Elemente de biologie celulară şi moleculară

O caracteristică esenţială a materiei vii este reprezentată de structura sa celulară, alături de încă două proprietăţi fundamentale: metabolismul şi reproducerea.

Deşi există mari diferenţe între celulele diverselor specii, sau chiar între celulele aceluiaşi organism, există şi o serie de caracteristici comune pe care le vom trece în revistă.

Disciplina care se ocupă cu studiul celulei şi a fenomenelor la nivelul celular se numeşte „biologie celulară”. Din biologia celulară vom extrage sintetic câteva noţiuni privind:

• structura celulei umane (membrană, citoplasmă, nucleu, organite celulare - mitocondria şi ribozomii
• diviziunea celulară mitoza şi meioza.

Explicarea fenomenelor biologice pe baze moleculare face obiectul unei discipline înrudite cu biologia celulară, numită „biologie moleculară”. Din această disciplină ne vom opri la două mecanisme:

• replicarea ADN
• sinteza proteinelor

Structura generală a unei celule umane

Enumerarea principalelor componente ale celulei umane

• membrana
• citoplasma
• nucleu
• organite celulare

Fig. 1. Structura celulei umane

Membrana celulară

Membrana celulară delimitează celula la exterior, are rol de susţinere şi separare, fiind sediul unor procese de schimb de substanţe între celulă şi mediul său extern.

Membrana celulară este alcătuită distr-un strat dublu foto-lipidic, conţinând în forme şi proporţii diferite o serie de structuri proteice (modelul „mozaic lichid” Singer - Nicholson, 1972), (figura 2.a)

Fig. 2.a. Membrana celulară modelul : “mozaic lichid”

Proprietăţi fizice

Membrana celulară are o grosime de 3-10 nm, cu slabă conductibilitate electrică, dar cu mare capacitate electrică, greu permeabilă pentru apă şi ioni.

Matricea membranei celulare este alcătuită din fosfolipide ce formează un strat dublu. Fosfolipidele au caracter amfipatic, având un capăt hidrofil şi un capăt hidrofob (figura 2.b).

Fig. 2.b. Structura generală a unui fosfolipid

Acizii graşi AG1, AG2 au 16-18 atomi de carbon în lanţ şi având caracter hidrofob, se orientează spre interiorul membranei, în timp ce restul fosforic, având grupări OH este hidrofil, fiind orientat spre feţele exterioare ale membranei, fie spre interiorul celulei, fie spre exterior.

Proteinele membranare formează „insule” în matricea fosfolipidică ele pot fi: a) proteine intrinseci, care pot să fie la rândul lor:

• proteine ce traversează membrana (canale ionice pentru transport pasiv sau pompe ionice pentru transport activ), figura 2.c
• proteine parţial înglobate, ce formează structuri numite „receptori membranari”, cu rol foarte important în funcţionarea membranei (de receptori se pot lega diferite molecule-hormoni, medicamente etc.)

Figura 2.c. Canale şi pompe ionice

Proteine extrinseci, legate slab la suprafaţa membranei. Membrana celulară este totodată sediul fenomenelor electrice, de producere a potenţialului de membrană.

Membrana are un rol important în semnalizarea inter şi intracelulară privind transferul de informaţii în aceste procese de semnalizare sunt implicaţi şi receptorii membranari.

Să încheiem cu rolul membranei în apoptoză - fenomenul de moarte naturală programată.

Citoplasmă

Citoplasma este o soluţie apoasă ce reprezintă mediul de dispersie pentru substanţele dizolvate:

• ioni ([K+ ] 150 mM, [ Na+] 10 mM, [Cl^-] 100mM
• molecule mici neutre [glucoză]
• macromolecule(proteine, polizaharide etc).

Citoplasma este străbătută de fire ce se sprijină pe membrană, nucleu şi organitele celulare mari, ce formează un citoschelet:

Proprietăţile sunt sintetizate în tabelul 1.

