Genetica moleculară: structura ADN, ARN și replicarea

Genetica moleculară studiază acizii nucleici — ADN-ul și ARN-ul — și modul în care informația ereditară este stocată, copiată și exprimată. La BAC biologie (B2), Subiectul al II-lea conține frecvent o problemă cu un fragment de ADN: număr de nucleotide, legături de hidrogen, catena complementară. Ca s-o rezolvi sigur, ai nevoie de structura ADN-ului înțeleasă bine, nu memorată pe bucăți.

Nucleotidul: unitatea de bază a acizilor nucleici

ADN-ul și ARN-ul sunt polinucleotide — lanțuri lungi de nucleotide. Fiecare nucleotid are trei componente:

• o bază azotată: purinele adenina (A) și guanina (G), cu două cicluri, și pirimidinele citozina (C), timina (T) și uracilul (U), cu un singur ciclu;
• o pentoză (zahăr cu cinci atomi de carbon): dezoxiriboza în ADN, riboza în ARN;
• o grupare fosfat (acid fosforic).

Nucleotidele se leagă între ele prin legături între pentoza unui nucleotid și fosfatul următorului, formând „scheletul” catenei. Bazele azotate rămân orientate lateral și determină secvența, adică informația genetică propriu-zisă.

Structura ADN-ului: dublul helix

Modelul dublului helix a fost propus de James Watson și Francis Crick în 1953, folosind și imaginile de difracție cu raze X obținute de Rosalind Franklin. Caracteristicile pe care trebuie să le poți enumera:

• ADN-ul este bicatenar: două catene răsucite una în jurul celeilalte, ca o scară spiralată.
• Catenele sunt antiparalele: una are orientarea 5'→3', cealaltă 3'→5'.
• Catenele sunt complementare: bazele se împerechează strict — A cu T, prin 2 legături de hidrogen (legătură dublă), și G cu C, prin 3 legături de hidrogen (legătură triplă).
• O purină se împerechează întotdeauna cu o pirimidină, de aceea diametrul moleculei este constant.

Din complementaritate rezultă regula lui Chargaff: într-un ADN bicatenar, numărul de A este egal cu numărul de T, iar numărul de G este egal cu numărul de C. Deci A + G = T + C (purine = pirimidine). Pe această regulă se bazează toate calculele de la BAC.

La eucariote, ADN-ul se află mai ales în nucleu, unde se asociază cu proteine (histone) și formează cromatina, care în diviziune se condensează în cromozomi — vezi mitoza pe etape. Mai există ADN în mitocondrii și, la plante, în cloroplaste. La procariote, ADN-ul este circular și se află liber în citoplasmă, în zona numită nucleoid.

ARN-ul: tipuri și diferențe față de ADN

Cele trei tipuri de ARN implicate în sinteza proteinelor sunt:

• ARN mesager (ARNm) — copiază informația unei gene și o duce la ribozomi; conține codonii.
• ARN de transport (ARNt) — aduce aminoacizii la ribozom; are un anticodon complementar codonului.
• ARN ribozomal (ARNr) — intră, alături de proteine, în structura ribozomilor.

Mecanismul transcripției și al traducerii, cu rolul fiecărui tip de ARN, este explicat pas cu pas în articolul despre sinteza proteinelor.

Replicarea ADN-ului

Replicarea (autocopierea) este procesul prin care o moleculă de ADN formează două molecule identice. Are loc în faza S a interfazei, înainte de diviziune, astfel încât fiecare celulă-fiică să primească o copie completă a informației genetice.

1. Enzime specifice (helicaze) rup legăturile de hidrogen dintre baze și desfac cele două catene, formând o „furcă de replicare”.
2. Fiecare catenă veche servește drept matriță.
3. ADN-polimeraza adaugă nucleotide libere complementare (A în dreptul lui T, G în dreptul lui C), sintetizând catena nouă numai în sensul 5'→3'.
4. Deoarece catenele sunt antiparalele, o catenă nouă se sintetizează continuu, iar cealaltă discontinuu, în fragmente scurte (fragmente Okazaki), unite apoi de o enzimă numită ligază.

Replicarea este semiconservativă: fiecare dintre cele două molecule rezultate conține o catenă veche (parentală) și una nou-sintetizată. Erorile de replicare care nu sunt corectate devin mutații genice, una dintre sursele variabilității genetice.

Codul genetic, pe scurt

Informația din ARNm se citește în grupe de câte trei nucleotide, numite codoni. Cu patru baze se pot forma 4³ = 64 de codoni: 61 codifică aminoacizi, iar 3 sunt codoni stop. Codonul AUG are rol de start. Codul genetic este universal (același la aproape toate organismele) și degenerat (un aminoacid poate fi codificat de mai mulți codoni).

Problema clasică de BAC, rezolvată

Pentru strategia completă la acest tip de probleme, inclusiv cum îți formulezi singur cerința suplimentară de la final, vezi cum rezolvi problemele de genetică de la BAC.

Greșeli frecvente

• Împărțirea greșită: dacă știi C, scazi C + G (adică dublul lui C), nu doar C.
• Scrierea timinei în ARN sau a uracilului în ADN.
• Uitarea orientării catenelor (5'-3' / 3'-5') la scrierea catenei complementare.
• „Replicarea are loc în profază” — are loc în interfază, în faza S.