Gregor Johann Mendel s-a nascut pe 20 iulie 1822, intr-o regiune a Austriei care acum face parte din Cehia. A fost crescut la ferma familiei, unde a lucrat ca gradinar si apicultor. Ulterior, desi a lucrat ca invatator si a studiat la Universitatea din Viena, Mendel a devenit calugar. El locuia la abatia augustiniana din Brno. In 1856, Mendel a inceput sa faca experimente pe plante in gradina manastirii, pentru a obtine variatii de culoare si pentru a studia efectele hibridizarii asupra mazarii. Facea acest lucru independent de orice universitate si ascuns de public. In secolul al IX-lea, se credea ca trasaturile ereditare (animale, vegetale si umane) erau transmise sub forma unui „amestec” de caracteristici transmise de fiecare parinte. Ereditatea era prost inteleasa, iar conceptul de gena nu exista.
Mendel si-a bazat studiul pe 34 de subspecii de mazare, deoarece mazarea este variata in culori, dimensiuni, flori, frunze si totodata pentru ca fiecare variatie este clar definita. De-a lungul a 8 ani, a izolat fiecare trasatura ereditara a mazarii si a incrucisat plantele intre ele pentru a vedea ce trasaturi se transmit sau nu de la o generatie la alta. Initial a folosit mazarea normala, deoarece progeniturile sunt identice cu planta-parinte. Apoi a inceput sa faca polenizari incrucisate si a inregistrat evolutia trasaturilor mostenite de-a lungul generatiilor. In acest fel a descoperit principiile-cheie ale ereditatii.
Acest studiu meticulos a lui Mendel a produs rezultate uimitoare. Mendel a descoperit conceptul trasaturilor ereditare dominante si recesive, si a fost capabil sa aplice o formula matematica care explica frecventa de aparitie a fiecarei trasaturi.
Teoria fundamentala a ereditatii
Ereditatea implica transferul unor unitati ereditare (numite mai tarziu gene) de la parinti catre urmasi.
Mendel a observat ca unele trasaturi ereditare era fie dominante, fie recesive. Atunci cand doua plante de mazare normala erau polenizate incrucisat, progenitura prezenta doar trasaturile dominante, iar cele recesive apareau in urmatoarele generatii. Mendel a ajuns la concluzia ca trasaturile nu se „amesteca”, ci raman distincte, chiar si in generatiile ulterioare, concluzie total opusa opiniilor stiintifice din acea vreme.
Mendel nu stia nimic despre gene, dar banuia ca exista 2 factori care definesc o trasatura ereditara. Fiecare parinte transmitand un factor pentru fiecare trasatura ereditara a progeniturii. Astazi, stim ca factorii ereditari a lui Mendel se numesc gene, sau mai exact alele – variatii diferite ale acealeasi gene. In limbajul genetic actual, o planta de mazare normala este un homozigot – are 2 copii identice ale aceleasi alele. O planta de mazare normala polenizata incrucisat se numeste heterozigot – are 2 alele diferite.
In timpul reproducerii, factorii ereditari, (numiti alele) ce determina trasaturile, sunt separati in celulele reproductive printr-un proces numit meioza, apoi se unesc aleatoriu in timpul fertilizarii.
Mendel considera ca, in timpul reproducerii, factorii ereditari trebuie sa se separe in celulele reproductive. El a observat ca daca permite plantelor hibrid sa se autopolenizeze, progeniturile lor arata diferit de parinti. Separarea apare in timpul meiozei cand alelele genelor sunt segregate in celule reproducatoare individuale (ovule si spermatozoid la animale, polen si ovulele florale la plante).
Genele din diferiti cromozomi sunt mostenite independent unele de altele. Mendel a observat ca atunci cand erau autopolenizate plante cu mai mult de o trasatura dominanta, generatiile ulterioare nu erau tot timpul identice cu parintii. Acesta este principiul segregarii independente – trasaturi ereditare diferite mostenite independent.
Pe masura ce cunostintele noastre despre gene si ereditate au crescut, au fost descoperite exceptiile acestor principii. Principiul segregarii independente nu se aplica daca genele sunt foarte apropiate in cadrul aceluiasi cromozom. Alelele nu interactioneaza doar in modul standard dominant/recesiv, ele pot fi codominante sau sa prezinte diferente in expresivitate din diverse motive (exista gene care pot modifica felul in care alte gene lucreaza, exista gene regulatoare care activeaza/dezactiveaza alte gene, aceste lucruri ducand la diferentieri intre indivizi).
