Numele provine de la structura sa formata din molecule de zahar si fostat care se leaga de molecule de baze azotate. Astfel „dezoxiribo” se refera la zahar, iar „acid nucleic” se refera la fosfat si baze azotate. Bazele azotate, zaharul si fosfatul formeaza unitatea structurala de baza a ADN-ului denumita nucleotid. Nucleotidele sunt organizate in doua lanturi (catene) care sunt rasucite unul in jurul celuilalt, asemanatoare unei scari spiralate, formand modelul tridimensional al ADN-ului de dublu helix. Ordinea insiruirii bazelor azotate in molecula de ADN, una dupa alta (secventierea bazelor) este cea care este raspunzatoare de complexitatea enorma a informatiei codificate in ADN.
Cromozomii sunt lanturi de ADN impachetate strans. In nucleul fiecarei celule, o spirala lunga de ADN este organizata structural in cromozomi. La om exista 46 de cromozomi grupati in 23 de perechi. Fiecare cromozom contine mai multe gene. Genele sunt portiuni din ADN care codifica o anumita proteina. Se estimeaza ca oamenii au intre 20.000 si 30.000 de gene localizate in cei 46 de cromozomi. Informatia genetica totala stocata in cromozomii unui organism constituie genomul sau.
Unde se gaseste ADN-ul?
ADN-ul se gaseste practic in orice celula:
- In organismele unicelulare - bacterii sau protozoare
- In organismele pluricelulare - vegetale sau animale, inclusiv omul
- Chiar si in structura interna a unor virusuri
Exceptie sunt hematiile (eritrocitele sau globulele rosii ale sangelui) si celulele cristalinului ocular. Aceste celule devin functionale doar dupa ce pierd prin expulzare nucleul, impreuna cu alte organite. Ca urmare, ele nu mai indeplinesc criteriile care definesc o celula vie: de a se putea divide, respectiv intretine ("repara").
Cantitatea de ADN continuta in celule, denumita si patrimoniul genetic, nu este corelata cu complexitatea organismului. De exemplu, exista specii mai putin „complexe” decat omul, dar cu un patrimoniu genetic mai bogat cantitativ decat al acestuia.
Majoritatea ADN-ului este localizat in nucleul celular si se numeste ADN nuclear. O cantitate mica de ADN se gaseste in mitocondrii (ADN mitocondrial). Mitocondriile sunt structuri (organite) din interiorul celulelor responsabile cu productia de energie necesara functionarii fiecarei celule. Setul complet de ADN nuclear al unui organism se numeste genom.
Care este structura ADN-ul?
ADN-ul este format dintr-o insiruire de molecule denumite nucleotide.
Fiecare nucleotid este format dintr-un zahar (marcat cu roz din imagine) legat la un capat de o grupare fosfat (albastru), iar la celalalt capat de o baza azotata (galben). ADN-ul este o polinucleotida in structura caruia se repeta un anumit set de nucleotide. Nucleotidele sunt aranjate in doua lanturi lungi rasucite care formeaza o spirala denumita dubla helix. Forma acesteia poate fi asemanata cu o scara spiralata, in care perechile de baze unite formeaza treptele scarii, iar moleculele de zahar si fosfat formeaza partile laterale verticale ale scarii.
Nucleotidele reprezinta unitatea de baza a ADN-ului care stocheaza informatia ca un cod. Bazele azotate din nucleotide pot fi asemanate cu “literele” dintr-un alfabet. In acest caz este vorba de un alfabet format doar din 4 litere. Desi ADN-ul este o structura simpla formata doar din 4 baze azotate, ordinea insiruirii acestora este cea care este raspunzatoare de complexitatea enorma a informatiei codificate in ADN. Asemanator modului in care literele alfabetului apar intr-o anumita ordine pentru a forma cuvinte, ordinea sau secventa acestor baze azotate formeaza codul genetic al unei fiinte vii - „cartea cu instructiuni” care la om contine 3.27 miliarde de „litere”.
Cele 4 baze azotate sunt: adenina, timina, citozina si guanina:
- Atunci cand se refera la bazele azotate din structura nucleotidelor, oamenii de stiinta folosesc initialele denumirilor lor: A, T, C si G.
