1
1
Catedra Biologie moleculară şi Genetică umană
biologiemoleculara.usmf.mdacces: bmgu
2
Tema 1 Macromoleculele = biopolimerii
Tipuri
Structură
Biogeneză
Proprietăţi
Funcţii
Localizare
Interacţiuni
Functiile biopolimerilor
ADN – detine, pastreaza, transmite si
realizeaza IG pentru sinteza proteinelor >
structura si proprietatile organismului uman;
ARN – asigura realizarea IG, sinteza
proteinelor
Proteine - substratul molecular al tuturor
structurilor, functiilor si proprietatilor celulei >
organismului.
3
2
Localizarea macromoleculelor în celulele umane ADN
Localizat in nucleu, mitocondrii;
Sintetizat in nucleu, mitocondrii prin replicarea ADNului mostenit.
ARN
Localizat in nucleu, mitocondrii, ribozomi, citoplasma;
Sintetizat in nucleu, mitocondrii prin transcriptia ADNului
Proteine
Localizate in toate componentele celulare si matricea extracelulara;
Sintetizate pe ribozomii liberi, REr, mitocondriei prin translatia ARNm.
5
Structura macromoleculelor
Structura primară lanţ de mai mulţi monomeri
uniţi prin legături covalente
Structura secundară Plicaturarea lanţului polimeric
legături de hidrogen
Structura terţiară Configuraţia tridimensională funcţională
legături de hidrogen, ionice, electrostatice
Structura cuaternară, supramoleculară Combinaţia mai multor polimeri
legături de hidrogen, ionice, electrostatice
dN
N
a.a.
dN dNdN
dN dNdN
dN
N NN
NN N
N
a.a. a.a.a.a. a.a. a.a.
a.a. a.a.
dezoxiribonucleotid
ribonucleotid
aminoacid
MONOMER POLIMER
Catenă ADN
Catenă ARN
Catenă polipeptid =
proteină
3
7
Acizii nucleici
ADN molecule bicatenare;
deţine informaţia genetică codificată
Despre sinteza proteinelor
ARN – molecule monocatenare: ARNm
copia genelor structurale*(gene codificatoare de proteine)
matriţa pentru sinteza proteinelor
ARNt transportă aminoacizi
translatori ai codului genetic*(ordinea nucleotidelor determina ordinea aminoacizilor)
ARNr component al ribozomilor
controlul translaţiei si sintezei proteinei
microARN – reglarea expresiei IG
8
9
ADNacid dezoxiribonucleic
Monomeri
Structura
Primară
Secundară
Terţiară
Localizare
Proprietăţi
Funcţii
Biogeneza
Particularităţile ADN uman
Studiul ADN
4
Monomeri ADN:
4 tipuri de dezoxiribonucleotide
(dNTP→ → → → dNMP)
dATP sau dAMP
dGTP sau dGMP
dCTP sau dCMP
dTTP sau dTMP
Momomerul ADN
N
PPP
3’
C
CC
C
C
O
2’
4’
5’
1’
αβγ
dNTP
dNMP
N – baza azotată
-Pu – Adenina
Guanina
-Py – Timina
Citozina
12
5
Monomer – nucleotidele (dNMP)
Structura primară:
catena polinucleotidică
nucleotide unite prin legaturi
fosfodiesterice (fd)
Structura secundară:
bicatenară – 2 catene
polinuleotidice
antiparalele
complementare
5'
5'
3'
3'
fd
fd
fd
14
Structura ADN
I – catena polinucleotidică
II – dublul helix = două catene Complementare
antiparalele
spiralizate unite prin legături de hidrogen
III – DNP = dezoxiribonucleoproteid
15
6
16
James Watson şi Francis Crick
alături de modelul structurii
secundare a ADN.
