nota medie biologie moleculară şi genetică umană (cimitidin -trifosfat) cmp (cimitidin...
TRANSCRIPT
1
1
Catedra Biologie moleculară şi
Genetică umană
www.bimogeum.ucoz.com
2
Cursul Biologie moleculară Semestrul I Prelegeri – 34 ore
Lucrări practice – 51 ore două totalizări (lucrare scrisă + teste la calculator)
teste – evaluări curente pe compartimente
Nota medie – componentă a notei finale de la examen
Examen Admiterea studenţilor
cu două totalizări susţinute
fără absenţe
Consultaţii curente - tematice
Cerc ştiinţific studenţesc
3
DORINŢĂ
MUNCĂ SISTEMATICĂ
INSISTENŢĂ
ÎNDRĂZNEALĂ
DISCIPLINĂ
CREATIVITATE
4
ORGANISMELOR VII = SISTEMELOR BIOLOGICE
funcţia dezvoltarea structura rel. cu mediul
BIOLOGIA
ŞTIINŢA DESPRE VIAŢĂ
5
BIOLOGIA
Biologia
moleculară
Anatomia
Citologia Histologia
Genetica
Biochimia
Imunologia Ecologia
Patologia
Fiziologia
6
Revoluţia agricolă – sec. XVII-XVIII
Revoluţia industrială – sec. XIX
Revoluţia informaţională – sec. XX
Revoluţia genetică – sec. XXI
2
7
Sisteme de
organe
Organe
Ţesuturi
Celule
Macromolecule
Micromolecule
Obiectul
BIOLOGIEI
MOLECULARE
23 mol
ADN
23
ADN
46 mol
ADN
46 mol
ADN
46 mol
ADN
46 mol
ADN 46 mol
ADN
Celule limfatice – 374
Celule endoteliale – 1031
Glande salivare – 17
Glanda tiroidă – 584
Glande paratiroide – 46
Muşchi netezi – 127
Glande mamare – 696
Pancreas – 1094
Splina – 1094
Suprarenale – 658
Vezica biliară – 788
Intestinul subţire – 297
Placenta – 1290
Muşchi striaţi – 735
Prostata – 1283
Leucocite – 2164
Creier – 3195 gene
Ochi – 547 gene
Oase – 904 gene
Ţesut adipos – 581 gene
Timus – 261 gene
Esofag – 76 gene
Plămâni – 1887 gene
Inima – 1195 gene
Ficatul – 2091 gene
Eritrocite – 8 gene
Trombocite – 22 gene
Intestinul gros – 874 gene
Rinichi – 712 gene
Testicul – 370 gene
Ovar – 504 gene
Uter – 1859 gene
Embrion – 1989 gene
Piele – 620 Tunica sinovială – 813 gene
Gene implicate în dezvoltarea şi
funcţionarea organelor şi
ţesuturilor la om
11
Unităţi de măsură în BM De lungime
1 mm = 10-3 m
1 μm = 10-6 m
1 nm = 10-9m
1 = Å 10-10 m
De greutate 1 Da = 1,66.. X10-24g (1uc)
kDa = 1000 Da
Dimensiuni AN 1 pb = 1pn
1 Kb = 1000 pn
1 Mb = 1 000 000 pn
Coeficient de sedimentare la centifugare S
3
13
Importanţa BM în medicină
Asigură înţelegerea organizării şi funcţionării tuturor organismelor
Stă la baza altor ştiinţe bio-medicale
Genetica
Biochimia
Fiziologia
Fiziopatologia
Farmacologia
Asigură înţelegerea mecanismelor de apariţie a maladiilor
Stă la baza metodelor contemporane de diagnostic
Stă la baza elaborării medicamentelor de generaţie nouă
14
Unitatea structurală, funcţională a viului - celula
15
ORGANISM VIU
Sistem deschis cu schimb permanent cu mediul de: substanţe;
energie;
informaţie.
Sistem caracterizat prin: autoreproducere
autoreglare
autoreînnoire
Sistem ce are un program: codificat în moleculele ADN
realizat prin sinteza ARN şi proteine
16
CELULA
Compoziţia chimică
Structura generală
Diversitatea
Proprietăţi
Funcţii
Integralitate
17
Compoziţie chimică
18
Setul de componente necesare: Organizarea generală a celulei
Membrana citoplasmatică
Citoplasma cu organite
Nucleul
Aparatul
metabolic
Sinteză SO
Scindare SO
Detoxifiere
Energetic
Semnalizare
Aparatul
genetic Material genetic
Aparat de
replicare
Aparat de
reparare
Aparat de
transcripţie
Aparatul
superficial
Barieră
Transport
Recepţie
Contacte cel.
