Notiuni de genetica moleculara

Notiuni de genetica moleculara

Genetica moleculara este acea ramura a biologiei care studiaza ereditatea organismelor la nivel molecular, biochimic. La toate organismele materialul genetic este reprezentat de acizii nucleici (ADN si ARN). Acestia au capacitatea de a inregistra sub o forma codificata biochimic informatia genetica, care determina toate caracterele si insusirile organismelor vii.

Structura chimica a acizilor nucleici

Acizii nucleici sunt substante chimice macromoleculare alcatuite din unitati mai simple denumite nucleotide. O nucleotida este alcatuita dintr-o baza azotata, un zahar si un radical fosforic. Bazele azotate din molecula acizilor nucleici sunt de doua tipuri: purinice si pirimidinice, ele rezultand dintr-un nucleu denumit purina si respectiv pirimidina. Structura moleculara a ADN-ului a fost descoperit in 1953 de catre WATSON si colab.

Purina este un tip de baza de azotata, alcatuita dintr-un heterociclu format din 5 atomi de carbon si 4 de azot, in timp ce pirimidina are o alcatuire ceva mai simpla, fiind o baza azotata formata dintr-un heterociclu de 6 atomi din care 4 de carbon si 2 de azot. Cele mai importante baze purinice sunt adenina (A) si guanina (G). Acestea sunt prezente atat in molecula de ADN cat si in cea de ARN. Cele mai importante baza pirimidinice sunt: citozina (C) si timina (T) in ADN. La ARN, in locul timinei se afla uracilul (U).

Zaharurile care intra in alcatuirea acizilor nucleici sunt riboza la ARN si dezoxiriboza la ADN. Aceste zaharuri sunt pentoze, avand cate 5 atomi de carbon.

Prin unirea unei baze azotate cu un zahar, riboza sau dezoxiriboza, se obtin asa numitele nucleozide. Prin legarea nucleozidelor de cate o grupare fosforica se obtin nucleotidele care sunt unitatile de baza ale acizilor nucleici. Prin inlantuirea nucleotidelor se obtin polinucleotide sau acizi nucleici, in care intra mai mult de 10 nucleotide.

Acidul dezoxiribonucleic (ADN)

Macromolecula de ADN este bicatenara fiind formata din doua lanturi polinucleotidice, infasurate elicoidal in jurul unui ax comun, formand un dublu helix. Cele doua catene ale helixului de ADN sunt antiparalele

Cele doua lanturi polinucleotidice sunt complementare, in sensul ca intotdeauna o nucleotida care contine o baza azotata purinica se leaga cu una ce contine o baza azotata pirimidinica si invers. Ca urmare in macromolecula de ADN nu exista decat 4 tipuri de legaturi: A-T, T-A, G-C, C-G.

Structura bicatenara a ADN se realizeaza cu ajutorul unor punti de hidrogen - duble intre adenina si timina si triple intre guanina si citozina. Aceste legaturi sunt de natura electrostatica (fig. x.).

Figura x.Un segment din macro-molecula de ADN

Replicatia macromoleculei de ADN

In celulele fiecarei specii se gaseste o anumita cantitate de ADN, in care se afla sub forma codificata informatia genetica. Pentru realizarea diviziunii celulare este necesara, printre altele, dublarea prealabila a cantitatii de material genetic. In acest fel, celulele fiice vor avea aceeasi cantitate de ADN cu celula mama.

Sinteza ADN poarta denumirea de replicatie deoarece se realizeaza dupa modelul semiconservativ (fig. x). Prin ruperea puntilor de hidrogen, moleculele de ADN se separa in cele doua catene complementare, iar nucleotidele libere din citoplasma se ataseaza pe baza de complementaritate de catenele vechi. Vor rezulta doua molecule de ADN bicatenar, fiecare avand o catena veche (care are rol de matrita) si catena noua sintetizata.

In acest fel se asigura sinteza noilor molecule de ADN cu mare fidelitate, moleculele-fiice fiind identice cu moleculele-mama.

