STRUCTURA SI FUNCTIA GENEI - FUNCTIILE ADN-ULUI

STRUCTURA SI FUNCTIA GENEI

Structura genei

Genele sunt structurate din ADN (acid dezoxiribonucleic dublu catenar) care codeaza sinteza de proteine prin pozitionarea si incatenarea aminoacizilor in lanturi polipeptidice.

Genomul uman este format din intreaga cantitate de ADN si in consecinta de totalitatea genelor dintr-un set haploid de cromozomi. La om sunt 23 de cromozomi fiecare format din aproximativ 3 x 10⁹ perechi de baze (in contrast cromozomul de Ech. Coli contine numai 4 x 10⁶ perechi de baze).

Moleculele de ADN sunt formate din doua catene corespunzatoare rasucite una in jurul celorlalte ("modelul helicoidal").

Fiecare catena are in structura sa patru tipuri de nucleotide, fiecare nucleotid fiind alcatuit din dezoxiriboza (dR), radicalul fosfat (P) si o baza purinica: adenina (A) si guanina (G) sau pirimidinica: timina (T) si citozina (C).

Lantul polinucleotidic este realizat de legaturile 3 5 ` fosfodiester dintre radicalul fosfat (C<sub>5</sub>) al unui nucleolid si C<sub>3</sub> al nucleotidului invecinat. Structura bicatenara este realizata prin legaturile de hidrogen dintre bazele purinice si pirimidinice ale celor doua catene complementare si codeterminate (A=T, C s G). Capetele 5` respectiv 3 ale catenei de ADN sunt notate conventional astfel: 5 la stanga si indica secventa de inceput a genei, iar 3` se noteaza la dreapta si indica secventa din finalul genei. Genele sunt sintetizate in directie 5` - 3`.

Fig. 1. Structura ADN (dupa Gelehrter TD, Collins FS)

FUNCTIILE ADN-ULUI

a)          Replicarea. In timpul diviziunii celulare ADN-ul celulei parentale se replica prin separarea celor 2 catene ale dublului helix si sinteza unei catene noi complementare pe fiecare catena matrita. Catena fiica va realiza prin legaturi de hidrogen (doua legaturi intre A si T, trei legaturi intre C si G) cu catena matrita - mama, ADN-ul dublu catenar al fiecarei celule fiice care va purta aceeasi informatie ereditara cu celula parentala.

b)          Transcriptia. Procesul se realizeaza prin formarea ARN - mesager (ARN-m) gratie unui cod chimic (relatia de complementaritate intre bazele azotate) cu interventia specifica a transcriptazei (ARN polimeraza ADN - dependenta). Sinteza m ARN se face in nucleu, mai putin de 10 % din ADN-ul uman este transcris in m-ARN . Din nucleu ARN-ul mesager se deplaseaza in citoplasma legat de proteine si Mg⁺⁺ formand informozomii.

* deosebirile dintre ADN si ARN: in ARN zaharul este reprezentat de riboza si uracilul (U) o baza pirimidimica inlocuieste timina, astfel relatia complementara dintre bazele azotate devine G-C si A-U

c)          Translatia este un proces care are loc pe ribozomii din citoplasma si in care informatia codata in m-ARN este translatata intr-o catena specifica polipeptidica prin pozitionarea intr-o anumita ordine a celor 20 de aminoacizi din citoplasma (vezi tabel nr.1).

Fiecare aminoacid este codat de trei perechi de baze azotate (triplet) care alcatuiesc un codon. Primele 2 nucleotide ale codonului sunt specifice pentru functia codonului, a treia baza poate sa fie diferita fara sa modifice sensul acestuia (ex.: tripletul m-ARN specific pentru pozitionarea argininei poate fi CGU, CGC, CGA sau CGG)

Tipuri de ADN

a) ADN repetitiv. Majoritatea ADN-ului nu structureaza gene, dar alcatuieste secvente scurte sau lungi repetitive.

Majoritatea secventelor scurte repetitive (SINES) sunt reprezentate de familia Alu, care este repetata de aproximativ 300.000 - 900.000 de ori in genomul uman. Comune pentru secventa Alu sunt 300 de perechi de baze azotate care alcatuiesc secventa consens (o "secventa consens" este un polinucleotid ideal in care fiecare baza are o pozitie particulara pentru fiecare specie si pentru fiecare individ din cadrul speciei). Functia secventei Alu este inca necunoscuta si rolul sau in genomul uman ramane inca un mister.

