Genetica moleculară
Genetica moleculară este domeniul geneticii care studiază structura și funcția genelor la nivel molecular .
Acțiunea și natura chimică a genelor
Când legile lui Mendel au fost redescoperite și extinse la începutul anilor 1900, cercetătorii s-au întrebat cum genele pot determina caracteristicile ereditare ale unui individ.
Un experiment iluminant a fost următorul. Au fost selectate tulpini de șoareci care ar putea fi considerate linii practic pure . Cercetătorii au încrucișat două tulpini diferite, ambele albinoase : contrar tuturor previziunilor, toți descendenții primei generații hibride au fost pigmentați. Acest lucru părea să contravină legilor eredității, deoarece albinismul este un fenotip recesiv și, prin urmare, părinții albini ai șoarecilor pigmentați ar fi trebuit să lipsească în totalitate de genele necesare pentru a produce melanină . Din punctul de vedere al geneticii formale , acest lucru se poate explica presupunând că doi loci sunt implicați în producția de melanină, pe care o vom numi „A” și „B”, și că atât o alelă A cât și o B sunt necesare pentru produce pigmentul. Totul se explică presupunând că o tulpină parentală avea genotipul aaBB și cealaltă AAbb. Puii au fost toți AaBb, deci atât „factorul A”, cât și „factorul B” au fost disponibili pentru a produce pigmentare.
Necesitatea a doi loci poate primi o explicație biochimică dacă genele sunt admise pentru a produce enzime . Să presupunem că locii A și B codifică două enzime diferite aferente aceluiași lanț metabolic pentru producerea de melanină. Să presupunem, de asemenea, că alela A produce enzima necesară pentru a se produce o reacție în timp ce alela a nu funcționează și că B produce enzima pentru o altă reacție în timp ce b este inactiv. Fiecare tulpină de șoarece nu avea o enzimă, astfel încât lanțul metabolic a fost oricum rupt. Această situație se numește bloc metabolic . Pe cruci, pe de altă parte, deoarece exista o alelă funcțională pentru ambii loci, toate enzimele erau prezente, astfel încât lanțul metabolic să poată avea loc.
Din fapte experimentale de tipul descris, a fost posibil să se tragă ipoteza că o enzimă corespundea fiecărei gene. Cu toate acestea, chiar și proteinele neenzimatice sunt prezente în diferite forme ereditare, în plus, există proteine formate din mai multe lanțuri polipeptidice diferite. Astăzi, prin urmare, se știe că un lanț polipeptidic corespunde fiecărei gene (structurale) .
Natura chimică
A rămas să definim din ce gene au fost făcute. Cromozomii eucariotelor conțin în principal două tipuri de macromolecule: proteine și acizi nucleici .
Răspunsul a venit de la cele mai simple organisme. În 1928 a fost descoperit principiul transformării bacteriene . Bacteriile se reproduc numai asexual, printr-o simplă divizare a celulei unice în două celule identice genetic: aceasta înseamnă că se pot obține cu ușurință tulpini de bacterii identice genetic. Cu toate acestea, s-a verificat că, prin adăugarea extractului de bacterii moarte ale unei tulpini diferite genetic la o cultură a unei tulpini, bacteriile au apărut în cultura care avea caracteristici genetice ale tulpinii „donatoare”. Acest lucru a indicat faptul că, chiar și prin distrugerea fizică a celulelor, genele și-au păstrat identitatea și ar putea fi absorbite de bacteriile vii care le-au integrat în genomul lor.
În 1943, Avery, MacLeod și McCarty au izolat două tulpini de Diplococcus pneumoniæ (o bacterie care poate produce pneumonie la mamifere). O tulpină a fost virulentă, adică a ucis șoarecii injectați, cealaltă a fost non-virulentă. Prin adăugarea unui extract de bacterii virulente moarte la o cultură de bacterii non-virulente, au apărut bacteriile virulente. Extractul de bacterii virulente trebuie să conțină gene: dar care dintre diferitele substanțe prezente le-a constituit? Evident că trebuia să fie o macromoleculă , dar care?