Ipoteze privind sinteza ADN considera ca aceasta s-ar realiza dupa tipul conservativ (sinteza "de novo") sau dupa tipul dispersiv (dispersarea ADN in parti componente).

Studiul sintezei ADN in vivo si in vitro a demonstrat ca ea se realizeaza dupa tipul semiconservativ propus de WATSON si CRICK deoarece acest mecanism asigura o inalta fidelitate in sinteza noilor macromolecule de ADN, identice cu cele vechi. Tinand seama ca sinteza ADN se realizeaza dupa sistemul semiconservativ, ca in acest proces cele doua catene servesc drept matrite pentru catenele nou sintetizate si ca prin acest proces informatia ereditara este transmisa fidel noilor macromolecule, procesul de sinteza a ADN a primit denumirea de replicatie

ADN a fost replicat in vitro, ce catre KORNBERG in 1954, cu ajutorul enzimelor celulare.

Figura x. Replicatia ADN dupa tipul semiconservativ

Acizii ribonucleici (ARN)

Acizii ribonucleici (ARN) au, in general, o structura monocatenara, fiind alcatuiti dintr-un singur lant polinucleotidic.

Exista mai multe tipuri de ARN, avand functii diferite:

ARN viral constituie materialul genetic al unor ribovirusuri cum sunt: virusul mozaicului tutunului (VMT), virusul poliomelitei, virusul gripal s.a.

ARN mesager (ARN-m) are rol de a copia informatia genetica a unei catene din macromolecula de ADN si, in felul acesta, realizeaza ceea ce se cheama fenomenul de transcriptie, o etapa in procesul de decodificare a informatiei genetice si de sinteza proteica. La ARN-m succesiunea nucleotidelor este complementara cu aceea a catenei de ADN de la care a copiat informatia. Greutatea moleculara a ARN-m este variabila, deoarece si marimea informatiei copiate este variabila.

ARN de transfer (ARN-t) are rolul de a transfera aminoacizii la locul sintezei proteice. Are o greutate moleculara mica si relativ constanta, alcatuit dintr-o succesiune de 70-90 de nucleotide. Este monocatenar, cu portiuni bicatenare, care formeaza o tija si trei bucle mari, fapt care ii confera forma de trifoi.

ARN ribozomal (ARN-r) intra in alcatuirea ribozomilor si are rol in sinteza celulara a proteinelor. In molecula sa sunt numeroase plieri neuniforme datorita legaturilor dintre nucleotidele complementare U-A sau G-C.

ARN nuclear mic (ARN-sn) se gaseste in nucleul eucariotelor, legat in mod stabil de proteinele nucleare. Acest tip de ARN este alcatuit dintr-o secventa de circa 100 de nucleotide, avand un rol important in functionarea nucleului.

Codul genetic si sinteza proteica

In anul 1953, dupa descoperirea structurii macromoleculei de ADN, s-a lansat supozitia existentei unui cod genetic si ca secventa nucleotidelor de-a lungul macromoleculei de ADN trebuie sa contina sub forma codificata informatia genetica a organismelor. Evident ca s-a pus problema legaturii dintre secventa celor 4 tipuri de nucleotide, ce contin diferite baze azotate purinice si pirimidinice (adenina, guanina, citozina si timina) cu secventa aminoacizilor din catenele polipeptidice.

SAMOV (1954) a emis ipoteza ca in macromolecula acizilor nucleici se gaseste codificata informatia genetica necesara sintezei moleculelor de proteine.

Macromoleculele de acizi nucleici contin un numar mare de nucleotide, astfel ca prin modificarea secventei nucleotidelor se poate inregistra o enorma cantitate de informatie genetica. Daca se considera ca o gena este formata in medie dintr-o secventa de 1000 de nucleotide, numarul posibil de schimbari in secventa nucleotidelor este imens, fiind egal cu 4¹⁰⁰⁰ sau 10⁶⁰². Prin inlocuirea unei singure nucleotide din cele 1000 ale unei gene, se pot produce 3000 de tipuri de gene alele. Evident ca in felul acesta macromoleculele de acizi nucleici au o capacitate practic infinita de variatie si respectiv de inregistrare a informatiei genetice.