Apărare
4
19
Celula procariotă
Celula eucariotă
Celula procatiotă
Fără nucleu
Membrana celulară glico-lipo-
proteică
Citoplasma
necompartimentalizată
Materilalul genetic:
Nucleoidul – molecula ADN
inelară, fixată de membrana
plasmatică
Plasmide – mol ADN mici
inelare
Expresia IG
Transcripţie
Translaţie
Transmiterea IG
Replicarea ADN
Diviziunea directă a cel
(amitoza)
Mod de organizare:
Organisme monocelulare
Celula eucatiotă Cu nucleu bine diferenţiat
Membrana celulară glico-lipo-proteică
Citoplasma compartimentalizată în mai multe organite membranare
Materilalul genetic:
mol ADN lineare compactizate sub formă de cromatina sau cromozomi
mol ADN mitocondrial, mici inelare
Expresia IG
Transcripţie
Processing ARN
Transfer ARN din nucleu în citoplasma
Translaţie
Conformaţia proteinelor
Transmiterea IG
Replicarea ADN
Diviziune indirectă a cel (mitoza, meioza)
Mod de organizare:
Organisme monocelulare
Organisme pluricelulare
21
Diversitatea celulelor organismului uman
•Organismul uman – alcătuit din ~200 tipuri celule
•Celulele conţin material genetic identic
•Celulele au structură asemănătoare, dar formă diferită
•Celulele au proprietăţi şi funcţii diferite, determinate de
expresia diferenţiată a informaţiei genetice
22
Diversitatea celulelor organismului uman
Diferite celule ale organismului au
genom identic + proteinom diferit
23
Tema 1 Macromoleculele = biopolimerii
Tipuri
Structură
Biogeneză
Proprietăţi
Funcţii
Localizare
Interacţiuni
24
STRUCTURA PROPRIETĂŢILE
FUNCŢIILE celulei
bazate pe un substrat molecular
ADN – conţine informaţia
ARN – asigură sinteza proteinelor
Proteinele – asigură vitalitatea
5
25 26
Relaţiile macromoleculelor în celulă
ADN ARN Proteine
Hidraţi de carbon
Lipide
Transcripţie Translaţie
Cataliză - sinteză
27
Funcţiile principale ale macromoleculelor
ADN ?
ARN ?
Proteine ?
Hidraţii de carbon (glucide) ?
Lipide ?
Complexe supramoleculare
ADN + proteine = DNP
(dezoxiribonucleooproteide)
ex.: cromosomii
ARN + proteine = RNP (ribonucleooproteide)
ex.: ribosomii
Lipide + proteine = lipoproteide
ex.: membrana plasmatică
Glucide + proteine = glicoproteide
ex.: acidul glucuronic
DNP RNP
6
Membrane Localizarea macromoleculelor în celulele umane
ADN
Localizat ….
Sintetizat ….
ARN
Localizat …..
Sintetizat ……
Proteine
Localizate …..
Sintetizate ……
Lipide
Localizate …..
Sintetizate …..
Glucide
Localizate …..
Sintetizate …..
33
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
34
Monomer Dimer Trimer
Tetramer Pentamer
Polimer
dN
N
a.a.
dN dN dN
dN dN dN
N N N
N N N
a.a. a.a.
a.a. a.a. a.a. a.a.
dezoxiribonucleotid
ribonucleotid
aminoacid
MONOMER POLIMER
Catenă ADN
Catenă ARN
Catenă polipeptidică =
proteină
Structura macromoleculelor Monomeri ADN (acid dezoxiribonucleic):
4 tipuri de dezoxiribonucleotide (dNTP→dNMP)
dATP (deoxi-adenozin-trifosfat) → dAMP (deoxi-adenozin-monofosfat)
dGTP (deoxi-guanozin-trifosfat) → dGMP (deoxi-guanozin-monofosfat)
dCTP (deoxi-cimitidin-trifosfat) → dCMP (deoxi-cimitidin-monofosfat)
dTTP (deoxi-timitidin-trifosfat) → dTMP (deoxi-timitidin-monofosfat)
Monomeri ARN – acid ribonucleic:
4 tipuri de ribonucleotide (NTP→NMP)
ATP (adenozin-trifosfat) → AMP (adenozin-monofosfat)
GTP (guanozin-trifosfat) → GMP (guanozin-monofosfat)
CTP (cimitidin-trifosfat) → CMP (cimitidin-monofosfat)
UTP (uridin-trifosfat) → UMP (uridin-monofosfat)
Monomeri ai proteinelor:
20 tipuri de aminoacizi (bazici, acizi, neutri)
Ala
Val
Ser
His
Pro
....