Cercetătorii au separat apoi chimic polizaharidele , proteinele și acizii nucleici de extract și le-au adăugat separat la culturile de bacterii non-virulente. Doar culturile la care s-au adăugat acizi nucleici au devenit virulente. Digerând acizii nucleici cu o enzimă care degradează ARN - ul, capacitatea de transformare a fost păstrată, nu dacă s-a digerat ADN - ul cu o enzimă specială. Astfel s-a demonstrat că principiul transformator (adică materialul care constituie genele) este ADN-ul .
Acest rezultat a fost surprinzător: până atunci s-a considerat plauzibil că informațiile genetice au fost transportate de proteine, deoarece acestea sunt mai complexe, fiind alcătuite din douăzeci de tipuri de aminoacizi împotriva a doar patru dezoxiribonucleotide din ADN.
Rolul ADN-ului este confirmat și de faptul că este posibil să se inducă anumite celule să producă virioni complet, tratându-le doar cu acidul nucleic al anumitor viruși .
Informații genetice
Informațiile genetice rezidă în esență în ADN.
Deoarece în fiecare poziție într-o catenă ADN pot exista 4 dezoxiribonucleotide diferite, fiecare dintre ele conține 2 biți de informații (din moment ce 2 2 = 4).
Informațiile genetice sunt reproduse înainte ca o celulă să se împartă prin replicarea ADN- ului .
Informațiile unui fragment de ADN sunt copiate într-un fir Rna cu un proces numit transcripție . În acest caz, nu este modificat substanțial, deoarece ribonucleotidele sunt foarte asemănătoare cu deoxiribonucleotidele corespunzătoare.
Cel mai abundent tip de ARN este mesagerul (ARNm) care are funcția de a transporta informații de la ADN la ribozomi care produc proteinele. Acestea sunt molecule de scurtă durată, care sunt apoi degradate.
Ribozomul, în efectuarea sintezei proteinelor, trebuie să interpreteze o secvență de nucleotide și să producă o secvență precisă de aminoacizi. În proteinele normale există aproximativ 20 de tipuri de aminoacizi: fiecare aminoacid necesită să fie determinat între 4 și 5 biți de informații (din moment ce 2 4 = 16 și 2 5 = 32). Prin urmare, este necesară o secvență de 3 nucleotide ( triplet ) pentru a reprezenta un aminoacid.
Codul genetic este regula corespondenței dintre triplete și aminoacizi: este același pentru toate organismele terestre și aceasta este o dovadă puternică în favoarea originii comune a tuturor speciilor pe care le cunoaștem. Deoarece tripletele sunt 64 (4 3 ), există triplete sinonime (care indică același aminoacid): se spune că codul genetic este degenerat . Există, de asemenea, trei tripleți aiurea, care nu reprezintă niciun aminoacid și indică sfârșitul lanțului proteic.
Toate substanțele organice nu foarte simple prezente într-un organism sunt proteine sau sunt produse de proteine enzimatice: prin urmare, genele determină compoziția individului.
Următoarea diagramă arată fluxul de informații genetice (sau expresia genelor ):
Diagrama de mai sus arată ceea ce se numește „ dogma centrală a geneticii ”. În anii 1970 s-a constatat că există excepții de la direcția fluxului informațional.
În unele virusuri, genomul este alcătuit din ARN, care se reproduce în două moduri.
- În retrovirusuri există transcripție inversă, care este producerea de ADN pornind de la ARN-ul viral. Acest ADN devine parte a genomului celulei gazdă și noua RNA virală este obținută din transcrierea sa.
- În alte virusuri, ARN-ul viral se reproduce în mod similar cu ADN-ul.
Cu toate acestea, în toate organismele bazate pe celule, ADN-ul este singura moleculă care garantează continuitatea caracteristicilor ereditare.