Macromoleculele de ADN contin programul sintezei proteinelor, informatia genetica ce determina ordinea de succesiune a aminoacizilor. Legaturile dintre secventa nucleotidelor in ADN si succesiunea aminoacizilor in molecula proteica se realizeaza cu ajutorul codului genetic. Unitatile de codificare a informatiei genetice sunt reprezentate de codoni.

Codonul este alcatuit dintr-o secventa de trei nucleotide din macromolecula de ADN, avand capacitatea de a determina includerea unui anumit aminoacid in molecula proteica.

Prin codificarea celor 20 de aminoacizi care intra in alcatuirea proteinelor, exista 64 de codoni, fiecare fiind format dintr-o secventa de trei nucleotide. Informatia genetica din moleculele de ADN este mai intai transferata intr-o macromolecula de ARN mesager (ARN-m), prin fenomenul de transcriptie, dupa care este decodificata si transformata intr-o secventa de aminoacizi prin translatie (fig. 6.8.)

Intre secventa nucleotidelor din ADN si secventa aminoacizilor din molecula proteica exista o stransa corelatie, fenomen denumit colinearitate

Prin combinarea variata a celor 20 de aminoacizi, prin modificarea secventei lor in catenele polipeptidice, se poate realiza un numar imens de proteine.

Figura x. Transcriptia si translatia macromolecului de ADN

Macromoleculele de ADN sunt alcatuite dintr-un numar mare de nucleotide, care sunt insa de numai 4 tipuri. Prin modificarea secventei celor 4 tipuri de nucleotide, se poate inregistra, cu ajutorul codului genetic, o cantitate imensa de informatie genetica. ADN-ul este deci alcatuit dintr-o secventa de codoni, ce determina succesiunea aminoacizilor in moleculele proteinelor.

Codul genetic si caracteristicile sale

Codul genetic este alcatuit din 64 de codoni, cifra reprezentand totalitatea combinatiilor posibile a celor 4 tipuri de nucleotide luate cate 3, adica 4³. S-a reusit descifrarea completa a codului genetic, in sensul ca sunt cunoscute toate tripletele de nucleotide (codoni) din ARN-m ce codifica diferitii aminoacizi. Acesti codoni sunt formati din 4 tipuri de nucleotide continand bazele azotate adenina, uracil, guanina si citozina.

Adevaratul cod genetic continut in macromolecula de ADN poate fi foarte usor cunoscut prin inlocuirea nucleotidelor din ARN-m (fig. x.) cu componentele lor: citozina (C) prin guanina (G), guanina (G) prin citozina (C), adenina (A) prin timina (T) si uracilul (U) prin adenina (A).

Figura x. Codul genetic ARNm (Phe - fenil alanina; Leu - leucina; Met - metionina; Val - valina; Ser - serina; Pro - prolina; Thr - tronina; Ala - alainina; Tyr - tirozina; Nonsens - STOP; His -histidina; Glum -glutamina; Asp -acidul aspartic; Lys - lizina;  Aspn - asparagina; Cys - cisteina; Trp - triptofan; Arg - arginina; Ser - serina; Gly - glicina)

Tinand seama ca exista mai multi codoni decat aminoacizi (20), s-a dovedit experimental ca mai multi codoni pot codifica un acelasi aminoacid. Deci codul genetic este degenerat. Datorita fenomenului de degenerare a codului genetic, un anumit aminoacid poate fi codificat de mai multi codoni diferiti. Astfel, leucina este codificata de codonii UUA, UUG, CUU, CUC si CUG.

