Curs 4 Nucleul. Acizi nucleici. Notiuni de genetica moleculara

Biologie Celulara si Histologie Curs 4 Nucleul. Acizi nucleici. Notiuni de genetica moleculara

Cuprins Nucleul celular structura Acizi nucleici Transcriptia, translatia informatiei genetice; sinteza de proteine Ciclul celular

Nucleul celular Membrana de acoperire (anvelopa nucleara) dubla, cu pori Lamina nucleara retea de filamente cu rol suportiv (asemanator citoscheletului) Interiorul nucleului: Matricea nucleara = retea fibrilara, care contine proteine Nucleoplasma = substanta fluida Cromatina = materialul genetic Corpi nucleari: Nucleolul implicat in sinteza si asamblarea ribozomilor

Nucleul celular http://spectorlab.cshl.edu/domains.html

Structura nucleului Anvelopa nucleara Membrana externa se continua cu membrana RE Membrana interna intre ele spatiul perinuclear (10-50 nm), se continua cu lumenul RE Rol de separare a materialului genetic de citoplasma Pori nucleari Structuri proteice complexe Proteinele din alcatuire = nucleoporine Diametrul total 100nm; diametru neobturat 10 nm Roluri: Difuzie pasiva a moleculelor mici, hidrosolubile Transport activ al moleculelor mari (proteine, subunitati ribozomale, ARN) Proteinele transportoare = kariopherine (exportine / importine) Mike Jones

Structura nucleului Cromatina materialul genetic celular contine ADN, proteine (histone), ARN Modul de organizare depinde de faza ciclului celular Tipuri de cromatina: Eucromatina zona mai putin compacta; contine gene exprimate frecvent de catre celula Heterocromatina zona mai compacta; gene exprimate rar (1) ADN dublu spiralat. (2) Lant de cromatina (ADN + histone). (3) Cromatina in interfaza, cu centromer. (4) Cromatina condensata, in profaza (sunt prezente 2 copii ale moleculelor de ADN) (5) Cromozom in metafaza Magnus Manske

Structura nucleului Niveluri de baza de organizare a cromatinei: ADN infasurat in jurul histonelor (modelul sirului de margele ); nucleozomii sunt conectatii intre ei prin segmente de ADN de legatura (linker DNA) Fibre compacte de cromatina condensata Cromozomi (in metafaza) (23 de perechi; 46 crz); brat scurt (p) si brat lung (q) Definitii: Nucleozom = unitatea structurala a cromatinei; miez histonic + ADN infasurat Histone = proteinele care intra in alcatuirea cromatinei; histone care alcatuiesc miezul pe care se infasura ADN-ul + histone de legatura H1 Telomer = secvente repetitive de ADN, situate la capetele terminale ale cromozomilor liniari; compenseaza pentru replicarea semiconservativa incompleta a ADN-ului din zonele terminale ale cromozomilor Centromer = zona de ADN situata spre mijlocul cromozomului, unde cele doua cromatide vin in contact; la nivelul lui se ataseaza kinetocorul, cu rol in separarea celor doua cromatide in timpul diviziunii celulare Cromatida = una din cele doua copii identice de ADN dintr-un cromozom; sunt atasate la nivelul centromerului

Organizarea cromatinei

Structura nucleului Nucleolul zona in care este transcris ARN-ul ribozomal Format in jurul unor locusuri genetice definite = Regiuni de Organizare Nucleolara (NOR), care sunt repetari ale unor gene pentru ARN ribozomal si pot fi gasite pe mai multi cromozomi Alte exemple de corpi subnucleari: Corpi Cajal contin coilina (prot); roluri in procesarea ARN-ului Corpi gemeni similari ca functie si structura corpilor Cajal Contine ADN, ARN, proteine Domenii PIKA (polymorphic interphase karyosomal associations) functie neclara; asociate ca locatie cu domenii PTF (rol promotor in transcriptia snarn) Corpi PML probabil, rol regulator al transcriptiei Speckles, paraspeckles compartimente in spatiul intercromatinian