Tabel 1 Proprietăţile fizice ale citoplasmei

Nucleul celular

Nucleul celular este o formaţiune sferică sau ovoidală, cu diametrul de 4-6p m, alcătuit în cea mai mare parte din ADN.

Structura nucleului figura 3.a

În interior se găseşte o formaţiune mai densă numită „nucleol”, iar la exterior este mărginit de o membrană nucleară, cu pori prin care pot trece molecule mici. Transportul prin membrana nucleară (pentru ARN şi proteine) este asigurat de molecule numite „cargo-GTP-aze.

Nucleul este sediul de stocare a informaţiei genetice şi joacă un rol important în procesul de diviziune celulară şi în procesul de sinteză a proteinelor.

Fig. 3. Structura nucleului

Organitele celulare

În citoplasmă se găsesc numeroase organite celulare, fiecare cu un rol bine definit în funcţionarea celulei:

• reticulul endoplasmic
• ribozomi
• mitocondrii
• aparatul Golgi
• libozomi
• centrioli
• microtubuli, microfilamente
• vacuole, vezicule

Ne vom opri pe scurt doar la ribozomi şi mitocondrii, având în vedere importanţa lor în studiile de bioinformatică.

Mitocondria

Mitocondria este un organit celular care este sediul sintezei moleculelor macroergice de ATP.

Are formă alungită având în interior „creste” formate prin plierea membranei interne. Membrana internă conţine molecule ce asigură un transfer de electroni (NADH, FAD, ubiquinonă şi citocromc), însoţit de eliminare de protoni. Procesul se numeşte „fosforilare oxidativă”, având ca rezultat sinteza unei molecule de ATP.

Funcţionarea este asigurată de o pompă de protoni descrisă sub numele de ”teoria chemiosmotică” de către Mitchell, laureat al premiului Nobel în 1978.

Schematic, transferul electronilor în membrana internă a mitocondriei este prezentată în figura 4.a, iar principiul pompei de protoni este sintetizat în figura 4.b

Fig. 4.a. Mecanismul fosforilării oxidative

Fig. 4.b. Teorie chemiosmotică a pompei de protoni

Ribozomii

Ribozomii sunt cele mai mici organite celulare, descoperite de către George Palade, de origine română, premiul Nobel în 1974. Sunt alcătuiţi din ARN ribozomal şi sunt sediul sintezei proteinelor.

Un ribozom are trei situs-uri, notate......, în care se poate lega o moleculă de ARNt)ARN “de transport” sau „de transfer” (figura 5)

Fig. 5. Structura ribozomilor

Diviziunea celulară

Majoritatea celulelor umane (sunt doar unele excepţii) se divid în cursul vieţii lor. Procesul de diviziune se petrece diferit la celulele somatice, faţă de cele sexuale şi vom trata separat cele două cazuri.

Mitoza

Mitoza este procesul de diviziune al celulelor somatice.

Celulele somatice sunt diploide - au fiecare cromozom în două exemplare. În cazul celulelor umane sunt 23 de perechi de cromozomi (unele detalii vor fi prezentate în cursul de genetică).

Ciclul de viaţă al unei celule somatice, adică intervalul de timp dintre două diviziuni, cuprinde mai multe faze, în care se sintetizează la început ARNm şi proteine, apoi se sintetizează şi ADN - practic se dublează cantitatea lui prin procesul de replicare în nucleu.

Diviziunea celulară ocupă cca 10% din ciclul celular şi are mai multe faze:

• profaza - cromozomii devin vizibili, fiecare fiind dublat longitudinal, apar 2 centrioli ce migrează spre polii celulei, dispare membrana nucleară şi se formează fusul de diviziune
• metafaza - cromozomii se aranjează în regiunea ecuatorului şi se leagă de fibrele fusului în zona centromerului
• anafaza - deplasarea cromatidelor fiecărui cromozom spre polii celulei
• telofaza - formarea la fiecare pol a câte unui nucleu, cu formarea de membrană nucleară.