Recunoasterea eforturilor lui Mendel
Abia 40 de ani mai tarziu, studiul lui Mendel a capatat recunoasterea cuvenita. Teoria ereditara a cromozomilor (combinatia trasaturilor parintilor in progenitura) a fost propusa in 1902. S-a bazat mult pe idea lui Mendel a trasaturilor recesive si dominante. La inceputul secolului al XX-lea, ideile lui Mendel au fost incorporate complet, iar genetica a inceput sa avanseze. Din 1909 incolo, alelele, zigotii si alte denumiri ciudate au inceput sa explice in detaliu, ceea ce Mendel a descris in umilele sale experimente.
Ce este ADN-ul?
Acidul dezoxiribonucleic (ADN) este o molecula ce se gaseste in celulele tuturor organismelor. Aceasta molecula stocheaza informatia genetica codata, necesara cresterii si metabolismului zilnic, are o influenta majora asupra aspectului fizic si asupra functionalitatii organismului. Informatia genetica este transmisa, prin intermediul ADN-ului, de la o generatie la alta, si difera de la individ la individ. Inca nu se stie cat de multa informatie genetica se transfera, dar exista o asemanare foarte mare intre ADN-ul uman si ADN-ul celorlalte fiinte. Aceasta asemanare demonstreaza existenta mostenirii genetice si a evolutiei.
In interiorul celulei se gaseste nucleul celular care contine 46 de cromozomi. Cromozomii sunt alcatuiti dintr-o spirala formata dintr-o molecula de acid dezoxiribonucleic. Jumatate de ADN provine de la mama, iar restul de la tata. Ovulul contine 23 de cromozomi, spermatozoidul contine alti 23 de cromozomi. Din unirea ovulului cu spermatozoidul apare setul complet de 46 de cromozomi. Acestia sunt grupati in perechi si se copiaza inainte de diviziunea celulei.
In ciuda lungimii si a complexitatii ei aparente, molecula de ADN este foarte simpla. ADN-ul arata ca o scara rasucita si incredibil de lunga. Denumirea oficiala este “dublu elicoidal”. Partile laterale ale scarii sunt formate din lanturi de molecule de glucide si fosfati, treptele sunt formate din baze care se unesc cu glucidele lanturilor. O treapta este compusa din 2 baze unite. Exista 4 tipuri de baze: adenina (A), guanina (G), citozina (C) si timina (T).
In ADN, bazele au perechi specifice. O baza adenina se imperecheaza doar cu o baza timina. O baza guanina se va imprechea doar cu o baza citozina. Acesta imprechere a bazelor se numeste imperechere complementara.
Desi ADN-ul uman este alcatuit din aproximativ 3 miliarde de baze, mai mult de 99% dintre ele sunt identice la toti oamenii. Aranjamentul lor defineste informatia disponibila pentru formarea si intretinerea organismului, tot asa cum literele din alfabet pot fi aranjate in cuvinte si propozitii.
Indiferent de structura organismului (animal, planta, om etc.) in care se afla, ADN-ul are aceleasi componente si substante chimice. Singurul lucru care face diferentierea dintre ADN-ul unui om si cel al unei plante e ordinea bazelor. Aceasta succesiune a bazelor se numeste cod genetic.
Desi cea mai mare parte din ADN se gaseste in cromozomii din nucleu, el mai poate fi gasit si in mitocondrii. Acest material genetic se numeste ADN mitocondrial. Mitocondriile sunt organite complexe, prezente in celulele tuturor organismelor aerobe, ele produc energie printr-un proces numit fosforilarea oxidativa. Acest proces foloseste oxigenul si glucidele pentru a crea adenozin trifosfat, principala sursa de energie a celulei. Mitocondriile au si alte roluri. Mitocondria regleaza autodistrugerea celulelor (apoptoza). Ele sunt necesare si pentru producerea unor substante, cum ar fi colesterolul si hemul (componenta a hemoglobinei).
ADN-ul mitocondrial are 37 de gene, toate fiind esentiale pentru functionarea mitocondriala normala. 13 gene contin instructiunile producerii enzimelor necesare procesului de fosforilarea oxidativa. Celelalte gene contin instructiunile necesare producerii ARN-ului de transfer si a ARN-ului ribozomal.
Acidul ribonucleic (ARN) e o molecula polimerica. Este implicat in diverse functii biologice (codarea, decodarea, reglarea genelor etc.). ADN-ul si ARN-ul sunt acizi nucleici, care, impreuna cu proteinele si carbohidratii constituie cele 3 macromolecule esentiale vietii. ARN-ul este ansamblat sub forma unui lant de nucleotide, dar, spre deosebire de ADN, acest lant nu este dublu, de regula. Organismele celulare folosesc ARN-ul mesager pentru a transmite informatia genetica care controleaza producerea proteinelor.