Codul genetic

Baze azotate Adenina (A) Citozina (C) Guanina (G) Timina (T) / Uracil (U) Formeaza perechi, unite intre ele prin legaturi de hidrogen A-T (A-U); C-G Formarea de perechi este mecanismul de la baza: Cuplarii celor doua lanturi de ADN in structura de dublu helix Copierii ADN in ARN mesager

Codoni. Aminoacizi Codon = grupare de 3 baze azotate succesive, din structura unui acid nucleic, si care codifica un aminoacid Aminoacid = molecula care contine atat gruparea carboxil, cat si gruparea amino; lanturile de aminoacizi formeaza peptide si proteine 20 aminoacizi standard, codificati de codul genetic:

Codoni. Aminoacizi

Acizi nucleici Tipuri de acizi nucleici: ADN = acid dezoxiribonucleic ARN = acid ribonucleic ARN cu rol in translatie ARNm mesager ARNt de transfer ARNr ribozomal ARNtm transfer-mesager (bacterii) ARN cu rol reglator: miarn micro-arn siarn small interfering ARN piarn piwi ARN ARN antisens ARN CRISPR sistem regulator ARN lung non-cod

Acizi nucleici

Acidul dezoxiribonucleic 2 lanturi nucleotidice antiparalele, spiralate 1 nucleotid = 1 baza azotata + 1 molecula deoxiriboza + 1 grupare fosfat Intre cele 2 lanturi exista legaturi de H, intre perechile de nucleotide (fiecare lant reprezinta copia in oglinda a celuilalt) Sens de polimerizare opus al celor 2 lanturi Structura de α-helix Zephyris Date geometrice: Planul nucleotidelor este perpendicular pe axul principal al helixului Diametrul: 2.2-2.4 nm Lungimea unui nucleotid: 0.33 nm Lungime variabila (poate ajunge la zeci de milioane de baze azotate)

Acizi ribonucleici 1 lant nucleotidic 1 nucleotid = 1 baza azotata + 1 molecula riboza + 1 grupare fosfat Timina este inlocuita de uracil Sintetizat prin copierea unei regiuni de ADN (pe baza complementaritatii bazelor azotate); procesul se numeste TRANSCRIPTIE Enzima care sintetizeaza ARN-ul se numeste ARNpolimeraza

Acizi ribonucleici ARN implicat in transcriptie ARN mesager (mrna) Sintetizat in nucleu Transporta informatia genetica de la nucleu la ribozomi ARN de transfer (trna) Transfera un anumit aminoacid in continuarea lantului polipeptidic care se sintetizeaza in ribozomi ARN ribozomal (rrna) Sintetizat in nucleol Componenta catalitica, in procesul de sinteza proteica ribozomala ARN cu rol reglator microarn (mirna) Actioneaza prin interferenta ARN; impreuna cu o enzima, se cupleaza prin complementaritate de un ARN mesager, pe care il poate degrada, poate bloca transcriptia acestuia etc. Small interfering ARN (sirna) Sunt frecvent fragmente de ARN viral; actioneaza prin interferenta ARN; pot influenta gradul de expresie al unei gene ARN antisens De obicei inhiba expresia unei gene, dar pot actiona si ca activatori de transcriere ARN lung, non-codant Ex: Xist se infasoara in jurul cromozomului X si ii blocheaza expresia

Calea de traducere a informatiei genetice O anumita gena este copiata in mrna = TRANSCRIPTIE marn este transportat la nivel ribozomal Pe baza matricii de marn se sintetizeaza proteina = TRANSLATIE (TRADUCTIE)