Rosalind Franklin Maurice Wilkins
17
Complementaritatea ADN asigură:
stabilitatea moleculei ADN;
mecanismul replicării;
mecanismul transcripţiei;
mecanismul recombinării;
mecanismul reparării leziunilor ADN
18
Conformaţia spaţială a moleculelor de ADN liniarTip Lungimea spirei Baze/tur Înclinarea faţă
de ax
A 24,6 Å ~11 +19°
B 33,2 Å ~10 -1,2°
Z 45,6 Å ~ 12 -9°
7
Proprietăţile ADN Replicare
dublarea IG pentru transmiterea IG
Reparaţie
Identificarea, înlăturarea greşelilor pentru prevenirea acumularii mutatiilor, pastrarea IG
Denaturare
ruperea legăturilor de H dintre catene pentru accesul la IG
Renaturare
refacerea dublului helix, pastrarea IG
Heterogenitate
varietatea secv. Nucleotidice (> de 30000 gene diferite)
Polimorfism
variatii individuale ale secventelor de ADN
Flexibilitate
A↔B↔Z (trecerea de la o forma functionala la alta)
Fragilitate
sensibilitate la factori mutageni
Hibridizare
molecule de diferită origine formează noi molecule
Migrare în câmpul electric (ADN are “—” )
20
Replicarea
= dublarea ADN= dublarea IG= transmiterea IG
21
Funcţiile ADN
Deţine IG codificată:
succesiunea b.a. în ADN determină succesiunea aminoacizilor în proteină
Păstrează IG:
de acţiunea nucleazelor
de citirea neautorizată
de mutaţii
Transmite IG prin dublare=replicare:
1ADN — replicare 2ADN
Realizează IG
ADN — transcripţie ARN — translaţie proteină
8
22
Localizarea ADN
În nucleu 95 - 98%
molecule mari liniare de ADN
asociate cu proteine histone
sub formă de cromatină ↔ cromozomi
În mitocondrii 2-5%
molecule mici inelare
23
Particularităţile ADN umanADN nuclear (nucleul celulei somatice, diploid)
cu o lungime de ~ 6,4x109p.n.; 7 picograme
fragmentat în 46 de molecule;
asociat cu proteine histone;
extrem de eterogen: secvenţe codificatoare şi necodificatoare;
secvenţe repetitive şi unice;
secvenţe active transcripţional şi inactive;
secvenţe stabile şi instabile mutaţional;
conţine ~ 30000 perechi de gene;
se replică numai în perioada S a ciclului celular;
50% este de origine maternă şi 50% de origine paternă.
Important:
AND nuclear conţine secvenţe codante = gene: Gene structurale p/u proteine ( ARNm) ~ 30 000
Gene preARNr ~ 250 copii
Gene ARNr 5S ~ 2000 copii
Gene ARNt ~ 1300 copii
Gene p/u microARN
AND nuclear conţine secvenţe necodante Secv. reglatoare
Secv. spaţiatori
Secv. satelit (cen, t)
Secv. minisatelit (markeri crs)
Secv. microsatelit (markeri individuali)
9
25
26
ADN mitocondrial
Are o lungime de 16,6 kb
Este inelar
Numărul moleculelor este variabil (2-10)
Conţine 37 de gene
Genele sunt dispuse compact
Se replică în dependenţă de metabolismul celular
Este de origine maternă
Particularităţile ADN uman
27
Particularităţile genomului uman
Genomul nuclear
n=3,2 Gb / 2n=6,4 Gb
(~ 30000 gene/perechi)
Genomul mitocondrial
16,6 kb
37 de gene
ADN genic
25%
ADN extragenic
75%
ADN
codant
10%
ADN
necodant
90%
Secvenţe unice
sau în număr
mic de copii
60%
Secvenţe
moderat sau
înalt repetitive
40%
10
28
Genomul nuclear
SECVENŢE OBLIGATORII SECVENŢE FACULTATIVE
-Gene structurale
(codificatoare de proteine)
-Gene pentru ARNt, ARNr;
-Palindromi;
- ADN satelit (c,t…)
Elemente mobile
Pseudogene
ADN viral
29
Secvenţele necodificatoare ale genomului uman
SINEs – transpozoni; situsuri de iniţiere a replicării
LINEs – retrotranspozoni; situsuri de împerechere
corectă a crs în timpul meiozei I
ADN minisatelit – markeri genetici ai crs
ADN satelit – rol structural, formează regiunile de
heterocromatină constitutivă (c, t, h, s)
ADN microsatelit – markeri genetici individuali
SINEs (Short interspersed elements) – 11%
LINEs (Long interspersed elements) – 16%
30
Stabilirea structurii genelor normale şi
mutante
Depistarea mutaţiilor
Diagnosticul bolilor genice
Analiza polimorfismului individual
Studiul ADN pentru:
11
31
ARN –acid ribonucleic
Monomeri
NTP (ATP, GTP, CTP, UTP);
NMP (AMP, GMP, CMP, UMP);
Structura primară – catena polinucleotidică;
Structura secundară – bucle;
Structura terţiară – RNP (ARN+proteine)
32
33
12
ARNm ARNr ARNt ARNm
!!! Toate tipurile de ARN sunt transcrise de pe ADN
