ADN În 1859 Charles Darwin publica "Evoluţia speciilor", carte care va revoluţiona modul de înţelegere a evoluţiei vieţii pe Pământ. Ulterior, această teorie va fi confirmată de cercetători, dar această confirmare se va face în mai multe etape, de-a lungul a 150 de ani. Acest articol trece în revistă istoria descifrării misterelor vieţii.




O scurtă istorie a descifrării mecanismelor de funcţionare a vieţii la nivel atomic.


INTRODUCERE

La începutul secolului trecut mecanismele chimice de funcţionare a vieţii la nivel atomic reprezentau un mister. Teoriile despre evoluţia vieţii pe Terra, care fuseseră publicate de Charles Darwin în anul 1859, plecau de la 2 noţiuni fundamentale:
a. caracteristicile organismelor vii sunt transmise urmaşilor;
b. uneori - în mod aleator - au loc schimbări ale caracteristicilor ereditare ale organismelor, iar acele modificări care se dovedesc un succes, crescând şansele de supravieţuire a respectivului organism în mediul său natural de viaţă, sunt transmise generaţiilor următoare.

Ideile lui Darwin au generat întrebări cu privire la ceea ce este transmis urmaşilor şi în ce mod are loc acest proces. Articolul de faţă îşi propune să prezinte o scurtă istorie a descoperirilor ştiinţifice care au oferit răspunsuri pentru aceste întrebări.

James Watson
James D. Watson
Credit: wikimedia.org



Comitetul Nobel i-a premiat în 3 rânduri, la disciplina chimie, pe savanţii care au lămurit aceste mecanisme, recunoscând astfel valoarea descoperirilor lor. Trilogia a început odată cu acordarea premiului, în anul 1962, lui James Watson, Francis Crick şi Maurice Wilkinson pentru elaborarea modelului atomic al moleculei de ADN. Al doilea premiu a răsplătit în anul 2006 munca lui Roger D. Kornberg care a explicat mecanismele de copiere a informaţiei genetice de la nivelul ADN-ului către molecula de ARN mesager.
În fine, în 2009, Premiul Nobel pentru Chimie a fost acordat lui Ada E. Yonath, Thomas A. Steitz şi Venkatraman Ramakrishan pentru descifrarea structurii la nivel atomic a ribozomului, partea componentă a celulei la nivelul căreia sunt produse proteinele.

 

ANII '40 ŞI FASCINAŢIA PROTEINELOR

La începutul anilor '40 studiile privind structura celulei ajunseseră în punctul în care se considera că trăsăturile ereditare rezidă undeva la nivelul cromozomilor. Se ştia că aceştia sunt formaţi din proteine şi acizi nucleici. Datorită complexităţii lor superioare ADN-ului, se credea că proteinele sunt purtătoarele informaţiei genetice. La acea vreme se cunoştea că proteinele funcţionează ca blocuri structurale ale celulelor ori drept enzime, fiind din punct de vedere structural şiruri foarte lungi de aminoacizi, care sunt doar în număr de 20 în organismul uman.

Dacă proteinele fascinau oamenii de ştiinţă în deceniul 4 al secolului trecut, molecula de ADN nu prezenta un interes foarte mare. Fusese izolată în premieră în 1871 de către elveţianul Friedrich Miescher, cel care i-a dat iniţial numele de nucleină. Prin comparaţie cu proteinele, despre ADN se ştia că are în componenţă 4 molecule mai mici, nucleotidele, A, C, T şi G - adenină, citozină, timină şi guanină. Această diferenţă de complexitate structurală era justificarea pentru ideea că rolul de transmiţător al informaţie
i ereditare ar fi trebuit să revină proteinelor, în timp ce despre ADN se credea că joacă doar rolul de schelet pe care sunt dispuse proteinele în cadrul cromozomilor.

structura celulei



1944 - EXPERIMENTUL AVERY-MacLEOD-McCARTY

Anul 1944 a mutat atenţia oamenilor de ştiinţă spre molecula de ADN. Schimbarea de optică s-a produs ca urmare a unui experiment realizat  la Institutul  de Cercetări în Medicină Rockefeller de către Oswald Avery, Colin MacLeod şi Maclyn McCarty. Experimentul a constat în introducerea de material ADN din componenţa unor bacterii moarte în bacterii vii, acestea din urmă suferind în consecinţă nişte transformări, şi anume devenind virulente (capabile să declanşeze boli), deşi înainte de inocularea cu material ADN străin nu posedau această abilitate. Deşi unul controversat, experimentul a atras după sine o serie de cercetări privind molecula de ADN şi  a premers decodificarea structurii acesteia.