- Cele patru baze (A, C, T si G) nu se pot combina decat intr-un mod predeterminat. Fiecarea baza poate forma o pereche doar cu o alta baza: o baza de tip A, in orice parte a lantului s-ar afla, nu se poate combina decat cu o baza de tip T, si invers; in mod similar, G nu se poate combina decat cu C, si invers; astfel, exista perechi de tipul A si T (adenina si timina) sau G si C (citozina si guanina). Ca urmare, daca se cunoaste o parte laterala a unei trepte a scarii, in mod automat cealalta este cunoscuta si ea.
- Ordinea sau secventa bazelor azotate determina instructiunile biologice continute in ADN. De exemplu, secventa ATCGTT codifica informatia pentru culoarea albastra a ochilor, iar secventa ATCGCT pentru ochii caprui.
Ce sunt cromozomii?
In nucleul fiecarei celule, molecula de ADN este ambalata in structuri denumite cromozomi.
Deoarece nucleul este foarte mic si deoarece organismele au mai multe molecule de ADN, fiecare molecula trebuie impachetata foarte strans sub forma de cromozom. In timpul replicarii ADN-ului, lanturile de ADN se desfasoara astfel incat sa poata fi copiate. Alteori in ciclul celular, ADN-ul se desfasoara, astfel incat instructiunile incluse in el sa poata fi folosite pentru a produce proteine si pentru alte procese biologice. Doar in timpul diviziunii celulare, ADN-ul se afla in forma sa compacta de cromozom pentru a permite transferul informatiei genetice la noua celula care se formeaza.
Atunci cand celula nu se divide, cromozomii nu sunt vizibili in nucleul celulei. In schimb, in timpul diviziunii celulare, ADN-ul care formeaza cromozomii este impachetat foarte strans de multe ori in jurul unor proteine numite histone care ii sustin structura si devine vizibil la microscop. Majoritatea informatiei despre cromozomi a fost obtinuta in urma a ceea ce oamenii de stiinta au invatat prin observarea cromozomilor in timpul diviziunii celulare.
Celulele umane contin 46 de cromozomi grupati in 23 perechi:
- 22 de perechi de cromozomi sunt identici la femei si barbati si sunt numerotati in ordine descrescatoare a dimensiunii lor.
- A 23-a pereche reprezentata de cromozomii sexuali este diferita - XX la femeie si XY la barbati.
- Fiecare copil mosteneste un set de cromozomi (23 de cromozomi) de la mama si unul de la tata.
- In mod obisnuit o persoana de sex feminin are un cariotip (formula cromozomica) 46, XX, iar o persoana de sex masculin, 46, XY.
In cazul unei anomalii cromozomiale, formula cromozomica va fi anormala. Bolile cromozomice pot sa apara in urma unor anomalii numerice ale cromozomilor - ca de exemplu trisomia 21 sau sindromul Down, trisomia 18 sau sindromul Edwards sau monosomia X sau sindromul Turner - sau ca urmare a unor anomalii in structura normala a cromozomilor.
Fiecare cromozom are un punct de constrictie numit centromer, care imparte cromozomul in doua „brate”. Bratul scurt al cromozomului este notat „p”, iar bratul lung al cromozomului este notat „q”. De exemplu: 14q21 reprezinta pozitia 21 pe bratul lung q al cromozomului 14. Locatia centromerului pe fiecare cromozom confera cromozomului forma sa caracteristica si poate fi folosita pentru a ajuta la descrierea locatiei unor gene specifice. De exemplu, pentru locatia genei fibrozei chistice CFTR se foloseste simbolul 7q31.2, care indica ca gena se afla pe cromozomul 7, bratul lung q, banda 3, sub-banda 1 si sub-sub-banda 2.
Ce sunt genele?
Genele sunt secvente de ADN care codifica o anumita proteina (contin informatia genetica pentru sinteza unei proteine). Fiecare cromozom contine sute pana la mii de gene.
Cercetatori din toata lumea au lucrat pentru a determina secventa genomului uman in cadrul proiectului international de cercetare Human Genome Project finalizat in anul 2003. Se estimeaza ca oamenii au intre 20.000 si 30.000 de gene localizate in cei 46 de cromozomi.
- La om, genele variaza in marime de la cateva sute de baze azotate la mai mult de 1 milion de baze.
- Fiecare persoana are doua copii ale aceleiasi gene, fiecare mostenita de la fiecare parinte.
- Alelele sunt forme ale aceleiasi gene cu mici diferente in secventa de baze azotate din structura ADN-ului. Aceste mici diferente contribuie la caracteristicile fizice unice ale fiecarei persoane.