Codul genetic este nesuprapus, adica doi codoni succesivi nu au nici o nucleotida comuna si este fara virgula (citirea informatiei genetice se face continuu: intre doi codoni succesivi nu exista semne de punctuatie).     Din totalul de 64 de codoni ai codului genetic, un numar de 61 codifica cei 20 de aminoacizi, iar 3 codoni (UAA, UAG si UGA) nu codifica aminoacizii, ci numai marcheaza sfarsitul unui mesaj genetic (STOP).

Codul genetic este universal. Acest fapt a fost dovedit prin studiul proteinelor biosintetizate in sisteme celulare libere, provenite de la bacterii si de la mamifere, sub influenta unor ARN sintetizati artificial. S-a constatat ca indiferent de originea sistemului celular liber se obtin aceleasi proteine, fapt ce constituie argumentul ca aminoacizii ce intra in alcatuirea proteinelor respective sunt codificate de aceeasi codoni. Tinandu-se seama de universalitatea codului genetic, s-a dedus ca are o origine foarte veche, luand nastere in insasi procesul de aparitie a vietii pe pamant.

Recent, s-a demonstrat existenta unor exceptii de la "universalitatea" codului genetic. Astfel, in genomul mitocondriilor (organite celulare de la eucariote) codul genetic prezinta mici deosebiri fata de cel "universal". De pilda, codonul UGA, care in nucleu are semnificatia de STOP, in genomul mitocondrial (ADN-mt) codifica aminoacidul triptofan. Existenta unor deosebiri minore in ADN-mt nu afecteaza in ansamblu, universalitatea codului genetic, acelasi la procariotele acelulare si celulare, precum si la eucariote.

Codul genetic este ambiguu, in sensul ca un anumit codon poate sa includa mai multe tipuri de aminoacizi intr-o proteina in functie de pozitia lui in catena. Altfel spus, ambiguitatea codului genetic este caracteristica prin care anticodonul din ARNt recunoaște doi codoni diferiti din ARNm. De exemplu, codonul GUG aflat la inceputul mesajului genetic (in molecula de ARNm) este recunoscut de ARNt pentru formil metionina, pe cand același codon aflat in interiorul moleculei de ARNm este recunoscut de ARNt pentru valina.

O alta caracteristica a codului genetic este modalitatea in care se realizeaza descifrarea mesajului genetic continut intr-o succesiune de nucleotide. S-a demonstrat ca citirea mesajului genetic se face intr-un singur sens, astfel ca, absenta unei singure nucleotide (deletia) sau adaugarea unei nucleotide (aditia) face ca mesajul sa fie citit eronat, in continuare.

Functiile materialului genetic (transcriptia si translatia informatiei genetice)

Rezultatele cercetarilor privind functiile materialului genetic pot fi sintetizate in relatia ADN  ARN proteine.

Conform acesteia informatia genetica se reproduce prin replicatie si este decodificata (transformata intr-o proteina sau enzima specifica) prin transcriptie si translatie

Transcriptia constituie fenomenul prin care informatia unei catene de ADN este transmisa la ARN-mesager (ARN-m), precum si altor tipuri de ARN.

Translatia inseamna transformarea unei secvente de nucleotide si respectiv de codoni din ARN-m intr-o secventa de aminoacizi in catena polipeptidica.

Dupa cum se stie, proteinele, care au un rol extrem de important structural si functional, sunt foarte variate in natura. Ele reprezinta, de regula, circa 50% din substanta uscata a celulelor. Unele proteine, precum colagenul, au rol in realizarea structurilor organismului, iar altele, cum sunt enzimele, au rol de a cataliza reactiile metabolice.

Sinteza proteinelor in vivo se realizeaza pe baza informatiei genetice din acizii nucleici.

Pana in prezent au fost identificate peste 100.000 proteine diferite, vegetale si animale. In linii mari, toate aceste proteine sunt alcatuite din variatia secventei a 20 de aminoacizi.

In procesul de sinteza proteica la nivel celular, intervin trei tipuri de acizi ribonucleici: ARN-mesager (ARN-m), ARN-ribozomal (ARN-r) si ARN-solubil (ARN-s), fiecare avand un rol bine determinat. Rolul ARN in decodificarea informatiei genetice a fost pus in evidenta de BRACHET si colab. (1950-1955), care au demonstrat ca in celula sinteza proteica este insotita de o marire considerabila a cantitatii de ARN.

