Introducere in genetica - Diviziunea celulara si continuitatea genetica

Introducere in genetica

Genetica - stiinta a ereditatii, variabilitatii si reproducerii organismelor, este privita cu interes stiintific de elevi, studenti, cercetatori, medici etc. Ea reprezinta o sinteza unitara si creatoare a principalelor descoperiri ale citologiei, fizicii, chimiei, matematicii si ciberneticii. Multitudinea descoperirilor genetice au medernizat stiinta despre viata si au impus-o, prefigurandu-i un nou viitor.

Abordarea ereditatii la nivel molecular a fost posibila in urma descoperirii rolului si structurii acizilor nucleici (ADN si ARN), a mecanismelor transmiterii informatiei genetice, a ribozomilor si rolul acestora in sinteza proteinelor, a descifrarii codului genetic, a izolarii genei si sintezei artificiale a acizilor nucleici si a genei etc.

Celula este unitatea de organizare a materiei vii si de constructie a oricarui organism viu; indiferent de modul de reproducere a organismelor. Cercetarile efectuate in ultimele decenii au elucidat multe aspecte legate de structura si functiile celulei. Ea este privita ca o unitate morfofunctionala si genetica fundamentala a materiei vii.

Descoperirea celulei a fost realizata de Robert Hooke in anul 1665, care a studiat la microscop sectiuni din tulpina de pluta. In anul 1661, Marcello Malpighi constata ca organismele animale cat si vegetale sunt alcatuite din celule. Botanistul Schleiden si zoologul T. Schwann au fundamentat o teorie unitara celulara, recunoscand celula ca unitate structurala a materiei vii. C. Nageli a stabilit rolul procesului de diviziune in inmultirea celulei, iar R.L.C. Virchow elaboreaza teoria celulara in patologie potrivit careia celula nu poate proveni decat din celule preexistente.

Celula reprezinta o masa restransa de substanta vie, protoplasma, care in mod obisnuit contine citoplasma si nucleu sau material nuclear. Ea este delimitata de mediul ambiant prin membrana plasmatica. La plante celula prezinta in plus la exterior un perete celular format din celuloza sau chitina. Celula poate avea forme, dimensiuni si marimi variate si poate indeplini functii fundamentale si speciale.

In ceea ce priveste numarul lor, organismele pot fi uni sau pluri celulare. De fapt, ceea ce determina forma si proprietatile unui organism este numarul celulelor, diversitatea tipurilor, si dispozitia lor.

Forma celulelor poate fi sferica, cilindrica, alungita, prismatica, stelata, etc. Dimensiunile celulei variaza in functie de specie, de tesut, de cantitatea de informatie ereditara, la plante, de exemplu, variaza de la 0.2-2.5m (la bacterii) pana la 50 cm (la urzica chinezeasca); la animale de la 4m pana la 150 cm la unele celule nervoase masurate cu prelungirile lor.

Unele celule au functii deosebit de specializate: de exemplu capacitatea de contractie la muschi, de fotosinteza la plantele verzi,s.a.m.d. Ea e sediul proceselor vitale fundamentale: nutritia, respiratia, cresterea si reproducerea.

Membrana celulara e o structura specializata care limiteaza selectiv, cantitativ si calitativ, schimburile dintre mediul intra si extra celular, mentinand constant compozitia mediului intern.

In cintoplasma sunt localizate majoritatea functiilor celulei, ea fiind heterogena, cuprinzand o masa hialina fundamentala (matricea/hialoplasma) si un sistem de structuri, membrane, filamente, granule care reprezinta particule functionale sau organite: mitocondri, lizozomi, aparat Golgi, ribozomi-granulele lui Palade, reticul endoplasmatic, etc.

Nucleul este o structura indispensabila pentru viata celulei, fiind delimitat de exterior de membrana nucleara care cuprinde nucleoplasma si unele structuri refringente: nucleoli si cromatina din care sunt formati cromozomii. Celulele fara nucleu au o capacitate limitata de crestere si nu se divid.