- Oamenii de stiinta identifica genele dandu-le nume unice. Deoarece numele genelor pot fi lungi, li se atribuie simboluri, care sunt combinatii scurte de litere (si uneori numere) care reprezinta o versiune prescurtata a numelui genei. De exemplu, gena localizata pe cromozomul 7 care a fost asociata cu fibroza chistica se numeste gena reglatorului conductantei transmembranare in fibroza chistica - simbolul sau este gena CFTR (Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator).
Ce este genomul?
Genomul este setul complet de ADN al unui organism. Genomul uman contine 3.27 miliarde de perechi de baze azotate, care se afla in cele 23 de perechi de cromozomi in nucleul tuturor celulelor noastre. Fiecare cromozom contine sute pana la mii de gene, care poarta instructiunile pentru fabricarea proteinelor. Fiecare dintre cele 30.000 de gene estimate din genomul uman produce in medie trei proteine.
ADN-ul ne face unici sau este acelasi la toti?
99.9% din totalitatea genelor sunt aceleasi la toti oamenii. Ceea ce ne face insa unici reprezinta doar 0.1% din genomul uman.
Acest procent poate sa insemne foarte putin. Insa tinand cont ca ADN-ul este format din peste 3 miliarde de baze azotate, 0.1% inca reprezinta foarte mult. Aceste 3 milioane de baze diferite de la o persoana la alta sunt raspunzatoare de diferentele la nivelul trasaturilor fetei, ca de exemplu par rosu in loc de blond sau ochi verzi in loc de ochi albastri. De asemenea, aceste diferente in ADN sunt raspunzatoare de riscul diferit de a fi obez sau de a face o boala de inima, de a fi intolerant la lactoza sau de a alerga mai repede decat o alta persoana.
Cat de diferiti suntem comparativ cu alte animale sau plante?
- Cimpanzeu: 96% identici
- Soarece: 85% identici
- Vaca: 90% identici
- Pui: 60% identici
- Musca: 61% identici
- Banana: 60% identici
Ce rol are ADN-ul?
ADN-ul contine instructiunile necesare pentru ca un organism sa se dezvolte, sa supravietuiasca si sa se reproduca.
ADN-ul indeplineste aceste roluri prin 2 functii de baza:
- Sinteza de proteine, care sunt molecule complexe care indeplinesc roluri importante in organism
- Replicarea, care este proprietatea de a face copii identice care sa fie transmise celulelor „fiice” in momentul in care celula „mama” se divide
Sinteza de proteine
Pentru a mentine un organism viu, informatia din gene trebuie convertita in mesaje care pot fi folosite pentru a produce proteine, care sunt molecule complexe care indeplinesc variate si importante roluri in corpul nostru. Un exemplu este gena OR6A2 care codifica un receptor olfactiv, o proteina care detecteaza mirosurile la nivelul nasului. Un alt exemplu este gena HBA1 care contine instructiuni pentru sinteza unei proteine denumita alfa-proteina care este o componenta a hemoglobinei, proteina care se gaseste in globulele rosii din sange (eritrocite) si care are rolul de a transporta oxigenul din plamani catre toate celulele organismului.
Secventa de baze din ADN care contine instructiuni pentru a produce o proteina este cunoscuta sub denumirea de gena. Desi aceasta este o functie de baza, doar 1% din totatul de ADN-ului este sub forma de gene. Restul de 99% este implicat in reglarea - cand, cum si cat de mult - sintezei de proteine (ADN care nu codifica).
- La om, dimensiunea unei gene poate varia foarte mult, de la 1000 de baze azotate la 1 milion de baze.
- Codul inscris in gene este citit in grupuri de 3 baze azotate. Fiecare triplet de 3 baze este denumit codon si contine informatia pentru un anumit aminoacid. Mai multi codoni la un loc codifica o proteina. Cand un codon este citit, se sintetizeaza un anumit aminoacid care va fi atasat aminoacidului anterior produs in cadrul procesului de sinteza a unei proteine.
- Exista 20 de tipuri de aminoacizi care formeaza structura proteinelor. Fiecare combinatie de aminoacizi va determina o alta proteina.
Procesul prin care instructiunile din ADN sunt folosite pentru a produce proteine decurge in doua etape:
Transcrierea - codul din ADN este copiat pentru a se forma ARNm
- Anumite substante denumite enzime citesc informatia din ADN si o transcriu intr-o molecula intermediara denumita ARN mesager (ARNm). ARN mesager este o copie a ADN-ului, insa este format dintr-un singur lant. In plus, ARM mesager nu contine baza azotata timina (T) care este inlocuita cu uracil (U).