Multi virusi poseda un genom ARN pentru a-si stoca informatia genetica.
Unele molecule de ARN au un rol activ in celula prin catalizarea reactiilor biologice, prin detectarea si reactionarea la stimulii celulari. Procesul de sintetizare a proteinelor e o functie universala prin care moleculele ARN regleaza productia proteinelor in ribozomi. Acest proces foloseste ARN-ul de transfer pentru a trimite aminoacizi ribozomului, iar apoi ARN-ul ribozomal va folosi aminoacizii pentru a produce proteine.
Molecula de ADN este ideala pentru transferul informatiei genetice intre celulele. In momentul intalnirii dintre spermatozoid si ovul, moment in care este produsa prima celula care va forma ulterior intregul organism, organismul primeste codul genetic complet ce va fi utilizat de celule pentru tot restul vietii sale.
Prima celula se va divide in 2, apoi in 4, apoi in 8 etc. Desi organismul devine adult, unele celule continua sa se divida (celulele pielii, de exemplu). In mod normal, in urma diviziunii celulare rezulta o copie perfecta, atat a celulei cat si a moleculelor de ADN. O celula imperfecta moare sau este distrusa. In cazuri rare, celulele cu defecte supravietuiesc si pot provoca o gama larga de probleme (cancer).
Procesul de copiere a ADN-ului se face prin despicarea pe lungime a moleculei de ADN, lasand astfel bazele atasate una de alta, dar fara perechea opusa. In fiecare celula exista nucleotide disponibile. Acestea sunt alcatuite dintr-un monozaharid, un fosfat anorganic si o baza azotata. Deoarece adenina se cupleaza doar cu timina, iar guanina se uneste doar cu citozina, prin imbinarea dintre baze, glucide si fosfate este produs nucleotidul. Nucleotidele se pot combina cu bazele potrivite de-a lungul lantului ADN (formand astfel spirala dubla).
Ce sunt genele?
Un cromozom este format din mai multe gene. Portiunile de ADN care contin informatii vitale pentru functionarea celulara se numesc gene. Genele determina multe dintre caracteristicile si atributele unui organism (felul in care metabolizeaza alimentele, modul de functionare a sistemului imunitar, chiar si caracteristicile comportamentale). Genele sunt cele care regleaza productia de proteine. Genele sunt complexe in sensul ca nu au nevoie doar de un cod care sa le spuna cum sa functioneze. Ele au si aspecte structurale care regleaza modul lor de functionare. Se poate spune ca poseda un intrerupator care declanseaza sau opreste diferite functii. De exemplu, o gena va fi activa doar in anumite celule, doar pentru anumite perioade de timp. La oameni, numarul bazelor ce formeaza o gena poate ajunge la cateva milioane. Oamenii au intre 20 000 si 25 000 de gene.
Majoritatea genelor sunt identice la toti oamenii, dar un mic procent dintre ele difera de la individ la individ. Aceste gene se numesc alele. Ele sunt forme diferite ale aceleasi gene ce au mici diferente in secventa bazelor ADN. Aceste mici diferente produc trasaturi fizice unice in fiecare individ.
Familiile de gene
O familie de gene e formata dintr-un grup de gene care au in comun caracteristici importante. De regula, genele dintr-o familie au o secventa similara de nucleotide. Gene diferite pot fi grupate intr-o familie datorita faptului ca proteinele produse de ele lucreaza sau participa impreuna la acelasi proces.
Clasificarea genelor in familii permite cercetatorilor sa descrie relatia dintre ele. Familia de gene poate fi folosita pentru a aproxima functiile genelor necunoscute folosind similaritatile cu genele cunoscute. Aceste similaritati pot indica chiar si unde si cand devine activa o gena. Familiile de gene pot oferi detalii ce pot duce la identificarea genelor ce provoaca anumite boli.
Uneori nu se cunosc suficient de multe date despre o gena pentru a fi adaugata unei familii. In alte cazuri, gena se incadreaza in mai multe familii. Nu exista criterii formale care sa defineasca clasificarea genelor. Sistemele de clasificare continua sa evolueze pe masura ce aflam lucruri noi despre gene si despre relatiile dintre ele.
Ce sunt cromozomii?
In nucleul celulei, molecula ADN este “impachetata” in niste structuri-filament numite cromozomi. Fiecare cromozom este compus din ADN infasurat in jurul unor proteine numite histoni. Cromozomii nu sunt vizibili in nucleul celulei – nici macar la microscop – atunci cand celula se divide. Dar ADN-ul care formeaza cromozomii devin atat de compact incat este vizibil la microscop. O mare parte din cunostintele despre cromozomi au fost obtinute prin observarea diviziunii celulei.
