INFINITEZIMALUL BIOLOGIC – BAZE DE DATE ORGANICE

Dr.ing.chim. Ciprian-Gabriel CHISEGA-NEGRILĂ

Motto:

La început a fost simplitatea. E destul de dificil de explicat începutul universului, oricât de simplu ar fi fost acesta. Presupun acceptată de toată lumea ideea că este şi mai greu de explicat apariţia subită, cu tot echipamentul necesar, a ordinii complexe – viaţa, ori a unei fiinţe capabile să creeze viaţă. Teoria lui Darwin despre evoluţia prin selecţie naturală este satisfăcătoare deoarece ne arată un mod în care simplitatea se poate transforma în complexitate, în ce fel nişte atomi dezordonaţi se pot combina în structuri din ce în ce mai complexe, până când acestea au ajuns să creeze oameni.

Richard Dawkins – Gena Egoistă, Cap.2 – Replicatorii, pg. 14, București, Ed. Tehnică, 2001 (trad. Dan Crăciun)

I. ABSTRACT

RO: Articolul descrie, în principal, structura celulei eucariote împreună cu sub-structurile din citoplasmă și nucleu pentru a facilita înțelegerea modului în care acidul dezoxiribonucleic/ADN funcționează ca o bază de date ce conține toate informațiile necesare celulei pentru a prospera și a se înmulți. De asemenea descrie mecanismul prin care informația conținută în ADN este transcrisă în acid ribonucleic/ARN și apoi folosită ca template pentru sinteza proteinelor în cadrul ribozomului. Arhitectura articolului este una de metatext descriind informații de nivel fundamental despre celula eucariotă – unitatea de construcție a organismelor superioare (printre care este inclus și omul). Pentru o mai bună înțelegere a subiectului tratat au fost introduse în text QR-coduri ce reprezintă trimiteri către informația aprofundată și referințe bibliografice.

ENG: The article primarily describes the structure of the eukaryotic cell along with the sub-structures within the cytoplasm and nucleus to facilitate understanding of how deoxyribonucleic acid (DNA) functions as a database containing all the necessary information for the cell to thrive and reproduce. It also explains the mechanism by which the information contained in DNA is transcribed into ribonucleic acid (RNA) and then used as a template for protein synthesis within the ribosome. The architecture of the article is one of metatext, providing fundamental information about the eukaryotic cell—the building block of higher organisms (including humans). For a better understanding of the subject, QR codes have been included in the text, leading to in-depth information and bibliographic references.

Cuvinte cheie: organism viu,celulă, ADN, ARN, proteină, bază de date

II. INTRODUCERE

Planeta pe care locuim cu toții are în spate o istorie de aproximativ 4.5 miliarde de ani. O fi mult? O fi puțin? Cert este că este aproape o treime din vârsta Universului. Primele forme de viață apar acum aproximativ 4 miliarde de ani sub forma organismelor unicelulare procariote. Acest tip de celulă include bacteriile și membrii clasei Archeea. Se remarcă prin faptul că nu au un nucleu, dar au flagel (de cele mai multe ori), membrană celulară, citoplasmă, ribozomi și nucleotide ce conțin informația genetică dispersate în citoplasmă.

History of Earth

Universe’ Laws

Prokaryote

Eukaryote

II.a. ORGANISME EUCARIOTE

Organismele eucariote sunt organisme mult mai complexe decât procariotele. Față de procariote celulele eucariote sunt de circa 10000 de ori mai mari. În această categorie pot fi introduse atât eucariotele unicelulare cât și multicelulare. Sunt celule care aparțin animalelor (ca de ex. omul), plantelor (ca de ex. porumbul) dar și fungilor (ca de ex. ciupercile Champignon).

Plant

Animal

Fungus

Alți reprezentanți ai acestei clase sunt: mucegaiurile, protozoarele și algele.

Slime mold

Protozoa

Algae

II.b. PĂRȚI COMPONENTE ALE CELULEI EUCARIOTE

Celula eucariotă este descrisă în Fig. 1.