Translatia - ARNm este translatat in aminoacizi
- In continuare, informatiile continute in molecula de ARNm sunt traduse in „limbajul” aminoacizilor, care sunt unitatile de baza care construiesc o proteina. ARN mesager este citit in sectiuni de 3 litere (care formeaza un codon). Fiecare codon specifica un anumit aminoacid. De exemplu, codonul GUC contine informatia genetica pentru aminoacidul valina.
- Odata ce se produce un aminoacid, urmatorul codon este citit si se formeaza la rand un alt aminoacid, samd.
- Prin intermediul acestui limbaj li se comunica unor organite speciale din celula - care pot fi asemanate cu o masina care produce proteine - ordinea precisa in care sa se formeze si sa se lege aminoacizii pentru a produce o anumita proteina. Aceasta este o sarcina majora, deoarece exista 20 de tipuri de aminoacizi, care pot fi ordonati foarte diferit, formand astfel o multitudine de proteine.
Replicarea
O proprietate importanta a ADN-ului este capacitatea acestuia de a se replica, adica de a face copii identice ale lui insusi. Fiecare catena de ADN din dublu helix poate servi ca model pentru duplicarea secventei de baze azotate. Aceasta proprietate este esentiala atunci cand celulele se divid, deoarece fiecare celula „fiica” noua trebuie sa aiba o copie exacta a ADN-ului prezent in celula „mama”.
Replicarea moleculei de ADN este posibila prin „desfacerea” dublu helixului „de-a lungul” lui, prin dezintegrarea „treptelor” prin actiunea unor proteine (enzime). Cele doua catene rezultante sunt copiate cu ajutorul unui complex proteic numit ADN-polimeraza. Cum fiecare baza azotata de pe catena initiala nu se poate combina decat cu perechea ei predeterminata, rezultatul final va consta din doua secvente ADN identice.
Ce sunt mutatiile genetice?
Mutatiile sunt practic o alterare a unei parti din informatia din ADN si apar ca imperfectiuni in procesul de replicare a ADN-ului. De exemplu, este de ajuns ca in procesul de replicare a ADN-ului sa se stearga o singura pereche de baze azotate dintr-o gena, pentru ca toata functia genei sa fie abolita. Astfel, acea gena va codifica alt aminoacid, si astfel se va obtine o alta proteina, cu o functie biologica diferita fata de cea a proteinei normale.
- Exista diverse modalitati prin care pot sa apara mutatiile, ca de exemplu, o baza este in mod accidental ignorata („sarita”), introdusa sau copiata imperfect sau lantul este taiat prea devreme sau i se adauga baze la capete.
- Aceste mutatii sunt provocate de asa numitii factori mutageni externi, ca de exemplu radiatiile cosmice, anumite substante chimice, etc. sau de imperfecta fidelitate a sintezei enzimatice (ADN-polimeraza) a ADN-ului care nu va produce o copie identica a lantului de ADN.
Ce este ADN-ul care nu codifica?
Doar 1% din ADN este sub forma de gene care codifica proteine, restul de 99% este ADN care nu codifica, adica nu contine instructiuni pentru sinteza proteinelor. Initial s-a crezut ca acest ADN este nevaloros si ca nu are un scop precis. Ulterior, oamenii de stiinta au inteles ca cel putin o parte din acest ADN care nu codifica are un rol integrant in functia celulelor, in special in controlul activitatii genelor.
De exemplu, ADN-ul care nu codifica contine secvente de nucleotide care actioneaza ca elemente reglatoare, determinand cand si unde genele sunt activate sau stopate. Astfel de elemente ofera zone pentru proteine specializate (denumite factori de transcriptie) pentru a se atasa (lega) si a activa, respectiv a reprima procesul prin care informatia din gene este transcrisa in proteine.
Istoria descoperirii ADN-ului si a genomului uman
ADN-ul a fost observat pentru prima data in anul 1869 de biochimistul elvetian Friedrich Miescher, potrivit unui articol publicat in 2005 in revista Developmental Biology. Miescher a folosit metode biochimice pentru a izola ADN-ul din celulele albe din sange si spermatozoizi si a stabilit ca este foarte diferit de proteine. Biochimistul a denumit aceasta molecula nucleina. Termenul „acid nucleic” deriva din „nucleina”. Timp de multi ani, oamenii de stiinta nu si-au dat seama de importanta acestei descoperiri.