Nucleul are rolul de sinteza replicativa proprie in vederea distribuirii lor in diviziune si sinteza a celulei. Functiile celulei ca: biosinteza, miscarea, generarea potentialului electric, autoreproducera, etc se realizeaza prin consum de energie rezultata din diferite reactii de oxido-reducere a substantelor organice, guvernata de enzime si alte substante acceptoare de atomi de H si O.

Diviziunea celulara si continuitatea genetica

Proprietatile fundamentale de crestere, de dezvoltare si de reproducere ale organismelor se realizeaza prin procesul de diviziune celulara. Componentele celulei asigura in cursul diviziunii transmiterea ereditara a caracteristicilor de la o celula la alta, de la un individ la altul si de la o generatie la alta.

Diviziunea celulara este directa (amitoza) si diviziune indirecta (mitoza).

Amitoza consta intr-un mecanism de separare a nucleului in doua parti aproximativ egale printr-o constrictie mediana sau fragmentare nucleara. In timpul amitozei nu au loc transformari in interiorul nucleului, ca urmare in timpul ei nu apar cromozomi si nici firele fusului de diviziune. Ea este caracteristica organismelor inferioare cum sunt ciliatele, unele protiste si unele tesuturi animale specializate. Celulele rezultate poseda cate un nucleu normal care le confera viabilitatea si capacitatea de a se diferentia.

La organismele evoluate pentru realizarea autoreproducerii integrale a celulei, exista un mecanism specializat, cu valabilitate universala la orice fiinta vie. Astfel nucleului i revine rolul de a asigura transmiterea caracteristicilor ereditare fapt ce se realizeaza in cursul diviziunii celulare: mitoza (diviziune nucleara indirecta - cariokineza) pentru celulele corporale sau somatice si meioza (diviziunea reductionala) in procesul de formare a gametilor. Nucleul se restructureaza complet ducand la diferentierea unor structuri specifice cu rol esential in ereditate.

Ciclul mitotic al celulei eucariote este reprezentat de o etapa metabolica (interfaza) si o etapa de diviziune nucleare si citoplasmatica. Diviziunea mitotica sau cariokineza se petrece intr-o celula cu o garnitura dubla de cromozomi (2n) determinand nasterea a doua celule identice in continut cu cea initiala. In interfaza celula are o intensa activitate de sinteza proteica si sinteza replicativa a moleculei de ADN, care constituie procesul esential al duplicarii cromozomale. La sfarsitul interfazei cromozomii sunt duplicati, fiind formati din doua cromatide. De asemenea are loc sinteza replicativa a diferitelor tipuri de ARN si a proteinelor precum si crearea unei rezerve de energie necesara pentru diviziune.

Mitoza sau cariokineza este forma superioara de diviziune celulara caracteristica tesuturilor corpului care poseda eucarion. Procesul incepe la nivelul nucleului prin individualizarea se continua cu diviziunea nucleului si se incheie prin diviziunea celulei. Denumirea de diviziune indirecta provine tocmai de la faptul ca diviziunea nucleului precede diviziunea celulei mama in cele doua celule fiice, identice in continut cu celula mama initiala.

Conventional diviziunea celulara a fost impartita in cinci faze: interfaza, profaza, metafaza, anafaza si telofaza.

Interfaza - faza cea mai lunga a ciclului celular. Au loc modificari de cromatina, cromozomii fiind complet despiralizati.

Profaza - faza in care in nucleul omogen se structureaza fire cromatice. Filamentele cresc in diametru devenind mai scurte, mai groase si distincte. Fiecare din aceste fragmente reprezinta un cromozom care are o structura dubla helicoidala datorita rasucirii cromatidelor, una in jurul celeilalte. In aceasta faza are loc disparitia nucleolilor reorganizarea lor avand loc la sfarsitul diviziunii. In aceasta faza, membrana nucleara se fragmenteaza, apar porii de diviziune, si a fusului de diviziune. Proteinele ce intra in alcatuirea fusului de diviziune sunt unite prin grupari bisulfitice. Dupa dezintegragrea membranei si formarea fusului de diviziune are loc dispunerea cromozomilor in placa ecuatoriala situata la jumatatea distantei dintre poli. Migrarea cromozomilor este controlata de fusul de diviziune, si de activitatea centromerului care asigura vehicularea cromozomului.