Fig.1 – Structura unei celule eucariote: 1 – nucleol, 2 – nucleu, 3 – ribozom, 4 – veziculă, 5 și 8 – reticul endoplasmatic, 6 – aparatul Golgi, 7 – citoschelet, 9 – mitocondrie, 10 – vacuole, 11 – citosol, 12 – lizozom, 13 – centrozom, 14 – membrană celulară

Aceasta este compusă din următoarele componente (Fig.1):

• Membrana (14) – este cea care învelește celula, controlează ceea ce intră sau iese din aceasta și îi menține potențialul electric;
• Citoplasma – este un mediu de tip gel care ocupă cea mai mare parte a spațiului delimitat de membrană. Conține sub-structurile intra-citoplasmice descrise în următorii 12 itemi:
  • Nucleolul (1) – este cea mai mare structură din nucleul celulelor eucariotice. Este cunoscut ca fiind locul unde are loc biogeneza ribozomului;
  • Nucleul (2) – conține aproape 99% din genomul/baza de date a celulei. Aici se regăsește acidul dezoxiribonucleic – ADN-ul nuclear (la globulele roșii/eritrocite lipsește). Este organizat/împachetat de cele mai multe ori sub formă de cromozomi. Aici se stochează toate informațiile necesare celulei. Vom reveni mai pe larg asupra acestui subiect în continuare!
  • Ribozom (3) – o sub-structură a citoplasmei în care are loc sinteza proteinelor utilizând ca tipar informația ADN/ARN;
  • Vezicule (4) – structuri din interiorul sau exteriorul unei celule care conțin un lichid sau citoplasmă învelite cu un strat dublu de lipide. Ajută la eliminarea sau includerea unor substanțe din/în celulă, precum și la transportul de substanțe prin membrană;
  • Reticulul endoplasmatic (5 & 8) – este parte a sistemului de transport a celulei eucariotice și are printre altele funcția de împăturire/împachetare a proteinelor;
  • Aparatul Golgi (6) – are un rol foarte important în încastrarea proteinelor în vezicule înainte ca acestea să fie trimise la destinație;
  • Citoscheletul (7) – este o rețea complexă și dinamică de filamente de proteine interconectată. În interiorul celulelor eucariote se extinde de la nucleu spre membrana celulară. Oferă celulei rezistență la deformare. Este implicat și în multe alte procese celulare.
  • Mitocondriile (9) – sunt utilizate pentru generarea și stocarea energie sub formă chimică în molecule de ATP (adenozin trifosfat);
  • Vacuole (10) – sunt compartimente închise în citoplasmă și pot conține substanțe anorganice sau organice (deseori soluții de enzime, iar în rare cazuri substanțe solide);
  • Citosolul (11) – mai este cunoscut și ca matricea citoplasmică. Este un amestec complex de substanțe dizolvate într-o mare cantitate de apă;
  • Lizozomii (12) – Sunt niște vezicule sferice care apar în multe celule animale. Conțin enzime hidrolitice ce digeră tot felul de biomolecule;
  • Centrozomii (13) – este o organită cu funcție complexă.

Nucleolus (1)	Nucleus (2)	Ribosome (3)	Vesicle (4)
Endoplasmic reticulum (5&8)	Golgi apparatus (6)	Cytoskeleton (7)	Mitochondrion (9)
ATP	Vacuole (10)	Cytosol (11)	Lysosome (12)
Centrosome (13)	Cell membrane (14)	DNA	RNA

III. ACIDUL DEZOXIRIBONICLEIC – ADN – BAZĂ DE DATE ORGANICĂ

ADN este o moleculă organică foarte complexă dar voi încerca o explicație cât mai simplă! A fost descoperit (el, ADN-ul … ☺) la începutul secolului XIX de către biochimistul elvețian Frederich Miesher, însă structura sa a fost descifrată deabia în 1953 de către James Watson, Francis Crick, Maurice Wilkins și Rosalind Franklin care au studiat această moleculă cu ajutorul unei tehnici noi pentru acea vreme – difracția de raze X. Cei patru savanți au arătat că ADN este format din două spirale gemene “încolăcite” una în jurul celeilalte, așa numitul α-helix.