!!! ARN - este complementar unei catene de ADN
- este identic cu cealaltă catenă
Transcripţie
Processing
Gena structurala Gena ARNr Gena ARNt
Insulina Miozina
Gena structurala
ARNm ARNr ARNt
Transcripţie
Processing
1 2 3
ADN
ARN precursor
ARNtARNr ARNm
ARNr + proteine
ribozomale =
ribozomi
•Copia codului genetic
despre structura proteinei
•Matriţă pentru sinteza
proteinei în timpul
translaţiei
Sediul sintezei
proteinelor
•Transportă
aminoacizi spre
ribozomi
•Translează
codul genetic
din ARNm
transcripţie
processing
preARNm
preARNr
preARNtARNhn
f
u
n
c
ţ
i
e
f
u
n
c
ţ
i
e
13
ARNm – ARN mesager (informaţional, matricial)
Molecule monocatenare, heterogene
Se obţin prin transcrierea genei structurale şi processing-ului pre-ARNm
Conţine copia inf. despre un polipeptid şi
serveşte ca matriţă p/u sinteza polipeptidului
• Molecule monocatenare;• Forma – 3 bucle funcţionale (anticodon, D, Ѱ);
• Se sintetizează prin transcripţia genelor ARNt,• Conţin nucleotide cu baze azotate obişnuite şi minore (timina, pseudouracil, dihidrouridina)• Asigură transportarea aminoacizilor spre locul
de sinteză a proteinelor• Reprezintă translatori ai codului genetic• În celulă se conţin 61 tipuri
ARNt
Structura secundară a ARNr 5S
14
ARNr – ARN ribozomal
Molecule monocatenare
ARNr se sintetizează prin transcripţia genelor ARNr, în regiunea nucleolului
Intră în componenţa ribozomilor
ARNr 18S + 33 proteine = 40S
ARNr 5S + 5,8S + 28S + 49 proteine = 60S
Asigură interacţiunea dintre subunităţile ribozomale, ribozom-ARNm, ribozom-ARNt.
41
ARNr
Tipul celulelor Coeficientul de sedimentare
Procariote
5S
16S
23S
Eucariote,
nucleu
5S
5,8S
18S
28S
Eucariote, mitocondrii12S
16S
42
microARN
ARNsn
ARN-primer
ARN-telomerazic
ARN din componenţa spliceosomei
ARNsc
Ribozime
ARN de interferenţă
15
Structura proteinelor
Monomeri – 20 tipuri de aminoacizi
Primară – lanţul polipeptidic de
aminoacizi (ordinea a-a controlată de codul genetic ADN)
Secundară – a-spirale şi b-structuri
Terţiară – globulară
Cuaternară - mai multe polipeptide formează o proteină complexă
!!! pot forma complexe cu alte proteine sau alte molecule (AN, glucide, lipide)
Formarea polipeptidului
Structura proteinelor
16
Proprietăţile majore ale proteinelor
Heterogenitate;
Pot fi bazice, acide sau neutre;
Interacţionează specific cu alte molecule;
Catalizatori eficienţi;
Adaptabilitate
Denaturare ↔ renaturare
....
!!! Substratul moilecular al tuturor structurilor, fucţiilor şi însuşirilor organisnului viu
Functii ale proteinelor
Clasa Functia Exemple
Proteine
dinamice
enzime Proteaze, lipaze,
nucleaze,
polimeraze....
transport Hb, transferina
contractia musculara actina, miozina
semnale, hormoni insulina, STH
protectie Ig, IFN
reglarea exprimarii
genelor
factori de
transcripţie
Proteine
structurale
matricea tisulara elastina,colagen
17
Structura primară a ribonucleazei A (RNase A)
Structura secundară a ribonucleazei A (RNase A)
Tranzitii conformationale ale hexokinazei
•Proteina poate avea 1 sau mai multe domenii funcţionale
•Domeniu - regiune compactade 100-400 AA care determină o funcţie
•Configuraţia domeniului corespunde configuraţiei mol cu care interacţonează
Factorii de mediu –to, pH, P, h, cofactori, etc.
Structura chimică –primară
Configuraţia spaţială –Conformaţia (forma moleculei)
Proprietăţile moleculei
Funcţiile moleculei
Relaţia: structură – mediu – funcţie
18
Expresia IG
ADNARNm Proteină Caracter
5’-ATTGCAAGATTACCATGT-3’ Catena codogenă (netranscrisă)
3’-TAACGTTCTAATGGTACA-5’ Catena anticodogenă (transcrisă)
Transcripţie
5’-AUUGCAAGAUUACCAUGU-3’ ARNm
Translaţie
Leu – Ala – Arg – Leu – Pro – Cys polipeptid
Caracter fenotipic normal
Expresia IG
ADNmutARNmmut Proteinăan Caracteran
5’-ATTACAAGATTACCATGT-3’ mutaţie G4→A
3’-TAATGTTCTAATGGTACA-5’
Transcripţie
5’-AUUACAAGAUUACCAUGU-3’ ARNmmut
Translaţie
Leu – Thr – Arg – Leu – Pro – Cys polipeptidan
Caracter fenotipic patologic
Calitatea ADN
Calitatea sau cantitatea
proteinelor celulare şi
extracelulare
Calitatea şi longevitatea vieţii
Cunoaşterea --- cheia
succesului medicului sec XXI