Recent s-a descoperit ca unele ribovirusuri, la care materialul genetic este o molecula de ARN, sunt capabile sa determine in celula respectiva sinteza unui ADN cu ajutorul caruia se replica. Este pentru prima oara cand se demonstreaza experimental ca ARN-viral (ARN-v) poate servi ca matrita pentru sinteza ADN-ului. Fenomenul poarta denumirea de reverstranscriptie sau inverstranscriptie

Etapele sintezei proteice

Dependenta sintezei proteice de informatia genetica din nucleu a fost pusa in evidenta la alga monocelulara Acetabularia mediteraneea. Daca se indeparteaza nucleul celular, biosinteza proteinelor continua un timp in celula anucleata a algei, insa cu viteza redusa. Dupa aproximativ 20 de zile, activitatea biosintetica inceteaza complet si alga anucleata moare. Daca insa in acest timp se introduce un nucleu in citoplasma respectiva, in cateva minute alga isi reia pe deplin activitatea.

Prima etapa in procesul de sinteza proteica o constituie transcriptia informatiei din ADN in ARN-m.

Fenomenul de transcriptie a informatiei genetice de la ADN la ARN se realizeaza cu ajutorul enzimei ARN polimeraza. ARN-m copiaza informatia genetica numai a unei catene din macromolecula de ADN.

In celulele procariotelor, ARN-m copiaza informatia genetica a mai multor gene adiacente care alcatuiesc un operon. Ca urmare, se sintetizeaza mai multe proteine, de care celula are nevoie la un moment dat. Pe masura ce se sintetizeaza moleculele de ARN-m, incepe sinteza catenelor polipeptidice.

La eucariote, ARN-m copiaza, de regula, informatia genetica a unei singure gene. Acest ARN-m, dupa ce sufera unele modificari prin eliminarea secventelor non-informationale, migreaza in citoplasma, unde are loc sinteza proteica.

Prin transcriptia informatiei genetice se intelege nu numai sinteza ARN-m ci si a celorlalte doua tipuri de acizi ribonucleici (ARN-r si ARN-t), care sunt necesari pentru realizarea sintezei proteice.

A doua etapa a sintezei proteice este reprezentata de translatie, in urma careia o secventa de nucleotide din ARN-m este transformata intr-o secventa de aminoacizi in molecula proteica. ARN-m se cupleaza cu ribozomii din citoplasma formand poliribozomi. Concomitent are loc activarea aminoacizilor (AA) din citoplasma prin legarea lor de ATP (adenozintrifosfat), substanta chimica ce serveste ca donator de energie.

Cele trei faze ale biosintezei proteice pot fi redate sintetic astfel:

 AA~AMP+P~P

In aceasta faza un aminoacid oarecare AA este activat in urma reactiei cu molecula de ATP donatoare de energie sub influenta enzimelor denumite aminoacilsintetaze. Ca urmare, aminoacidul se leaga de AMP (adezinmonofosfat), iar doua grupuri fosfat sunt puse in libertate.

AA~AMP+ARN-t  AA~ARN-t+AMP

In aceasta faza are loc transferul aminoacizilor activi la ARN-t, sub influenta acelorasi enzime din etapa precedenta. Cu ajutorul moleculelor de ARN-t aminoacizii sunt transferati la locul sintezei proteice in ribozomi.

AA₁~ARN-t₁+AA₂~ARN-t₂ AA₁~AA₂+ARNt₁+ARN-t₂

In aceasta faza, aminoacizii, de exemplu, AA₁ si AA₂ se unesc intre ei prin legaturi peptidice cu ajutorul enzimelor peptidpolimeraze. Se formeaza in acest fel catene polipeptidice, iar moleculele de ARN-t sunt puse in libertate si sunt reciclate, adica refolosite in procesul sintezei proteice. De asemenea si ribozomii sunt reciclati in cursul sintezei proteice.