Fiecare cromozom are un punct de constrictie numit centromer, care imparte cromozomul in 2 parti. Partea mica se numeste “bratul p”, iar partea mare se numeste “bratul q”. In functie de locul in care este plasat centromul pe cromozom, cromozomul are o anumita forma, si poate fi folosit pentru a indica locatia anumitor gene.
Cati cromozomi au oamenii?
Celulele umane contin 23 de perechi de cromozomi, adica un total de 46 de cromozomi. 22 de perechi se numesc autosomi, ele arata la fel atat la barbati cat si la femei. Cea de a 23-a pereche, cromozomii sexuali, difera la barbat si la femeie. Femeile au 2 cromozomi X, in timp ce barbatii au un cromozom X si unul Y. Cei 22 de autosomi sunt numerotati dupa marime. Ceilalti doi cromozomi, X si Y, sunt cromozomii sexuali. Imaginea in care cromozomii umani sunt ordonati pe perechi se numeste cariotip.
ADN-ul si codarea proteinelor
Proteina e o molecula complexa ce se gaseste din abundenta in organism. Proteinele pot fi:
– proteine structurale.
– proteine mesager.
– enzime.
Ele au un rol important in formarea pielei si a parului sau in controlarea unor functii diverse prin intermediul hormonilor. Proteinele pot mari viteza unei reactii sau pot indeplini functii importante, cum ar fi crearea hemoglobinei.
De la ADN pana la proteine e o un traseu lung. E ca atunci cand scriem o scrisoarea unui prieten ce locuieste departe de noi. Ganditi-va la toate etapele prin care trece acea scrisoare inainte de a fi livrata in mana prietenului. Intai se scrie scrisoarea, iar apoi trebuie expediata pentru ajunge la destinatie. Acesta e modul (simplificat) in care ADN-ul interactioneaza cu proteinele. Prima etapa e un proces numit “transcriere”, informatia importanta din gena este “inscriptionata” pe o molecula. Aceasta molecula se comporta ca un mesager ce distribuie informatia catre alte parti ale celulei. Celula primeste informatia, iar apoi urmeaza un proces numit “traducere”.
Daca ne gandim iar la scrisoare, sa ne imaginam ca prietenul nostru vorbeste o limba diferita de a noastra, deci scrisoare trebuie tradusa pentru a putea fi inteleasa. Exact asta se intampla in procesul de “traducere” a informatiilor trimise de ADN. Inainte ca celula sa urmeze instructiunile primite, trebuie sa inteleaga informatia. De acest lucru se ocupa ribozomii. Ribozomii au rol de “traducator”, ei “traduc” codul mesagerului in formatul proteinic corespunzator. Odata descifrat mesajul, proteina poate fi directionata catre acele zone ale celulei sau a organismului ce necesita informatia respectiva.
Fiecare gena produce o “scrisoare” unica ce e responsabila cu producerea si livrarea proteinelor din organism. Aceste proteine au o gama speciala de forme si o alcatuire chimica ce le permite sa indeplineasca multe dintre functiile ce sustin si mentin organismul in stare de functionare.
Replicarea ADN-ului
Replicarea este esentiale pentru toate functiile organismului (reproducere, intretinere, cresterea celulelor, oaselor, tesuturilor si organelor). Pentru a se replica, molecula de ADN se “desface” intr-un sir de baze fara perechi. Fiecare din cele 4 bazele ale ADN-ului se pot imperechea doar cu o anumita baza-pereche. Pe masura ce nucleotidele se unesc cu bazele fara pereche, ele construiesc o noua secventa ADN ce imita secventa originala. Rezultatul final e o secventa de ADN indentica cu cea care s-a “desfacut” initial.
Celulele din corpul nostru se copiaza pentru a produce piele noua sau celule sanguine. Atunci cand apare o eroare de copiere, exista sisteme de siguranta ce remediaza problema, altfel celula este marcata pentru distrugere. Daca o celula supravietuieste unei mutatii, pot aparea avantaje pentru organism. Acesta este unul din conceptele esentiale ale evolutiei.
Ce este epigenomul?
Exista modificari ale ADN-ului care nu afecteaza secventa ADN. Aceste modificari sunt produse de compusi chimici ce pot regla activitatea unei gene, si sunt numite modificari epigenetice. Epigenomul cuprinde toti compusii chimici care influenteaza activitatea genelor genomului. Acesti compusi nu fac parte din secventa de ADN, dar sunt atasati ADN-ului. Modificarile epigenetice „supravietuiesc” diviziunii celulare, uneori pot rezista timp de generatii. Influentele mediului, cum ar fi dieta si expunerea la poluanti, pot afecta epigenomul.