Locul în care își are rezidența ADN-ul se află în nucleul celular (Fig.1) unde este împachetat (și superarhivat) sub forma a mai multor structuri de forma literei X ce reprezintă cromozomii. Mai exact, la oameni, există 46 de astfel de cromozomi, grupați în 23 de perechi. Douăzeci și două de asemenea perechi se numesc autozomi și au o structură asemănătoare atât la femei (♀), cât și la bărbați (♂), iar a 23-a pereche diferă deoarece codează informații despre sexul organismului.

Toată această împachetare despre care vorbeam mai înainte face ca o moleculă care lăsată liberă să aibă o lungime “enormă” de aproape 2 metri (moleculele au deobicei dimensiuni de ordinul nano- sau chiar micrometrilor) să poată fi arhivată într-un spațiu de ordinul nanometrilor (cam asta este dimensiunea nucleului unei celule eucariote normale). Împachetarea se face cu ajutorul unor molecule de tip mosor denumite histone. Pentru claritatea explicației ofer o reprezentare grafică amănunțită în Fig.2.

Se observă că pe scheletul format din molecule de zahar (deoxiriboza, pentru complezență … un zahar similar cu riboza din ARN … dar care a pierdut o grupare hidroxil -OH) și fosfat-, Fig.3-4 (derivat din ATP – adenozin trifosfatul despre care vorbeam mai devreme când se prezenta pe scurt mitocondria: poziția (9) din Fig.1) se află bazele nucleare, cele 4 litere ale alfabetului genetic: A – adenină, C – citozină, G – guanină și T – Timină (Fig.4). Aceste caractere din alfabetul genetic se combină câte două pentru a lega cele două catene ale moleculei de ADN. Adenina (A) cu Timina (T), prin 2 legături de hidrogen, A === T și Citozina (C) cu Guanina, prin 3 legături de hidrogen, C ≡≡≡ G (Fig.3-4).

Mai multe baze nucleare aflate într-o secvență reprezintă o genă, iar genele sunt cele care conțin toate informațiile necesare celulei pentru a prospera și a se înmulți. Replicarea ADN atunci când celula se înmulțește nu face obiectul acestui articol …

Multe din aceste gene codează proteine (secvențe lungi de aminoacizi înșirați unul după celălalt) care pot fi: enzime, substanțe de transport, hormoni sau chiar neurotransmițători (ca de exemplu în spațiul sinaptic dintre 2 neuroni). De asemenea ADN codează informații necesare creșterii și dezvoltării unui ovul fecundat de spermatozoid până în momentul obținerii unui organism complet funcțional … Dar despre asta în următorul capitol …

Fig.2 – Localizarea ADN în nucleu și modul de împachetare al acestuia

Chromosome

Histone

Aminoacid

Gene

Fig.3 – Detaliu care include cele două spirale încolăcite (α-helix) și bazele nucleare: adenina (A), timina (T) ce se leagă prin 2 legături de hidrogen A === T, citozina (C), guanina (G) ce se leagă prin 3 legături de hidrogen C ≡≡≡ G

Fig.4 – Structura bazelor nucleare și a scheletului celor două catene principale

IV. ARN – ACIDUL RIBONUCLEIC TRANSPORTATORUL INTRACELULAR

ARN este o moleculă puțin mai simplă decât cea a ADN. Dacă ADN are două catene înfășurate una în jurul alteia, ARN nu are decât o singură catenă. Zaharul din scheletul catenei ARN se numește riboza, așa cum se descria în subcapitolul anterior. Alfabetul ARN are tot 4 caractere, însă o bază este diferită față de cele din ADN. Astfel, există: adenină (A), citozină (C), guanină (G) și uracil (U). Se observă că timina nu mai figurează în acest alfabet. Ca atare atunci când se face transcrierea de pe ADN în ARN, timina este înlocuită cu uracil: adenina se transcrie ca uracil, citozina ca guanină, guanina ca citozină iar timina ca adenină.

Rolul principal al ARN este cel de a transporta informații de la ADN-ul din nucleu către ribozomul din citoplasma celulei, unde este utilizat pentru sinteza proteinelor care îi sunt necesare celulei la un moment dat.