Metafaza- in metafaza cromozomii sunt duplicati, si se duplica regiunea centromerului si se formeaza placa ecuatoriala prin dispunerea cromozomilor intr-un singur plan perpendicular pe axa longitudinala a fusului de diviziune si are loc separarea cromozomilor-fii. Cariotipul (numarul, marimea si forma cromozomilor) are trasaturi caracteristice, fiind potrivit pentru analiza microscopica. Fiind singurele elemente permanente ale nucleului si aparand intr-un numar si morfologie constante, cromozomii asigura identificarea diverselor specii.

Anafaza- in aceasta faza are loc separarea si deplasarea spre cei 2 poli a cromozomiilor-fii rezultati din cele 2 cromatide ale cromozomului initial. Miscarea cromozomilor spre poli de-a lungul tubulilor continui ai fusului este controlata de centromer si are loc cu o viteza de 0.2-5mm/minut, formand la nivelul polilor cate o placa anafazica.

Telofaza- la cei 2 poli ai celulei cromozomii formeaza cate un nucleu separat pentru fiecare viitoare celula fiica, apoi au loc procese opuse profazei: cromozomii isi pierd individualitatea, se despiralizeaza si decondenseaza. Astfel, ia nastere un nucleu cu structura reticulata. Se produce reorganizarea nucleolilor, si aparatul mitotic se dezintegreaza si dispare.

Dupa telofaza incepe interfaza in care se disting 3 perioade: G1, S si G2.

Mitoza asigura repartizarea in celulele-fiice a unei cantitati egale de material genetic. Datorita acestui fapt, diviziunea celulara reprezinta un mecanism biologic fundamental, care determina transmitetea informatiei genetice de-a lungul generatiilor celulare.

Citochineza- diviziunea nucleului e urmata de regula de diviziunea citoplasmei.

Durata mitozei e in fuctie de tipul de celule si specie, de varsta individului si de conditiile de viata, variind intre cateva minute pana la cateva zeci de ore. Durata in timp a fiecarei faze mitotice este si ea diferita: profaza este 60% din durata intregului ciclu mitotic, metafaza 5%, anafaza 5%, iar telofaza 30%.

Meioza

Diviziunea meiotica, numita si reductionala, reprezinta totalitatea fenomenelor complexe premergatoare formarii gametilor. Ea are loc numai in celulele germinale din organele sexuale, deci numai la organismele care se reproduc sexuat.

Meioza consta in 2 diviziuni nucleare succesive de un tip deosebit, una reductionala -primara (I)-, si una normala, mitotica ecuationala -secundara (II)- .

Caracteristic pentru meioza este faptul ca desi se succed 2 diviziuni, replicarea cromozomilor nu se face decat o singura data.

Profaza I- este de mai lunga durata, cu schimbari profunde si caracteristice ale substantei cromatice, denumite fenomene sinaptice. Procesele se desfasoara in mai multe stadii: stadiul de leptonem- 2n, stadiul de zigonem- scurtare si crestere in diametru, stadiul pachinem, cel diplonem si diachineza. Se produc fragmentarea membranei nucleare si formarea fusului de diviziune.

Metafaza I- se caracterizeaza prin disparitia membranei nucleare si formarea fusului central bipolar. Se formeaza placa metafazica in regiunea ecuatoriala. Desi regiunea centromerica e dubla, ea functioneaza ca o unitate care va transporta cele 2 cromatide surori, fie spre un pol, fie spre celalalt al fusului de diviziune.

Anafaza I- cromozomii omologi se separa si migreaza spre poli. Cromatidele migreaza perechi, deoarece sunt unite la nivelul centromerului care nu s-a divizat. Ea determina astfel separarea celor 2 cromatide de origine materna care se deplaseaza spre un pol de cele 2 cromatide paterne care se deplaseaza spre celalalt pol (nucleul apare format dintr-un numar haploid de cromozomi).