În final se divizează şi citoplasma formându-se două celule fiice cu nuclee identice. Fenomenele descrise mai sus sunt prezentate sintetic în figura 6.

Fig. 6. Mitoza

Meioza

Diviziunea prin meioză este tipică pentru celulele germinale, ovocitul şi spermatocitul, în zona de maturizare ce formează celule sexuale, numite şi „gameţi”.

Meioza cuprinde două diviziuni succesive:

• diviziunea reducţională - când dintr-o celulă germinală diploidă se formează două celule haploide (cu fiecare cromozom într-un singur exemplar)
• diviziunea ecuaţională - asemănătoare mitozei, cu deosebirea că fiecare celulă care se divide acum este o celulă haploidă.

În final rezultă 4 celule haploide figura 7.

Fig. 7. Meioza

Să urmărim în continuare două procese esenţiale din biologia moleculară: replicarea ADN şi sinteza proteinelor.

Replicarea ADN

Noţiunea de replicare

Descifrarea mecanismului replicării ADN a avut o importanţă deosebită prin aportul său la înţelegerea mecanismelor genetice de transmitere ereditară a informaţiei.

Replicarea reprezintă procesul de producere a unei „replici”, adică o copie identică cu originalul. În cazul ADN este vorba de producere a două molecule de ADN identice pornind de la una singură.

Fazele replicării ADN

Replicarea este iniţiată într-un punct al dublului helix, numit „origine” - o regiune cu secvenţă recunoscută de o proteină iniţiatoare a replicării aceste regiuni sunt de obicei bogate în perechi AT, mai uşor de desfăcut.

Pornind de la origine, dublul helix este despiralat, cu o enzimă - topoizomeraza, apoi este desfăcut asemănător cu un fermoar, fiind rupte toate punţile de hidrogen pe o anumită porţiune din helix de către o enzimă - helicaza.

Sunt astfel expuse liber spre exterior bazele azotate, în succesiunea lor, ale ambelor lanţuri ale helixului. Lanţul care este desfăcut de la 3’^5’ încât completarea să apară în succesiunea firească 5’^ 3’ se numeşte „lanţ conducătof’ (leading strand), iar celălalt este „lanţ întârziat” („ lagging strand”) (figura 8.)

Fig. 8. Mecanismul replicării ADN

Forma de „furcă” a dublului helix desfăcut de helicază a generat şi numele structurii în această fază:” furcă de replicare” („ replication fork”).

Pe lanţul conducător poziţiile expuse sunt ocupate succesiv de către nucleotidele corespunzătoare (conform perechilor posibile A-T şi G-C), proces condus de o enzimă numită ADN-polimerază. Însă sinteza pe celălalt lanţ nu poate fi realizată natural, succesiunea de sinteză fiind inversă, de la 3’^5’.

De aceea, informaţia pentru un set de baze azotate libere este întâi transpusă în ordinea posibilă 5’^3’ pe nişte fragmente denumite Okasaki, fragmente ce sunt apoi cuplate pe lanţ cu ajutorul enzimei ADN-ligaza.

Fiecare din lanţurile iniţiale este acum completat cu un lanţ pereche, care este spiralat şi devine un dublu helix identic cu originalul.

În eukariote procesul de replicare poate începe în mai multe poziţii din dublul helixurilor de ADN.

Replicarea poate să fie incompletă şi să nu ajungă chiar până la capătul fiecărui cromozom, numit „telomer”, rezultând o scurtare generaţie după generaţie, fenomen considerat a avea un rol în procesul de îmbătrânire, în apoptoză sau în apariţia unor boli (inclusiv unele forme de cancer).