Există mai multe tipuri de ARN:

• ARN mesager – transportă informația codantă de la ADN la ribozom;
• ARN de transfer – este implicat în mecanismul prin care se leagă în mod ordonat aminoacizii într-o proteină (în interiorul ribozomului) … dar nu voi intra în detalii aici;
• ARN ribozomal, etc.

Pentru mecanismul de transpunere al informației din genele codante de pe ADN (la eucariote – inclusiv la om – aproape 97% din informația ADN nu are rol în sinteza proteinelor) voi discuta în continuare doar despre ARN mesager – mARN.

V. TRANSCRIEREA INFORMAȚIILOR DIN ADN ÎN PROTEINE (secvențe de aminoacizi)

După cum spuneam mai înainte ARN mesager – mARN – este transportatorul informației în interiorul celulei. În momentul în care este necesară transcrierea informației dintr-o genă, pe structura ADN se atașează o enzimă denumită ARN polimerază. Aceasta desface cele două catene și lasă desfăcute bazele nucleare pe o distanță de 10 – 20 de caractere (A,T, G, C). Catena de pe care se face transcrierea se numește catena template (antisens), iar cealaltă nontemplate (coding). Bazele de pe ADN sunt transcrise așa cum se spunea mai înainte: adenina (A) ca uracil (U), citozina (C) ca guanină (G), guanina (G) ca citozină (C) iar timina (T) ca adenină (A).

De exemplu (și aici am luat 27 de caractere, dar genele care se transcriu sunt de cele mai multe ori mult mai lungi):

Dacă pe catena codantă avem:

pe catena template corespondența produce:

iar pe catena de ARN se transcrie:

care se numește mARN sau ARN mesager.

În acest moment se trece la procesarea mARN deoarece nu toată informația este și codantă. Unele părți din mARN vor fi excluse și aceștia sunt INTRONII iar resturile din secvență care rămân se cheamă EXONI. Acești exoni se unesc și formează informația care va ajunge la sinteza proteinelor la ribozom. Aici “literele” de pe secvență sunt citite câte 3 odată și exprimate ca un singur aminoacid. Există 64 de combinații din aceste caractere și doar 20 de aminoacizi, ceea ce înseamnă că un aminoacid va putea fi codat de mai multe grupuri de câte 3 caractere. Există o combinație START: AUG și 3 combinații STOP: UAA, UAG și UGA. Dar despre aminoacizi se va discuta în următoarea secvență de caractere în alfabet latin!

V.a. AMINOACIZI

Sunt 20 de aminoacizi în genetica umană, fiecare cu propria lui formulă chimică, așa cum se descrie în Fig.5 și în Tab.1 din continuare. Ce au în comun toți acești aminoacizi: grupări bazice amino -NH₂ și grupări acide carboxil -COOH (unde R reprezintă un anumit radical nespecificat aici).

Datorită aceste particularități a moleculei de aminoacid, mai multe astfel de molecule se pot lega una de cealaltă pentru a forma lanțuri lungi de tip:

H₂N – C(R₁) – (C=O) – HN – C(R₂) – (C=O) – HN – C(R₃) …….. (C=O) – HN – C(R_n) – COOH …. și … uite așa v-am “vrăjit” până v-am descris cum se formează proteinele ☺! În sistemul biologic sau mai bine zis biochimic lucrurile sunt puțin mai complicate de atât, dar voi explica mai pe larg în paragrafele care urmează.