7
37
Structura macromoleculelor
Structura primară ADN Catena polinucleotidică
nucleotidele polimerizează prin legături covalente fosfodiesterice;
ordinea nucleotidelor este aleatorie = codul genetic;
5' AGTGCATACGTACGGACATT ... 3‘
Structura primară ARN Catena polinucleotidică
nucleotidele polimerizează prin legături covalente fosfodiesterice;
ordinea nucleotidelor este copia ADNului;
5' AGUGCAUACGUACGGACAUU ... 3‘
Structura primară a proteinelor Lanţ polipeptidic
Aminoacizii polimerizează prin legături covalente peptidice
Ordinea aminoacizilor este determinată de ordinea codonilor în ARNm (copia unei secvenţe din ADN)
NH2.Ser-Ala-Tyr-Val-Arg-Thr...
8
Structura macromoleculelor Structura secundară ADN
Două catene unite prin punţi de H: Complementare – AT şi G C;
Antiparalele;
Dubluspiralate;
Structura secundară ARN Plierea catenei poliribonucleotidice:
bucle prin unirea (punţi de H) complementară a b.a. (AU şi G C)
Fiecare buclă = situs funcţional:
Conformaţia buclelor, numărul lor este specifică fiecărui ARN în parte.
Structura secundară a proteinelor Plierea catenei polipeptidice (punţi de H)
-spirale
-structuri
5' A T G C A T A C G T A C G A T 3‘
3‘ T A C G T A T G C A T G C T A 5'
Structura macromoleculelor
Structura terţiară a ADN
ADN+proteine histone+proteine non-histone
Cromatina
cromozomul
Structura terţiară a ARN
ARN+proteine
ARNr+proteine ribozomale ???
ARNt+proteine
ARNm+proteine
Structura terţiară a proteinelor
Plierea -spiralelor şi -structurilor prin punţi biS
Forma globulară
Structura macromoleculelor Structura cuaternară a proteinelor
Combinarea funcţională a mai multor polipeptide
Ex:
2 -globine + 2 -globine = Hb
2 -peptide + 2 -peptide = receptor insulinic
2 catene L (light) + 2 catene H (heavy) = Ig (Ac)
(-tubulia + -tubulina)n = microtubuli
…..
47
Acizii nucleici
ADN:
molecule bicatenare;
deţine informaţia genetică codificată
despre....
ARN – molecule monocatenare:
ARNm – copia IG, matriţa pentru sinteza proteinelor
ARNt – transportă aminoacizi, translatori ai codului genetic
ARNr – component al ribozomilor, controlul translaţiei
microARN – reglarea expresiei IG
48
9
49
ADN acid dezoxiribonucleic
Monomeri
Structura
Primară
Secundară
Terţiară
Localizare
Proprietăţi
Funcţii
Sinteză
Particularităţile ADN uman
Metode de studiu
Momomerul ADN
N
P P P
3’
C
C C
C
C
O
2’
4’
5’
1’
α β γ
dNTP – nucleotid – nucleozid trifosfat
nucleozid
N – baza azotată
-Pu – Adenina
Guanina
-Py – Timina
Citozina
51
dNMP = monomeri ADN
Monomer – nucleotidele (dNMP)
Structura primară:
catena polinucleotidică
Structura secundară:
bicatenară
54
Structura ADN
I – catena polinucleotidică
II – dublul helix = două catene spiralizate
unite prin legături de hidrogen
III – DNP = dezoxiribonucleoproteid
10
55
Structura primară a ADN
5' GCGT ... 3‘ 56
57
James Watson şi Francis Crick
alături de modelul structurii
secundare a ADN.
Rosalind Franklin Maurice Wilkins
58
Complementaritatea ADN asigură:
stabilitatea moleculei ADN;
mecanismul replicării;
mecanismul transcripţiei;
mecanismul recombinării;
mecanismul reparării leziunilor ADN
59
Conformaţia spaţială a moleculelor de ADN liniar Tip 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°
60
Structura terţiară ADN + proteine = DNP
ADN + proteine situs-specifice= complex funcţional
ADN nuclear + proteine histone = cromatina ↔ cromozomii
11
Proprietăţile ADN Replicare
dublarea IG Reparaţie
Identificarea, înlăturarea greşelilor Denaturare
ruperea legăturilor de H Renaturare
refacerea dublului helix Heterogenitate
varietatea secv. nucleotidice Flexibilitate
A↔B↔Z Fragilitate
sensibilitate la factori mutageni Migrare în câmpul electric (ADN are “—”)
Hibridizare
molecule de diferită origine formează noi molecule
62
Replicarea
= dublarea ADN = dublarea IG = transmiterea IG
63
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
globina
globina
Insulina
actina
miozina
Imunoglobulina
Exemple
Hb
Reglează nivelul
glucozei
Apărare imună
Asigură
contracţiile
musculare
Concluzii:
ADN are secvenţe codante = gene: Gene p/u proteine ARNm ~ 30 000
Gene preARNr ~ 250
Gene ARNr 5S ~ 2000
Gene ARNt ~ 1300
Gene p/u microARN
ADN are secvenţe necodante Secv. reglatoare
Secv. spaţiatori
Secv. satelit (cen, t)
Secv. minisatelit (markeri crs)
Secv. microsatelit (markeri individuali)
66
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
12
67
Particularităţile ADN uman ADN 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.