Telofaza I- cromozomii in numar haploid- n, ajung la poli si se regrupeaza in noii nuclei fii. La fiecare plo ajunge numai jumatate din numerul initial de cromozomi, deci prima diviziune este din aceasta cauza reductionala.

Pornindu-se de la o celula diploida-2n, se ajunga la doua celule haploide-n.

Dupa diviziune reductionala urmeaza a doua diviziune meiotica homotipica, care se desfasoara dupa tipul unei mitoze obisnuite.

In urma meiozei in procesul de formare al gametilor, dintr-o celula diploida originala se dezvolta si devine functionala o singura celula haploida: oosfera-la plante, ovulul-la animale.

Cromozomii

Pentru fenomenele ereditare de o deosebita importanta sunt cromozomii.

Cromozomii sunt structuri constituite din ADN, ARN si proteine histonice specifice. Numarul cromozomilor constituie una din principalele caracteristici ale cariotipului.

Ei au forme si marimi diferite.

In celulele somatice cromozomii formeaza perechi 2 cate 2, fiind specifice diverselor plante si animale.

Structura cromozomilor- cromozomii au diferite portiuni distincte cu aspect de granule numite cromomere. Acestea reprezinta puncte in care cromonemele sunt dens spiralate. Exista mai multe tipuri de cromozomi: A sau B.

Cromozomii sexului-heterozomi- sunt notati simbolic XX la femei si XY la sexul mascul.

Numarul haploid de cromozomi al speciilor diploide stramosesti au capatat denumirea de genom si se noteaza cu X. In general numarul de cromozomi este stabil si caractreristic pentru celulele fiecarei specii. Forma cromozomilor constituie de asemenea o caracteristica de gen si specie.

Cromozomii pot fi in forma de I, V, U, L etc., cu brate egale sau neegale. In acelasi nucleu forma si dimensiunile se deosebesc de la un cromozom la altul, fapt ce permite individualizarea fiecaruia din complexul cromozomal.

Marimea cromozomilor poate varia in functie de specie in limite largi (microcromozomii de 1 mm, iar cei mari macrocromozomi intre 5-30 mm). Datorita caracteristicilor lor fiecare cromozom poate fi identificat in toate celulele indivizilor din aceiasi specie.

Materialul genetic localizat la nivelul cromozomiloe se numeste cromatina si este format dintr-un complex nucleoproteic in care intre ADN si proteine bazice - histone cu pH=8 si mai mare (proteine care contin peste 22% aminoacizi bazici cum sunt arginina, lizina etc.).

Gene

Unitatea elementare a ereditatii este gena. Ea reprezinta o particula materiala diferentiata in materialul genetic care controleaza sau conditioneaza manifestarea uneia sua mai multor caacteristici ereditare ale unui organism. Ea este formata dintr-un acid nucleic-ADN- acid dezoxiribonucleic pentru marea majoritate a organismelor si ARN- acid ribonucleic pentru unii virusi. Pozitia ocupata de gena in cromozom se numeste locus. Ca urmare a mutatiei (o schimbare brusca in structura submicroscropica a genei), o gena poate prezenta mai multe variante, denumite alele din care numai cate una singura exista in fiecare cromozom. Rezulta ca in organismele diploide pentru fiecare caracteristica exista doua gene alele, in timp ce in organismele haploide exista o singura gena alela.

Alelele se unesc prin fecundare (in zigot, cu structura 2n) si se separa prin diviziune reductionala (in gameti, n).

Gena se autoreproduce exact, multe generatii celulare.

Descoperirea dupa anul 1944 a faptului ca genele sunt molecule complexe constituite din acizi nucleici ADN si ARN, care reprezinte materialul genetic, a determinat o schimbare a vechii reprezentari a genei. S-a stabilit astfel ca gena corespunde unui segment din macromolecula de ADN sau ARN, format dintr-o secventa liniara de nucleotizi, in care este inscris un mesaj chimic sau informatia ereditara.