Modificarile epigenetice determina activarea genelor si producerea unor proteine necesare in anumite celule sau inhibarea lor. De exemplu, proteinele ce se ocupa de dezvoltarea oaselor nu vor fi produse in celulele musculare. Modificarile epigenetice variaza de la individ la individ, in cadrul tesuturilor diferite ale aceluiasi individ, si chiar si in celule diferite.
O modificare epigenetica des intalnita este metilatia. Grupuri metilice (molecule mici compuse dintr-un singur atom de carbon si trei atomi de hidrogen) se ataseaza unui segment de ADN. Gena de care se ataseaza gruparea metilica este dezactivata, productia de proteine fiind oprita. Modificarea genei gresite sau esuarea modificarii ei, produce o activitate anormala sau o lipsa completa de activitate, care duce la probleme genetice. Aceste probleme pot fi cancere, probleme de metabolism si probleme degenerative.
Cum a fost descoperit ADN-ul?
Identificarea ADN-ului si a structurii sale e una dintre cele mai importante descoperiri ale secolului XX. Cercetatorii-cheie direct responsabili de descoperirea ADN-ului sunt: Francis Crick si James Watson. Dar, fara munca deja depusa de Rosalind Franklin, Linus Pauling si Maurice Wilkins, descoperirea ADN-ului nu ar fi avut loc.
La inceputul anilor 1950, biologul Watson si fizicianul Crick, lucrau impreuna intr-un laborator din Cambridge, Anglia. Ei incercau sa descopere structura ADN-ului. Chimistul Pauling descoperise deja o structura importanta de proteine in 1951, iar chimistul Franklin lucra si el intens intr-un laborator din Franta. Fizicianul Wilkins, din Noua Zeelanda, era director al laboratorului de biopsii al Colegiului King. In 1951, el a realizat primele imagini ale ADN-ului, folosind razele X. Aceste imagini au dus la ideea ca structura ADN-ului ar putea fi elicoidala, forma ce era similara structurii de proteine descoperita de Pauling. Dupa sosirea lui Watson in Anglia, el a vazut imaginile realizate de Wilkins, apoi s-a intalnit cu Crick in laboratorul din Cambridge.
Identificarea structurii corecte a ADN-ului
In 1953, Pauling publicase o lucrare in care spunea ca ADN-ul are o structura tripla elicoidala. La randul lor, Watson si Crick au avut o teorie similara in 1951, dar ambele s-au dovedit a fi gresite. Aceasta idee gresita se baza pe o conversatie pe care Watson a avut-o cu Franklin, in care ea ii spunea ca a folosit cristalografia cu raze X pentru a stabili continutul de apa al ADN-ului. Watson si-a amintit eronat conversatia.
Importanta fotografiei 51
Ceea ce i-a ghidat pe Watson si Crick in directia corecta a fost fotografia 51 a lui Franklin. Fotografia arata cristalizarea ADN-ului, si un X incetosat in mijlocul moleculei, ceea ce demonstra existenta structurii elicoidale. In momentul cand a primit o copie a fotografiei 51, Watson a inteles imediat importanta X-ului din ea. Watson si Crick au facut un model al structurii ADN-ului sub forma unei structuri duble elicoidale. Intr-un timp scurt, modelul ADN-ului realizat de ei a fost publicat.
Ale cui sunt meritele?
Asemenea multor alte descoperiri, atribuirea meritului descoperirii este discutabila. In esenta, meritul apartine lucrarii lui Watson si Crick, publicata in revista Nature in 1953, desi directorii ambelor laboratoare (Cavendish si Colegiul King) au sugerat publicatiei ca atat lucrarile lui Watson si Crick, cat si lucrarile lui Wilkins, Franklin si Gosling, sa fie publicate secvential. In 1962 Crick, Watson si Wilkins au primit premiul Nobel. In general, cand subiectul descoperirii ADN-ului este mentionat, se vorbeste despre Watson si Crick, dar este bine de stiut ca au fost si alte persoane implicate. Fotografia 51 a lui Franklin a fost unul dintre punctele-cheie ale descoperirii structurii ADN-ului.
Surse:
http://www.exploredna.co.uk
http://ghr.nlm.nih.gov/handbook
http://www.livescience.com/7537-monk-peas-changed-world.html
http://biotechlearn.org.nz/themes/mendel_and_inheritance/mendel_s_principles_of_inheritance