Gena. Structura si functii

In conceptia clasica, gena era definita de catre JOHANNSEN (1909), ca unitate a materialului genetic, localizata in cromozomi.

In organismele haploide genele se prezinta sub forma simpla, iar in cele diploide sub forma de alele. Tipul primar al genei (tipul salbatic) se modifica prin mutatii formand una sau mai multe alele ce afecteaza acelasi caracter. In cazul organismelor diploide descendentii primesc numai cate un membru al perechii respective de alele, de la fiecare genitor.

In conceptia clasica, gena are trei trasaturi de baza:

uniformitatea functionala, in sensul ca determina producerea unui efect fenotipic ;

unitate mutationala, prin care gena normala ce determina tipul salbatic se transforma prin mutatii in alela, sau alelele sale, astfel ca este afectat caracterul respectiv ;

unitate de recombinare genetica, prin care genele se pot transfera de pe un cromozom pe perechea sa, prin fenomenul de crossing-over.

Genele, pe baza localizarii lor pot sa fie autozomale si heterozomale. Determinarea pozitiei unei gene intr-un anumit cromozom a facut posibila alcatuirea hartilor genetice

Sub aspectul manifestarii lor genele pot sa fie recesive, dominante, codominante, epistatice, hipostatice, complementare sau indiferente.

In timp ce genele nucleare se transmit la descendenti si segrega dupa tipul mendelian, genele extranucleare prezinta un tip de mostenire nemendelian. Intre cele doua tipuri de gene de la organismele eucariote poate exista un fenomen de interactiune, in sensul ca cele nucleare pot determina functionarea sau nefunctionarea celor extranucleare, impreuna putand produce un anumit fenotip.

Apogeul in conceptia clasica despre gena a fost reprezentata de ipoteza o gena - o enzima, elaborata de BEADLE si TATUM (1941). Aceasta ipoteza poate fi sintetizata astfel:

Toate procesele biochimice din organisme sunt controlate genetic, fiecare reactie dintr-un lant metabolic fiind determinata primar de o gena. Intre gene si enzimele respective exista raportul de 1:1. Prin mutatia unei singure gene are loc blocarea sintezei enzimei corespunzatoare si a reactiei biochimice catalizata de ea. Ca urmare are loc blocarea intregului lant metabolic. Ipoteza considera ca fiecare gena controleaza sinteza, functionarea si specificitatea unei anumite enzime.

Notiunea de gena a evoluat foarte mult odata cu aparitia geneticii moleculare si a perfectionarii metodelor de investigatie la nivel molecular.

Gena in conceptia actuala poate fi definita drept un segment al macromoleculei de ADN (sau ARN in cazul unor virusuri), format dintr-o anumita secventa de nucleotide, care actioneaza ca o unitate functionala si care contine secventa nucleotidelor intr-o molecula de ARN-m (transcriptia genetica) si respectiv a aminoacizilor intr-o catena polipeptidica (translatia genetica)

Gena este alcatuita dintr-un mare numar de subloci potential mutabili, dispusi linear intr-o anumita ordine si intre care poate avea loc fenomenul recombinarii genetice.

Dimensiunea genelor este variabila, in functie de cantitatea de informatie genetica pe care o poseda. La bacterii s-a calculat ca in medie o gena este formata dintr-o secventa de 900-1.500 nucleotide, fiecare aminoacid fiind controlat genetic de o tripleta de nucleotide denumita codon

Daca o proteina este alcatuita dintr-o singura catena polipeptidica sau din mai multe dar identice, ea este codificata de o singura gena. In cazul cand molecula proteica este formata din mai multe catene polipeptidice nonidentice, ea este codificata de mai multe gene. De exemplu, hemoglobina A este alcatuita din 4 catene polipeptidice, identice doua cate doua ( si ), ea fiind codificata de doua gene diferite.