Transformarea secventei de nucleotizi in secventa proteice se realizeaza prin intermediul unui ,cod' - sistem care include procesul transcriptiei, adica copierea informatiei genetice de pe ADN de catre ARN mesager si procesul translatiei, adica trecerea informatiei genetice purtata de ARN mesager in citoplasma la nivelul ribozomilor, unde are loc sinteza proteinelor specifice.

Acidul dezoxiribonucleic -ADN- este o macromolecula formata din nucleotizi. Fiecare nucleotid este alcatuit din 3 componente: un radical fosforic monoacid-PO4H, un monozaharid, si o baza azotata.

Bazele azotate care intra in compozitia ADN, la toate vietuitoarele sunt de 2 feluri: purinice si pirimidinice. Purinele sunt adenina-A, guanina-G, pirimidinele: timina-T si citozina-C.

Acidul ribonucleic - ARN- este un complex macromolecular structural si functional. ARN rezulta din polimerizarea unor ribonucleotizi care determina formarea unor lanturi lungi monocatenare. Bazele azotate sunt: adenina, uanina, citozina, si uracilul, iar componentul pentozic e riboza.

Exista 3 tipuri de ARN cu rol esential in biosinteza proteinelor:

-ARN-MESAGER: sintetizat in timpul transcriptiei mesajului genetic,

-ARN-DE TRANSFER: cu rol in activarea enzimelor din citoplasma

-ARN-RIBOZOMAL: rol in sinteza proteica.

Functiile genei: functia autocatalitica care consta in autoreplicarea ei, functia heterocatalitica, care consta in biosinteza proteinelor caracteristice si respectiv a unor enzime specifice.

Teoria cromozomica a ereditatii

Teoria cromozomica a ereditatii asociaza genele cu cromozomii. Principala teza a teoriei cromozomice stabileste ca genele sunt aranjate liniar in cromozomi. O alta teza precizeaza ca genele dintr-un cromozom sunt inlantuite sau linkage. Fenomenul de linkage defineste tendinta genelor dintr-o pereche de cromozomi, sau grup linkage, de a intra in gameti in combinatia parentala.

In acest scop Morgan si colaboratorii sai au efectuat incrucisari intre diferite mutante de Drosophila melanogaster. Astfel, la incrcisarea unei musculite cu corp cenusiu si aripi normale cu o musculita mutanta cu corp negru si aripi vestigiale, se obtin 4 clase fenotipice de indivizi: corp cenusiu si aripi normale 25%, corp cenusiu si aripi vestigiale 25%, corp negru si aripi normale 25% si corp negru si aripi vestigiale 25%.

Este foarte important de retinut faptul ca daca genele situate in cromozomi diferiti se transmit independent, si in cazul dihibridarii,etc, segrega mendelian, genele linkage, fiind situate in acelasi cromozom se transmit inlamtuite in bloc.

A treia teza a teoriei cromozomice a ereditatii prevede ca intre genele linkage situate in cromatidele nesurori ale cromozomilor homologi, poate avea un schimb reciproc de segmente sau blocuri homologe de gene, fenomen numit crossing-over. Acest fenomen se desfasoara la inceputul meiozei si se observa fenotipic cand locii cromozomilor homologi sunt heterozigoti.

Fenomenul de linkage poate fi complet sau incomplet.

Harta cromozomala consta in reprezentarea grafica a unui grup linkage sau cromozom, in care pozitia genelor sau a markerilor genetici este indicata in functie de distantele relative dintre ele.

Iin prezent se cauta sa se perfectioneze metodele si tehnicile utilizate in manipularea de material genetic preexistent sau creat artificial in vederea sintezei unor genotipuri noi.

Bibliografie:

Mecanismele ereditatii

Editura A lbatros, Teofil Craciun, Minodora Patrascu

1988

Anatomia si fiziologia omului

Editura Lyceum

Revista de cultura generala PLANETA ALBASTRA

Nr 22/2002

Nr 13/2001

Nr 6/2003