Sinteza proteinelor

Paradigma centrală a bioinformaticii

Încercările de a explica marea variabilitate biologică fenotipică în contextul unităţii moleculare a structurilor biologice a condus la plasarea acesteia într-o poziţie cheie pentru bioinformatică. Întrebarea la care dorim să răspundem este: Cum este transmisă informaţia stocată în structura moleculelor de ADN din nucleele celulelor, către celule, pentru a coordona practic toate procesele celulare, dar în special sinteza proteinelor, care sunt atât elemente structurale cât şi elemente de control (enzime) a proceselor celulare.

Mecanismul sintezei proteinelor este azi în bună măsură cunoscut, deşi există încă elemente nu pe deplin elucidate. La descifrarea mecanismelor şi-au adus contribuţia cercetători din diverse domenii, un rol important avându-l cei din domeniul bioinformaticii.

Schema din figura 9.a reprezintă sintetic principalele procese ce au loc pentru sinteza proteinelor.

Fig. 9.a Sinteza proteinelor

Vom descrie în continuare aceste procese.

Transcripţia

Regiunea din ADN care conţine informaţia privind sinteza unei proteine se numeşte genă de sinteză. În amonte faţă de gena de sinteză se găseşte o genă promotor, cu rol în declanşarea procesului de copiere a informaţiei. Zona promotor mai este numită 5’ UTR - 5’ untranslated region, iar după gena de sinteză mai este o porţiune ce nu codifică secvenţă proteică numită 3 ’ UTR.

Mecanismul transcripţiei

La activarea zonei promotor, dublul helix ADN din regiunea genei de sinteză este desfăcut în sensul 3’^5’ de către helicoză, apoi intervine ARN-polimeraza, care facilitează formarea unui lanţ ARN în sensul normal 5’^3’. Un singur lanţ din cele două ale ADN este utilizat pentru citire, numit „lanţ matriţă” („ template strand”), celălalt fiind numit lanţ de codificare („coding strand”), deoarece conţine secvenţa exact în forma în care apare în molecula de ARN sintetizată, cu singura deosebire că, în ARN, în loc de timină apare uracilul. Transcripţia este prezentată schematic în figura 10.

Fig. 10. Transcripţia

Procesul de transcripţie are trei faze:prima este iniţierea, prin activarea promotorului, a doua se numeşte „elongare”, reprezentată prin adăugarea, nucleotid cu nucleotid, a componentelor lanţului de ARN, iar ultima fază este” terminarea”

(formarea unei bucle bogată în G-C, urmată de o succesiune de U).

Să menţionăm că există şi transcripţie reversă, adică din ARN în ADN, întâlnită în unele cazuri patologice, cum ar fi infecţia cu HIV.

Migrarea ARNm

Lanţul ARN format în nucleu se numeşte ARN mesager şi se notează ARNm. În nucleu se mai găsesc nişte organite numite „spliceosomi” care asigură un proces numit „splicing”. Prin acest proces sunt eliminate din molecula de ARNm formată, regiunile fără rol în codificarea secvenţei proteice, numite „introni”, rămânând numai regiunile codificatoare, numite „exoni”.

Molecula nou formată va traversa membrana nucleară şi va ajunge la ribozomi, unde se va desfăşura procesul de translaţie.

Codul genetic

Pentru a putea folosi informaţia purtată într-un alfabet cu 4 litere, cum este cazul acizilor nucleici, la codificarea a 20 aminoacizi, vom avea nevoie de o succesiune de cel puţin 3 litere, George Gamov, care asigură 43 = 64 combinaţii posibile(cu 2 litere am fi putut obţine numai 42 = 16 combinaţii.

Această ipoteză, că o succesiune de 3 baze azotate într-o secvenţă ADN codifică 1 aminoacid într-o secvenţă proteică a fost confirmată experimental (Nirenberg, 1961). A fost astfel introdus termenul de „codon”, definit ca un triplet de baze azotate într-un lanţ de acid nucleic pentru codificarea unui aminoacid într-o secvenţă polipeptidică.

Cercetări ulterioare (Khorana, Hollez premiul Nobel 1968) au permis stabilirea codului genetic prezentat în figura 11.