Sub aspect functional, genele pot fi clasificate in 4 categorii :

1) Gene structurale care determina secventa aminoacizilor intr-o catena polipeptidica, astfel ca intre secventa nucleotidelor in acidul nucleic si cea a aminoacizilor din proteina corespunzatoare se observa fenomenul colinearitatii

2) Gene reglatoare, au rolul de a controla sinteza proteica la nivelul celulei, in functie de conditiile de mediu extracelular sau de necesitatile functionale ale celulei.

3) Gene arhitecturale care asigura integrarea proteinelor sintetizate in structurile celulare.

4) Gene temporare care activeaza cele 3 tipuri de gene anterioare, pe baza unui program in timp si spatiu, astfel ca in organism se realizeaza fenomenul citodiferentierii

WADDINGTON (1965), a denumit intreaga serie de procese biochimice care duc de la gena la caracterul fenotipic respectiv sistem de actiune a genelor

In timp ce la procariote genele sunt formate dintr-o secventa de nucleotide continua, ce codifica o secventa de aminoacizi, la eucariote genele sunt alcatuite din segmente informationale, separate de segmente non-informationale. De exemplu, gena ce determina sinteza ovalbuminei la gaina este constituita din "bucati" prezentand intreruperi de secvente de nucleotide care este transcrisa in ARN-m. Aceasta inseamna ca in sapte regiuni ale genei exista insertii de secvente de nucleotide care nu sunt transcrise in ARN-m. Ca urmare, gena este alcatuita din segmente informationale, separate prin segmente de ADN non-informational, sau silentios. Secventele de nucleotide non-informationale incluse in gena respectiva se numesc introni. Au o marime variabila intre 300 si 1.400 perechi de nucleotide. Regiunile intercalare se numesc exoni si ele constituie cu adevarat gena.

In genomul eucariotelor exista un numar relativ mic de gene, comparativ cu cantitatea totala de ADN. De exemplu, la om, s-a calculat ca numarul posibil de gene ar fi egal cu 3 10⁶. In realitate, numarul de gene este mult mai mic, fiind egal cu 5 10⁴. Aceasta inseamna ca numai o mica parte din genomul uman este constituit din gene functionale, in timp ce cea mai mare parte din genom este constituita din ADN non-informational, cu alte roluri.

Functiile genelor si dogma centrala a geneticii

Genele au doua functii: autocatalitica si heterocatalitica. Dogma centrala a geneticii consta in faptul ca, informatia genetica se gaseste in ADN, ea putand fi replicata (functie autocatalitica) si decodificata prin transcriptie si translatie (functie heterocatalitica). Ca urmare, fluxul de informatii este unidirectional : ADNARN - proteine.

Functia autocatalitica a genelor. Consta in capacitatea lor de a se autoreplica cu mare fidelitate, astfel ca, in urma procesului diviziunii, celulele fiice mostenesc, de regula, aceleasi gene, existente si in celula mama.

La organismele pluricelulare, fiecare celula a organismului poseda totalitatea genelor caracteristice speciei respective, numai ca in celule specializate functioneaza anumite gene, restul gasindu-se in stare represata.

La plante s-a demonstrat ca atat celulele diploide ale organismului, cat si cele haploide, sunt capabile sa regenereze in culturi celulare intregul organism.

Deoarece la majoritatea organismelor materialul genetic este reprezentat de ADN si numai in cazul unor virusuri este reprezentat de ARN, functia autocatalitica a genelor este reprezentata de procesul de replicatie a acizilor nucleici. Acest proces se realizeaza dupa tipul semiconservativ, prin care moleculele de ADN nou sintetizate sunt formate dintr-o catena polinucleotidica veche si una nou sintetizata. Existenta complementaritatii nucleotidelor de-a lungul macromoleculei de acizi nucleici, permite sinteza materialului genetic, cu o mare fidelitate. Numai asa se poate explica stabilitatea relativa a organismelor vii, transmiterea informatiei genetice in cursul generatiilor succesive.