68
69
Anemia cu hematii falciforme
A→T 17
70
Indivizii homozigoţi recesivi
Hemoglobină anomală
Hematii falciforme (în formă de seceră)
Distrugerea rapidă a
celulelor falciforme
Lipirea celulelor şi
blocarea circulaţiei
sanguine
Acumularea celulelor
falciforme în splină
Anemie Dereglări locale în alimentare sanguină
Supraactivitatea
măduvei osoase
Defecte
cardiace
Defecte în
activitatea
musculară
Defecte în
tractul
gastrointestinal
Creşterea cantităţii
măduvei osoase
Dilatarea
cordului Afectarea
plămânilor
Dereglări
cerebrale
Defecte
renale
Deformări
scheletice
Diminuarea
activităţii
mintale
Dereglări
cardiace
Pneumonie Paralizie
Dureri
nespecifice
Dereglări
renale
Fibroza
splinei
71
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
72
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%
13
73
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
74
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%
75
Stabilirea structurii genelor normale şi
mutante
Depistarea mutaţiilor
Diagnosticul bolilor genice
Analiza polimorfismului individual
Studiul ADN pentru:
76
ARN – acid ribonucleic
Monomeri – NTP (ATP, GTP, CTP, UTP);
Structura primară – catena polinucleotidică;
Structura secundară – bucle;
Structura terţiară – RNP (ARN+proteine)
77 78
Monomeri ARN - NTP
14
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
1 2 3 4
ARNm ARNr ARNt
Transcripţie
Processing
1 2 3
ADN
ARN precursor
ARNt ARNr 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
preARNt ARNhn
f
u
n
c
ţ
i
e
f
u
n
c
ţ
i
e
ARNm – ARN mesager (informaţional, matricial)
Molecule monocatenare, heterogene
Se obţin prin transcrierea catenei anticodogene a genei structurale şi processing-ului
pre-ARNm
Conţine informaţia 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
15
ARNr – ARN ribozomal
Molecule monocatenare
ARNr se sintetizează prin transcripţia genelor ARNr, în regiunea nucleolului
Intră în componenţa ribozomilor
18S + 33 proteine = 40S
5S + 5,8S + 28S + 49 proteine = 60S
Asigură interacţiunea dintre subunităţile ribozomale, ribozom-ARNm, ribozom-ARNt.
86
ARNr
Tipul celulelor Coeficientul de sedimentare
Procariote
5S
16S
23S
Eucariote,
nucleu
5S
5,8S
18S
28S
Eucariote, mitocondrii 12S
16S
87
microARN
ARNsn
ARN-primer
ARN-telomerazic
ARN din componenţa spliceosomei
ARNsc
Ribozime
ARN de interferenţă
Structura proteinelor
Monomeri – 20 tipuri de aminoacizi
Primară – lanţul polipeptidic de
aminoacizi (ordinea a-a controlată de codul genetic ADN)
Secundară – -spirale şi -structuri
Terţiară – globulară
Cuaternară - mai multe polipeptide formează o proteină complexă
!!! pot forma complexe cu alte proteine sau alte molecule (AN, glucide, lipide)
Formarea legăturilor peptidice Formarea polipeptidului
16
Structura proteinelor
Structura primară a ribonucleazei A (RNase A)
Structura secundară a ribonucleazei A (RNase A)
Arhitectura proteinelor
Tranzitii conformationale ale hexokinazei
•Domeniu: regiune compacta de 100-400 AA, specificata de un exon al genei, care determină o funcţie
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
Proprietăţile majore ale proteinelor
Heterogenitate;
Pot fi bazice, acide sau neutre;
Interacţionează specific cu alte molecule;
Catalizatori eficienţi;
Adaptabilitate....
!!! Substratul moilecular al tuturor structurilor,
fucţiilor şi însuşirilor organisnului viu
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
99