DESCOPERIREA STRUCTURII DE SPIRALĂ DUBLĂ A MOLECULEI DE ADN

Un prim pas spre înţelegerea mecanismelor prin care ADN-ul transmite caracteristicile ereditare a fost făcut odată cu descifrarea structurii acestei molecule. La 28 februarie 1953 James Watson şi Francis Crick de la Laboratorul Cavendish al Universităţii Cambridge  îşi anunţau reuşita în acest sens, după ani de încercări de a înţelege felul în care cele 4 nucleotide pot fi asamblate într-o structură tridimensională în cadrul moleculei părinte. Folosind tehnica difracţiei cu raze X, Rosalind Franklin de la Colegiul Regal din Londra obţinea o imagine din care reieşea, printre alte detalii, structura de spirală dublă a moleculei de ADN. Ulterior, biochimistul Erwin Chargaff descoperă că indiferent de provenienţă (bacterie, animal ori insectă), molecula de ADN conţine cantităţi similare de adenină şi timină (A şi T), respectiv de guanină şi citozină (C şi G). Acest aspect a dus la înţelegerea faptului că în cadrul spiralei duble există "pe orizontală" doar două perechi de nucleotide, adenina fiind mereu conectată cu timina, respectiv guanina cu citozina.

 

Rosalind Franklin
Rosalind Franklin
Credit: wikimedia.org



Oamenii de ştiinţă au realizat că secvenţele de nucleotide de pe fiecare din catenele (laturile) spiralei duble constituie tocmai codul genetic atât de căutat. Tot atunci s-a născut ideea că secvenţele de nucleotide controlează secvenţele de aminoacizi din interiorul proteinelor. Noua întrebare pentru care trebuia găsit un răspuns era legată de modalitatea prin care secvenţele de material ADN determinau configuraţia aminoacizilor din structura proteinelor.


ARN-ul - VĂRUL ADN-ului

În paralel cu descoperirile privind structura ADN-ului, creştea şi interesul comunităţii ştiinţifice pentru un alt acid nucleic: ARN - acidul ribonucleic. Similar ADN-ului, ARN-ul are şi acesta în componenţă secvenţe formate din doar 4 nucleotide, cu diferenţa că aici uracilul (U) ia locul timinei (T).




La începutul anilor '50 se descoperise că majoritatea moleculelor de ARN se găsesc în citoplasmă. Tot atunci s-a înţeles faptul că citoplasma este locul unde iau naştere proteinele. În 1958, componenta celulară la nivelul căreia sunt sintetizate proteinele primea numele de ribozom (anterior purtase denumirea de corpuscul al lui Palade).  În structura sa există proteine şi molecule de ARN ribozom
al (rARN).

 

DECENIUL 7 AL SECOLULUI XX - DE LA ADN LA PROTEINĂ

La 100 de ani după ce Darwin elabora teoria evoluţiei, molecula de ADN fusese identificată ca fiind sediul informaţiei genetice. La începutul anilor '60 avea să fie descifrat şi mecanismul prin care secvenţele de nucleotide din molecula de ADN determină structura proteinelor. Mecanismul, descris în detaliu în figura de mai jos, presupunea copierea mesajului genetic într-o moleculă de ARN, botezată ARN mesager, care ulterior părăseşte nucleul şi este folosită pe post de matriţă pentru aminoacizi la nivelul ribozomului.

 

de la ADN la proteina

 


La acel moment modul de transfer al informaţiei genetice de la ADN spre ARN şi mecanismele de sinteză a proteinelor erau lămurite, cel puţin la nivel schematic. Însă, aşa cum afirma şi James Watson în 1964, pentru a putea descrie foarte riguros modul de funcţionare la nivel chimic al unei molecule, trebuie să i se cunoască structura. Pentru o descriere riguroasă a proceselor chimice care au loc la nivelul ribozomului, omenirea trebuia să mai aştepte până în anul 2000, când s-a reuşit obţinerea unei structuri la nivel atomic a fabricii de proteine a celulei.

 


Bibliografie:
nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2009/info_publ_che_09_en.pdf