Functia heterocatalitica a genelor. Consta in capacitatea lor de a determina sinteze specifice de proteine, enzime si alte biomolecule. Aceasta inseamna ca informatia genetica pe care o contine fiecare gena este la un moment dat decodificata si transformata intr-o secventa de aminoacizi, adica in catene polipeptidice.

In fiecare celula de tip procariot sau eucariot, genele se gasesc, de regula, intr-un singur exemplar sau sub forma de alele, in timp ce numarul moleculelor proteice este foarte mare, de zeci sau sute de mii. Aceasta inseamna ca decodificarea informatiei genetice continuta in moleculele de ADN se realizeaza cu o viteza foarte mare, incat celulele pot sintetiza rapid cantitati mari de molecule proteice. Pentru aceasta exista un sistem de amplificare, prin care genele sunt copiate in numeroase exemplare de    ARN-m prin fenomenul de transcriptie si apoi prin translatie sunt transformate in secvente de aminoacizi, adica in catene polipeptidice.

Recent s-a descoperit ca la eucariote genele cuprind secvente de nucleotide informationale denumite exoni si secvente non-informationale denumite introni. Astfel, gena este alcatuita din mai multe bucati, din care numai exonii sunt transcrisi in ARN-m si informatia lor genetica este decodificata si transformata in secvențe de aminoacizi. In procesul de transcriptie intronii sunt eliminati.

De exemplu, gena ovalbuminei, a proteinei din albusul oualor de gaina, este format dintr-o secventa de 8 exoni si 7 introni, care alterneaza. Ca urmare, genele de la eucariote sunt mult mai mari decat cele de la procariote, deoarece au secvențe de ADN non-informational. Acest ultim tip de ADN are rol in procesul de evolutie prin duplicarea genelor.

Genele de la eucariote au o structura discontinua sau in mozaic.

Gene suprapuse. La bacteriofagul phix 174, care are un genom circular, s-au descoperit gene suprapuse. Gena A a acestui virus bacterian este mai mare, iar gena B de dimensiuni mai reduse, fiind inclus in gene A. De asemenea genele D si E sunt suprapuse (fig. 6.11.). Aceasta inseamna ca sinteza ARN-m poate incepe din doua puncte diferite ale aceleasi gene, astfel

ca se pot sintetiza doua catene polipeptidice de marimi diferite.

Pseudogene. In genomul unor eucariote au fost evidentiate pseudogene, adica niste gene relicte, care si-au pierdut functiile si care au numai rol in mentinerea arhitecturii moleculare a cromozomilor. Astfel de gene se regasesc in familia genelor hemoglobinelor, a imunoglobinelor etc. cu care se inrudesc structural. Fiind nefunctionale, pseudogenele acumuleaza mutatii cu o frecventa marita.

Elemente genetice transpozabile

Elementele genetice transpozabile sau transpozonii sunt segmente de ADN de 750-40.000 perechi de baze, capabile sa circule in cadrul genomului atat la procariote, cat si la eucariote si sa se insere in diverse locusuri. Ele pot determina mutatii genice, restructurari cromozomale, activarea unor gene silentioase, inactivarea unor gene etc. Traspozonii sunt de doua tipuri :

traspozoni simpli, mai mici ca dimensiuni si care contin numai gena traspozazei, enzima cu ajutorul careia se realizeaza transpozitia ;

transpozoni complecsi, de dimensiuni mai mari, care pe langa gena traspozazei contin una sau mai multe gene care sunt transpozate dintr-un locus in altul al genomului.

Inducerea transpozitiei se realizeaza in conditii de stress provocat de agentii fizici (radiatii, socuri de temperatura) si chimici (substante mutagene, poluante etc.) sau prin cultura de celule si tesuturi pe medii artificiale. In aceste conditii se produce o destabilizare a genomului, fapt ce determina o mare variabilitate genetica. Aceasta permite o capacitate marita de adaptare a organismelor la conditiile nefavorabile de mediu si bineinteles supraviatuirea. Elementele genetice transpozabile au un rol important in evolutia rapida a organismelor vii in conditii de stress.