Funcțiile autocatalitică și heterocatalitică ale ADN

ADN-ul are două funcții de bază în prezentarea școlară. Funcția autocatalitică se referă la capacitatea de a fi copiat înainte de diviziunea celulară; termenul modern este replicare. Funcția heterocatalitică se referă la faptul că informația din ADN este folosită pentru sinteza unor molecule funcționale, în special ARN și proteine. O secvență de ADN poate fi transcrisă în ARN, iar un ARN mesager poate fi translatat la ribozom într-o secvență de aminoacizi. Aceste procese nu sunt același lucru cu replicarea întregului ADN.

La replicare, fiecare catenă veche servește drept matriță pentru o catenă nouă, respectând complementaritatea bazelor. La transcriere se copiază numai regiuni selectate, nu obligatoriu întregul genom. O proteină rezultată poate avea rol de enzimă, structură sau semnal, iar caracterul observabil depinde de mai mulți pași. Când citești o schemă, urmărește ce moleculă intră, ce moleculă iese și unde se desfășoară procesul. Nu confunda „ADN se copiază” cu „ADN se transformă fizic în proteină”. Lecțiile Acizii nucleici și Organizarea materialului genetic oferă structura moleculară și contextul cromozomial.

Replicarea este semiconservativă și necesită ADN-polimeraze, primeri și sinteză în direcția 5′→3′. Transcrierea folosește ARN-polimeraza și produce diferite tipuri de ARN. Translația folosește ribozomi, ARNt și codoni ai ARNm. Noțiunile „autocatalitică” și „heterocatalitică” sunt termeni didactici istorici; procesele depind de enzime și de alți factori celulari, nu de acțiunea izolată a ADN-ului.

ADN-ul păstrează informația ereditară, se replică înaintea diviziunii și furnizează matrița pentru sinteza ARN-ului. De exemplu, dacă o celulă se divide, replicarea semiconservativă produce două molecule în care fiecare catenă veche se asociază cu una nouă. Transcrierea unei gene folosește numai regiunea necesară și nu transformă întreaga moleculă de ADN în ARN.

Replicarea este semiconservativă (fiecare moleculă-fiică păstrează o catenă veche), a fost demonstrată de Meselson și Stahl în 1958 și are loc în faza S a ciclului celular. La bacterii pornește dintr-un singur punct (originea de replicare), iar la eucariote din mai multe puncte. Elicaza desface dubla elice, primaza sintetizează un primer de ARN, ADN-polimeraza adaugă nucleotide în sens $5^{\prime }\to 3^{\prime }$, deci pe catena conducătoare sinteza este continuă, iar pe cea întârziată se formează fragmente scurte (fragmente Okazaki), unite de ADN-ligază. Codul genetic este alcătuit din triplete (codoni), este degenerat (mai mulți codoni pentru același aminoacid), univoc (un codon, un aminoacid), nesuprapus și aproape universal. Din cei 64 de codoni, 61 codifică aminoacizi, iar 3 (UAA, UAG, UGA) sunt codoni stop; AUG este codonul de start și codifică metionina.

Exemplu rezolvat 1: experimentul Meselson–Stahl. Bacteriile sunt crescute într-un mediu cu azot greu (${}^{15}N$), apoi mutate în mediu cu azot ușor (${}^{14}N$). ADN-ul greu migrează mai jos în gradientul de densitate decât cel ușor.

1. Generația 0: tot ADN-ul este greu (două catene ${}^{15}N$).
2. După o generație în ${}^{14}N$: toate moleculele au densitate intermediară (o catenă veche grea și una nouă ușoară).
3. După două generații: jumătate din molecule sunt intermediare, jumătate ușoare.
4. Concluzie: dacă replicarea ar fi conservativă, după prima generație ar exista molecule grele și ușoare, dar nu intermediare; rezultatul confirmă modelul semiconservativ.

Exemplu rezolvat 2: de la ADN la proteină. Catena matriță a unei gene este $3^{\prime }$-TAC CGA GTT ATC-$5^{\prime }$.

1. Transcrierea: ARNm este complementar matriței, în sens $5^{\prime }\to 3^{\prime }$: $5^{\prime }$-AUG GCU CAA UAG-$3^{\prime }$ (adenina din ADN se împerechează cu uracilul din ARN).
2. Traducerea: AUG = metionină, GCU = alanină, CAA = glutamină, UAG = codon stop.
3. Polipeptidul sintetizat este Met–Ala–Gln, iar sinteza se oprește la codonul stop.

Funcțiile ADN se leagă astfel: funcția autocatalitică asigură păstrarea informației de la o celulă la alta, iar funcția heterocatalitică asigură exprimarea ei. Eroarea de copiere este corectată de ADN-polimeraza însăși (activitate exonucleazică $3^{\prime }\to 5^{\prime }$), iar erorile care scapă devin mutații.

Greșeli frecvente

• Greșit: Replicarea ADN este același proces cu transcrierea.
  Corect: Replicarea copiază ADN în ADN; transcrierea produce ARN pe baza ADN.
• Greșit: ADN-ul se transformă material în proteină.
  Corect: Informația din ADN este exprimată prin ARN și sinteza proteinelor; ADN-ul nu devine proteină.
• Greșit: La transcriere, timina din ADN se împerechează cu timina din ARN.
  Corect: ARN-ul conține uracil; adenina din matriță se împerechează cu uracilul din ARNm.

Înainte și după