Fig. 11. Codul genetic

Observăm că pentru majoritatea aminoacizilor există mai multe codificări posibile. De asemenea există un codon de star, precum şi trei codoni de stop - cărora nu le corespunde nici un aminoacid.

ARN de transport

În mecanismul sintezei proteinelor este necesară implicarea unor molecule care să asigure corespondenţa stabilită în codul genetic. Acestea sunt moleculele numite ARN de transport sau de transfer, notate ARNt (studiate în detaliu de Ochoa - premiul Nobel 1959).

Structura ARNt

Molecula de ARNt este destul de mică în comparaţie cu alte tipuri de ARN. Ea are 4 braţe dintre care două formează legături în timpul translaţiei (figura 12)

Fig. 12. Structura moleculei de ARNt

Observăm că braţul superior are o porţiune cu capătul 5’ liber, care este de obicei fosforilat, iar la capătul 3 ’ se poate detaşa amoniacidul - ataşarea este specifică.

Braţul opus are o buclă ce conţine o secvenţă de trei baze azotate complementare codificării aminoacidului, secvenţă care se numeşte” anticodon”. Această porţiune este cea cu care molecula de ARNt se leagă de secvenţa potrivită din matriţa ARNm.

Celelalte două ramuri, buclele D şi T facilitează mecanismul de cuplare pe ribozom.

Structura ribozomilor

Revenim la descrierea structurii ribozomilor, începută mai sus.

Ribozomii au două regiuni, o regiune care poate cupla molecule de ARNm venită din nucleu şi o regiune care conţine 3 situs-uri, notate E, P şi A, regiune în care se leagă ARNt.

Fig.13.

Mecanismul translaţiei

Când ARNm expune spre situl P porţiunea cu codonul de star (AVG), situl poate fi ocupat de un ARNt ce codifică Met (conform codului genetic).

În situl A, încă liber, se poate lega de un ARNt care să aibă anticodonul corespunzător următorului codon din ARNm, codon expus către situl A.

Aminoacidul legat de ARNt de pe situl A se cuplează printr-o legătură peptidică de aminoacidul legat de ARNt de pe situl P.

La formarea acestei legături peptidice, AA din P se desprinde de ARNt de care era legat şi întreaga structură formată se mută cu un codon spre în faţă: ARNt din P trece în E, ARNt din A trece în P, cu tot cu aminoacizii legaţi de el şi în paralel se deplasează şi ARNm în unitatea inferioară. Energia necesară procesului este furnizată de o moleculă de GTP, procesul fiind susţinut de o altă proteină numită factor de elongaţie; de fapt, această fază se şi numeşte „elongaţie”.

Situl A devenind vacant poate fi ocupat de un alt ARNt cu anticodon corespunzător următorului codon din matriţa ARNm. Totodată ARNt de pe situl E se desprinde de lanţul ARNm. Aminoacidul legat de ARNt care a ocupat acum situl A poate forma o legătură peptidică cu AA din poziţia P, urmată de desprinderea acestuia de ARNT care l-a purtat.

Procesul se reia pas cu pas, generându-se un polipeptid, care iese din ribozom.

Procesul de translaţie se încheie când pe matriţa ARNM apare un codon de stop, care nu are echivalent în ARNt, deci situl A nu se mai ocupă. În acest moment, lanţul polipeptidic format se desprinde de ribozom.

Fazele sintezei proteinelor sunt prezentate schematic în figura 14.

Fig. 14. Mecanismul translaţiei

Controlul sintezei proteinelor

Mecanismele moleculare au un sistem de control care dirijează declanşarea, desfăşurarea respectiv terminarea tuturor proceselor.

Controlul sintezei proteinelor la procariote este un mecanism de feedback studiat de Jacob, Monod şi Lwoff (premiul Nobel 1965).

În cazul eucariotelor, mecanismul este mai complicat, descris prin modele cu feedback pozitiv. Nu vom intra aici în detalii privind aceste mecanisme de reglare.