De-abia in anul 1952, chimista engleza Rosalind Franklin, care lucra in laboratorul biofizicianului Maurice Wilkins, a folosit difractia cu raze X - o modalitate de a determina structura unei molecule prin modul in care razele X ocolesc acea molecula - si a descoperit ca ADN-ul are o forma elicoidala. Franklin a documentat aceasta structura in ceea ce a devenit cunoscut sub numele de Fotografia 51.
Un an mai tarziu, in 1953, Wilkins le-a aratat fotografia biologilor James Watson si Francis Crick, fara stirea colegei lui, Rosalind Franklin.
Avand informatia ca ADN-ul este un dublu helix si bazandu-se pe studiile anterioare conform carora bazele azotate de adenina si timina, precum si guanina si citozina apar in cantitati egale in ADN, Watson si Crick au publicat in 1953 o lucrare de referinta in revista Nature. Ei au descris un model de ADN asa cum il cunoastem in prezent: o „scara” dubla elicoidala, compusa in partile laterale din zahar-fosfat si ale carei trepte sunt formate din perechi de baze A-T si G-C. De asemenea, au sugerat ca ADN-ul ar putea fi copiat si, prin urmare, transmis generatiei urmatoare.
Conform afirmatiilor lor, saltul calitativ al descifrarii „secretului vietii” s-ar fi produs in ziua de 23 februarie 1953. Cercetatorii James Watson, Francis Crick si Maurice Wilkins au primit Premiul Nobel pentru medicina in anul 1962 „pentru descoperirile lor privind structura moleculara a acizilor nucleici si semnificatia acesteia pentru transferul de informatii in materialul viu”. Rosalind Franklin nu a fost inclusa in premiu, cu toate ca munca ei a fost parte integranta a acestei descoperiri.
Proiectul Genomului Uman
Proiectul Genomului Uman (Human Genome Project) a fost una dintre marile actiuni de explorare din istoria lumii. Insa nu a fost o explorare exterioara a planetei sau a cosmosului, ci o calatorie „in interior” condusa de o echipa internationala de cercetatori al carei scop a fost sa secventieze si sa cartografieze toate genele omului - cunoscute impreuna sub numele de genomul uman.
Acest efort international de secventionare a celor peste 3 miliarde de „litere” de ADN (baze azotate) din genomul uman este considerat de multi una dintre cele mai ambitioase activitati stiintifice din toate timpurile, chiar si in comparatie cu scindarea nucleilor atomilor sau mersul pe Luna. Proiectul a inceput la 1 octombrie 1990 si a fost finalizat in aprilie 2003, cu 2 ani mai devreme decat a fost planificat.
Secventierea finala a ADN-ului uman obtinuta prin Human Genome Project acopera aproximativ 99% din regiunile care contin gene si a fost realizata cu o precizie de 99,99%. In plus, pentru a ajuta cercetatorii sa inteleaga mai bine semnificatia „cartii de instructiuni” genetice, proiectul si-a asumat o gama larga de alte obiective, de la secventierea genomului altor organisme, pana la dezvoltarea de noi tehnologii pentru studiul integral al genomului.
Ce sunt testele genetice?
Teste genetice sunt utilizate dintr-o varietate de motive, cum ar fi stabilirea paternitatii, investigatii de criminalistica, precum si pentru a diagnostica boli genetice, ca de exemplu pentru a determina daca o persoana este purtatoarea unei mutatii genetice pe care ar putea-o transmite copiilor ei sau pentru a evalua daca o persoana este expusa riscului de a face o boala genetica.
De exemplu, se stie ca anumite mutatii ale genelor BRCA1 si BRCA2 cresc riscul de cancer de san si ovarian, iar identificarea acestor gene printr-un test genetic poate spune daca femeia are aceste mutatii.
Rezultatele testelor genetice pot avea implicatii pentru sanatatea unei persoane, de aceea rezultatul testelor genetice este asociat cu consilierea genetica, in urma careia un medic specialist genetician va ajuta persoana sa inteleaga rezultatul si consecintele acestuia.
Aici poti afla care este gama completa de teste genetice care se fac in Laboratoarele Regina Maria.
Surse de informatie:
- www.genome.gov
- www.yourgenome.org
- www.medicalnewstoday.com
- www.livescience.com
- www.medlineplus.gov
- www.nature.com
- www.genome.gov
- www.businessinsider.com