Fig.5 – Cei mai comuni aminoacizi

Tab.1 – Denumiri aminoacizi, simboluri și sarcină electrică a moleculei

Dacă pe catena mARN avem (exemplul de mai înainte):

în limbajul aminoacizilor aceasta se traduce ca (o combinație de 3 caractere codează un aminoacid):

adică:

START – Arginină – Histidină – Acid aspartic – Fenilanalină – Leucină – Asparagină – Prolină – STOP

sau ca polarități:

Informația din Tab.1 este sintetizată grafic în Fig.6 din continuare:

Fig.6 – Roata codonilor

De ce am insistat așa de mult pe ADN, ARN, mARN, aminoacizi sau secvențe de aminoacizi (denumite mai pe larg proteine)? Pentru că, aceste secvențe de aminoacizi au o funcție, care funcție este dată de modul în care acestea se pliază sau se aranjează spațial. Iar această aranjare 3D se face în funcție de polaritatea fiecărui aminoacid prezent în acea proteină. Pentru că mediul din citoplasma celulei este apos (deci polar) structura 3D apare urmând câteva criterii:

• un aminoacid nepolar va vrea să se ascundă cât mai adânc în interiorul structurii pentru că nu îi place apa;
• un aminoacid polar va vrea să stea cât mai aproape de unul cu polaritate inversă;
• un aminoacid polar va vrea să stea cât mai departe de un aminoacid cu polaritate similară.

Iar această conformație spațială este cea care dictează apariția unui – site activ – care permite cuplarea la o altă proteină, la o enzimă (care face ca un proces să se desfășoare mai rapid și cu un consum de energie mai mic), la o moleculă de substanță activă dintr-un medicament. Pentru că medicamentele (de cele mai multe ori) funcționează pe principiul cheii false ce se potrivește ca să deschidă o anumită broască/site activ al unei proteine.

Fig.7 – Site activ al unei proteine apărut ca urmare a aranjării acesteia în 3D

Pentru cei care doresc să aprofundeze subiectul am lăsat pentru final “bomboana de pe tort” câteva filmulețe explicative.

Your genome – From DNA to protein

Dr Matt & Dr Mike – DNA Transcription and Translation – DNA to Protein

Professor Dave Explains – Transcription and Translation: From DNA to Protein

VI. În loc de CONCLUZII – O IPOTEZĂ!

La un moment dat, spuneam că: ADN codează informații necesare creșterii și dezvoltării unui ovul fecundat de spermatozoid până în momentul obținerii unui organism complet funcțional! Acesta este un lucru cert și sigur așa cum se poate observa în Fig.8.

Dintr-un articolul scris de Manuela Murariu și Gabi Drochioiu și publicat în revista Biosystems (IF 2.0) în 2012 am aflat despre teoria biostructurală în organismele vii. Se vorbește despre concepția supramoleculară în biologie și despre modul în care Eugen Macovschi a încercat și parțial a reușit, să explice diferențele dintre “mort” și “viu” în sistemele biologice.

Ipoteza pe care vreau să o lansez este:

Informația care nu are legătură cu sinteza proteinelor (la om – aproape 97% din informația ADN nu are rol în sinteza proteinelor dar codează inclusiv informații pentru creșterea și dezvoltarea unui embrion până în stadiu de organism complet funcțional, Fig.8) CODEAZĂ ȘI ACELE SUPRASTRUCTURI BIOLOGICE CE FAC DIFERENȚA DINTRE VIU ȘI NEVIU? CODEAZĂ ACESTEA BIOCÂMPURI?

Aici să vă văd!

Fig.8 – Dezvoltarea embrionului uman de la momentul concepției și până la naștere

VII. BIBLIOGRAFIE SELECTIVĂ

Pentru ușurința citării, dar și a urmăririi informațiilor în mediul online am ales ca paginile web ce oferă informații suplimentare să fie citate în interiorul textului sub forma unor coduri QR.

Dawkins, R. – Gena Egoistă, București, Ed. Tehnică, 2001 (trad. Dan Crăciun)

Darymple, G.B., – The Age of th Earth, Stanford, Stanford University Press, 1991;

Manhesa, G., Allègre, C.J., Dupréa, B., Hamelin, B. – Lead isotope study of basic-ultrabasic layered complexes: Speculations about the age of the earth and primitive mantle characteristics – Earth and Planetary Science Letters, 1980;

Dinu, V., Truția, E., Popa-Cristea, E., Popescu, A. – Biochimie Medicală, Mic tratat, București, Ed. Medicală, 1996

Murariu, M., Drochioiu, G. – Biostructural theory of the living systems – Biosystems, 109-2, 126-132, 2012