Secventele lungi repetitive (LINES) contin 6.400 perechi de baze azotate in secvente consens. Capatul 5` al secventelor LINE este diferit dar exista segmente omoloage la nivelul capatului 3` . Capatul 5 este prezent de aproximativ 4.000 - 20.000 de ori in genom, in timp ce capatul 3 este prezent cu o frecventa mai mare (50 - 100.000 de ori). Ca si pentru secventa Alu functia acestor secvente de ADN este necunoscuta

a)          ADN-ul nerepetitiv contine secventele care codeaza sinteza m-ARNului. In general genele contin ADN nerepetitiv care codeaza informatia pentru diferite forme de ARN si proteine.

Majoritatea ADN-ului nerepetitiv apare o data in genomul uman

Celulele diploide care au doua seturi de 23 cromozomi, au cate 2 copii ale fiecarei gene si de aici doua copii ale fiecarei secvente de ADN nerepetitiv

Pseudogenele sunt catene de ADN homologe genelor normale, de altfel exista modificari minore care intereseaza transcriptia sau translatia acestor gene.

Organizarea genelor

Fig. 2. Structura genei

Exonii sunt portiunile functionale ale genei care codeaza sinteza proteinelor

Intronii sunt secvente care nu codeaza proteine. Sunt agenti ai instabilitatii genetici cu rol dovedit in evolutie si reglajul genetic.

Granita intre exoni si introni este bine delimitata si frecvent primele doua baze de la capatul 5` al fiecarui intron sunt GT, iar ultimele doua baze de la capatul 3` ale intronului sunt AG

Exonul este precedat de tripletul ATG - codonul start sinteza care initiaza translatia si specifica inceputul sintezei proteice.

Unitatea transcriptionala (gena) incepe cu 2 secvente caracteristice:

* cutia CCAAT - contine 70 - 90 perechi baze si are rol in reglajul transcriptional

* cutia TATA contine regiuni bogate in perechi AT ori joaca un rol important in reglajul transcriptiei

codonul stop sinteza se afla la capatul 3 al genei si poate fi TAA, TAG, TGA

SINTEZA PROTEICA

Fig. 3. Sinteza proteica

Transcriptia este procesul de sinteza a unei catene de m-ARN cu secventionalitate complementara cu catena mama a ADN-ului.

Fiecare catena a ADN-ului poate servi drept matrita pentru transcriptie.

Cutia TATA si CCAAT de la capatul 5` de initiere al transcriptiei sunt recunoscute de factorii de initiere transcriptionali, dupa activarea acestora sub actiunea ARN- polimerazei se sintetizeaza (prin complementaritate) o catena de ARN-m care se intinde de la capatul 5` spre 3` si cuprinde atat secventele intronice cat si secventele exonice. Aceasta catena lunga este foarte instabila si va suferi in scurt timp modificari care in final vor duce la formarea m-ARNului.

Procesarea (matissarea , splicingul

Intronii sunt eliminati si exonii sunt reuniti impreuna, la capatul 5' se adauga secventa CAP iar la capatul 3' secventa poliA care confera stabilitate , rezultand un m-ARN matur care poate fi transferat din nucleu in citoplasma

Mecanismul intim si precis al matissarii m-ARN-ului nu este pe deplin cunoscut, dar este evident ca secventele de la capetele 5`- 3` ale granitei exon/intron (respectiv GT si AG), sunt esentiale pentru desfasurarea corecta a procesului de maturare a m-ARN-ului.

Translatia - este procesul in care matrita m-ARN, derivata din catena codificatoare de ADN, este convertita intr-un polipeptid. Acest proces se desfasoara in citoplasma pe ribozom in directie 5

a). m-ARN se fixeaza cu secventa CAP pe locusul P al ribozomului. Codonul start sinteza va pozitiona aici metionina

b). m-ARN-ul se deplaseaza pe ARN-ul ribozomal deruland peste locusul A al ribozomului fiecare codon (triplet de nucleotide) care pozitioneaza un anumit aminoacid.

c). ARN -t (de transport) este molecula de ARN care aduce aa activat din citoplasma pe complexul m- ARN-ribozom. Complexul aa - ARN-t realizeaza legaturi dipeptid cu complexul aa₂ -ARN-t₂ urmator si citirea rand pe rand a codonilor de pe matrita m-ARN ajunsi in locusul P al ribozomului va duce la realizarea lantului polipeptidic

d). Acest proces se desfasoara in directie 5` - 3` pana cand codonii stop sinteza (UAA, UAG sau UGA) sunt intalniti. In acest moment sinteza polipeptidului se sfarseste si molecula de m-ARN se desprinde de ribozomi.