Mutațiile
Mutațiile sunt caracteristici genotipice ale unui individ care nu au fost prezente la părinți. Ele apar din erori în replicarea genomului. Acestea sunt împărțite în:
1) mutații ale liniei germinale , sunt transmise descendenților prin intermediul gametilor. Ele sunt prezente în toate celulele individului. Pot fi de trei tipuri:
- monogen sau mendelian , în care este implicată o singură genă
- mitocondriale datorate mutațiilor ADN-ului mitocondrial
- multifactorial , în care sunt implicate două sau mai multe gene, fiecare dintre acestea fiind necesară, dar nu suficientă pentru a declanșa o boală, precum și influența mai multor factori de mediu
- cromozomiale , datorate anomaliilor structurale ale cromozomilor
- genomic , constând în anomalii ale numărului de cromozomi
2) mutații somatice , care apar într-o singură celulă a organismului și transmise descendenților săi pentru a constitui o clonă celulară. Ele nu pot fi transmise descendenților deoarece implică celule care nu dau naștere la celule ale descendenților; sunt implicați în carcinogeneză și îmbătrânire.
Mutații punctuale
Mutațiile care implică o mică parte a unei gene sunt numite punctiforme.
Dacă mutația apare într-o parte a genei care este tradusă, putem avea, dacă este implicată o singură nucleotidă:
- un înlocuitor care poate fi
- greșeală , dacă transformă tripletul în altul care codifică un alt aminoacid producător
- efect mic dacă aminoacidul este înlocuit cu unul similar și / sau nu se găsește într-o porțiune importantă a proteinei
- un efect vizibil dacă noul aminoacid este foarte diferit și / sau se află într-o poziție importantă în proteină
- samesense (în italiană „silent”), dacă noul triplet este tradus în același aminoacid, fără efect asupra proteinei produse
- prostii dacă transformă un triplet de codificare într-unul dintre cele trei triplete care indică sfârșitul lanțului de aminoacizi, cu scurtarea proteinei produse
- greșeală , dacă transformă tripletul în altul care codifică un alt aminoacid producător
- o inserție sau o ștergere care produc o schimbare de fază sau mai bine o „schimbare de cadru”, adică o grupare de nucleotide succesive în triplete diferite de cele originale. De exemplu, dacă secvența de codare a fost CAT CAT CAT ..., ștergerea A a primului triplet determină următoarea alunecare a cadrelor: CTC ATC AT ... ll
Genele reglatoare
Secvențele de nucleotide care sunt traduse în proteine sunt genele structurale . Ele reprezintă doar o parte a genomului. Multe secvențe genetice netraduse au funcția de a regla funcționarea genomului și sunt numite gene reglatoare. Primul mecanism de reglare a transcrierii genetice care a fost studiat este operonul lactozei Escherichia coli .
Reglarea genetică poate fi, de asemenea, mult mai complexă. La eucariote este complicat de faptul că genele sunt discontinue ( gene divizate ). Aceste gene sunt formate prin alternarea secvențelor traduse ( exoni ) și a altora care nu au corespondent în proteină ( introni ): acesta din urmă trebuie îndepărtat înainte ca mesagerul să părăsească nucleul și să fie tradus. Procesul de maturare a ARNm, necesar traducerii sale, reprezintă o altă ocazie pentru reglarea expresiei genelor.
Genele de reglementare joacă un rol crucial în determinarea caracteristicilor organismelor. Acest lucru este și mai evident în organismele multicelulare, cum ar fi omul, în care toate celulele au același genom, deși multe gene sunt exprimate numai în anumite tipuri de celule și numai în anumite momente din viața lor.
Elemente conexe
linkuri externe
- (EN) Molecular Genetics , of Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
| Controlul autorității | Tesauro BNCF 19250 · LCCN (EN) sh85086586 · GND (DE) 4039987-4 · BNF (FR) cb11931559r (dată) · BNE (ES) XX528224 (dată) · NDL (EN, JA) 00.570.313 |
|---|
