua bifurcatii de replicare ce avanseaza de la secventa de origine a replicarii (denumita secventa oriC pentru cromozomul bacterian) catre regiunea de terminare a replicarii (denumita secvnta ter in cromozomul bacterian).

Desi procesul de replicare a moleculelor de ADN se desfasoara enzimatic in mod similar la toate organismele, atat la cele procariote, cat si la cele eucariote, totusi exista suficiente diferente intre cele 2 tipuri principale de organisme.

Astfel, cromozomul bacterian este un replicon unic, adica are o singura secventa de origine a replicarii. In contrast, cromozomii de la eucariote sunt fiecare dintre ei structuri multirepliconice (au mai multe regiuni de origine a replicarii ADN) (Figurile 3 si 4).

Mai mult chiar, apar diferente si datorate structurii tertiare. Cromozomul bacterian are o structura circulara si, ca urmare, cele 2 bifurcatii de replicare se intalnesc la nivelul secventei ter (Figura 5). Cromozomul de tip eucariot are o structura lineara, iar capetele lui (denumite telomere) se replica diferit de restul cromozomului.

1.2 Enzimologia replicarii cromozomului bacterian

Cercetarile asupra procesului de replicare a moleculei ADN precum si asupra enzimelor implicate au debutat pe cromozomul de Escherichia coli si, ca urmare, majoritatea datelor experimentale provin de la bacterii (Figura 6).

1.2.1 Complexul primozom

Complexul primozom este format dintr-o serie de proteine ce determina initierea replicarii ADN. Cele mai importante proteine sunt:

primaza: la bacterii este denumita DnaG si este codificata de gena dnaG; aceasta enzima sintetizeaza scurte fragmente de ARN ce au functie de primeri, adica ofera capul 3'-OH liber pentru polimerizare.

proteinele de initiere: n', n, n", DnaA, DnaB, DnaC si DnaT

Initierea replicarii presupune detasarea secventei oriC de membrana plasmatica, dupa ce, in prealabil, a fost atinsa o anumita masa celulara (denumita masa de initiere) si in urma acumularii unei cantitati substantiale de fosfolipide acide pe fata interna a membranei plasmatice.

Secventa oriC din cromozomul de E.coli are 245 bp si prezinta 2 regiuni importante:

o regiune cu 4 "cutii" dnaA (sunt formate din cate 9 bp, denumite 9-meri) la care se va atasa proteina DnaA

o regiune cu 3 "cutii" de tip 13-meri, bogate in adenina-timina, la care se vor atasa complexe proteice DnaB-DnaC

Zece pana la 12 molecule de DnaA se leaga la "cutiile" dnaA, determinand buclarea moleculei de ADN si, ca atare, desfacerea dublului helix in "cutiile" dnaB. Zonele monocatenare aparute se complexeaza cu proteina DnaB (cu functie de helicaza), adusa de proteina DnaC. Ulterior, primaza (DnaG) incepe aici sinteza moleculelor de ARN primeri (Figura 7).