e). Sunt 20 de aa naturali citoplasmatici care servesc la sinteza proteinelor. Cu cele 4 baze azotate specifice care alcatuiesc nucleotidele ADN reunite in triplete pot fi realizati 64 de codoni.

f). Codul genetic este degenerat: majoritatea aminoacizilor sunt codati de mai mult decat un triplet de nucleotide. Codonii sinonimi care pozitioneaza acelasi aminoacid difera intre ei cel mai frecvent la nivelul celui de-al treilea nucleotid, doar primele 2 baze azotate conferind specificitate codonului. (vezi Tabel 1. Codul genetic).

Structura proteinelor

Dupa sinteza lor proteinele sunt deseori modificate pentru a deveni active. De exemplu insulina se sintetizeaza initial sub forma proinsulinei care are 82 de aa.

Structura primara a proteinelor este data de catena polipeptidica si o secventa de aa rezidual. In unele situatii proteinele au atasate grupuri de "nonproteine" care sunt esentiale pentru realizarea functiei lor; de exemplu: globina este atasata hemului si astfel se realizeaza hemoglobina, o proteina activa si functionala.

Structura secundara este data de configuratia polipeptidica incadrata intre diferite legaturi chimice (exemplu legaturile de hidrogen intre grupari ale lantului polipeptidic realizand o rasucire a acestuia sub forma unui a-helix).

Tabel 1. Codul genetic

Abreviere aminoacizi:

Ala = Alanina; Arg = Arginina; Asn = Asparagina; Asp = Acid Aspartic Cys = Cisteina; Gln = Glutamina; Glu = Acid Glutamic; Gly = Glicina; His = Histidina; Ile = Isoleucina; Leu = Leucina; Lys = Lisina Met = Methionina; Phe = Fenilalanina; Pro = Prolina; Ser = Serina; Thr = Tironina; Trp = Triptophan; Tyr = Tirosina; Val = Valina;

Structura tertiara a proteinei se refera la forma tridimensionala a acesteia. Multe proteine au regiuni helicoidale si nonhelicoidale. Aceasta structura este cel mai favorabil aranjament pentru catena polipeptidica, asigurandu-i o activitate optima.

Controlul expresiei genelor.

Toate celulele au ADN capabil sa codeze functiile celulei. In plus celulele sunt specializate prin functia lor specifica, datorata expresiei diferentiate a genelor.

Secventele ADN coexista atat in genomul uman cat si la animale in forme metilate si non-metilate.

Metilarea ADN-ului pare ca are un efect represor asupra expresiei genice

Majoritatea genelor active transcriptionale au regim de ADN nonmetilat la capatul 5`

b. numerosi alti factori influenteaza exprimarea genelor:

capatul 5` al genei care include cutia TATA si CCAAT

capatul 3` al genei

ocazional secventele intronice din interiorul genei

Genele mitocondriale

Mitocondria este singurul organ citoplasmatic care contine propriul sau ADN sub forma a doua pana la 10 copii de ADN dublu catenar masurand aproximativ 16 kilobaze (kb)

a.           mt ADN = ADN mitocondrial difera de ADN-ul nuclear astfel:

este circular si nu linear

este format mai ales din ADN nonrepetitiv si mai putin ADN repetitiv

este transmis generatiei urmatoare exclusiv pe linie materna

tripletul TGA codeaza triptofanul si nu este codon stop sinteza (ca la ADN-ul nuclear).

Fig. 4. Genele mitocondriale

b.          ADN-ul mitocondrial codeaza 13 proteine care sunt componente ale lantului respirator mitocondrial si lantului de fosforilare oxidativa si de asemenea 2 rARNs si 22 t ARNs

Mutatiile ADN-ului mitocondrial care codeaza aceste proteine sunt responsabile de aparitia anumitor boli

In aceste boli mutatia este transmisa prin ovul de la o mama afectata la toti copiii sai indiferent de sexul acestora. Exemplu: boli ale SNC cum este atrofia optica Leber sau afectiuni musculare cum sunt miopatiile mitocondriale.

Numai fetele vor putea transmite mai departe generatiei urmatoare deficienta (este un exemplu de ereditate nonmendeliana).