Transcriptia ADN Gena = unitatea de baza a ereditatii unui organism Structura: informatia utila = intron este marginita de doua zone nonsens = extroni Etapele transcriptiei: Initierea = legarea ARN-polimerazei (RNAP) la secventa promotor din ADN, prin intermediul unui complex de transcriptie Elongarea = RNAP parcurge unul din lanturile ADN-ului si sintetizeaza prin complementaritate lantul de mrna Finalizarea = incetarea transcriptiei; mecanismele nu sunt inca elucidate complet, este cunoscut faptul ca presupune poliadenilare (adaugarea la sfarsitul secventei mrna a unei succesiuni de A)

Translatia mrna Reprezinta prima etapa a sintezei proteice traducerea informatiei genetice din mrna in lanturi polipeptidice Are loc la nivelul ribozomilor Pas premergator activarea trna: legarea covalenta aminoacizilor de segmentul de trna corespunzator (conform codului trinucleotidic) ETAPE: Initiere: legarea subunitatii mici a ribozomilor de lantul mrna; deplasarea acesteia pe lant, pana cand intalneste codonul start; legarea subunitatii mari ribozomale de mrna si a unui trna promotor la nivelul zonei P a ribozomilor Elongare: legarea unui nou trna in zona A ribozomala; crearea unei legaturi covalente intre cei 2 aminoacizi invecinati (legati de moleculele de trna); desprinderea trna din zona P; alunecarea ribozomului astfel incat zona A ramane din nou libera si continuarea ciclului Fiecare etapa necesita prezenta unui factor de elongare si consuma energia furnizata de o molecula de GTP Finalizare: alunecarea ribozomului este oprita de intalnirea unui codon stop; legarea unui factor de eliberare determina oprirea sintezei, desprinderea ribozomului si eliberarea in citoplasma a peptidului nou sintetizat

Translatia mrna http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/biologypages/t/translation.html http://www.johnkyrk.com/dnatranslat.swf

Dogma centrala a geneticii Crick, 1953 Informatia nu poate fi transmisa de la proteina inapoi la ARN/ADN sau de la o proteina la alta proteina SENS UNIC DE CIRCULATIE A INFORMATIEI: ADN ARN proteina S-au descoperit insa abateri de aceasta teorie: Revers-transcriptia = transcrierea informatiei din ARN in ADN; prezenta la retrovirusuri (ex: HIV), unele bacterii Replicarea ARN = copierea ARN in alt ARN (virusuri, bacterii) Situatii speciale: Transcrierea directa a ADN-ului in proteine (in vitro) Transmiterea informatiei prionice o proteina se autoreplica inducand modificari conformationale unei proteine cu aceeasi secventa de aminoacizi

Circuitul informatiei genetice Daniel Horspool

Ciclul celular Reprezinta etapele prin care trece o celula, finalizate cu diviziunea celulara ETAPE: 1. Interfaza: G1 S G2 2. Faza de diviziune (mitoza) Profaza Metafaza Anafaza Telofaza http://nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2001/cellcycle_eng.jpg

Interfaza Perioada din ciclul celular in care celula creste in dimensiuni, sintetizeaza acizi nucleici si proteine Etape: G1 (Gap 1) Crestere in dimensiuni Cresterea volumului citoplasmatic Sinteza proteica Sinteza de organite S (Synthesis) Duplicarea ADN-ului (replicare semiconservativa) G2 (Gap 2) Celula isi reia cresterea ca pregatire in vederea mitozei Daca celula nu se mai divide, ramane definitiv in aceasta faza Unele celule pot intra din G1 in faza G0, care este tot o faza de crestere, insa are loc in afara ciclului celular (celula nu se pregateste pentru diviziune). Ulterior, acestea: Pot ramane indefinit in starea G0, pana la moartea organismului Pot intra in procesul de apoptoza (moartea celulara programata) Pot reintra in ciclul celular si reincepe a se divide

Mitoza (faza M) Mitoza = procesul prin care celula isi imparte cromozomii in doua seturi identice, pentru doua celule-fiice Citokineza = procesul prin care celula imparte nucleul, citoplasma, organitele etc in doua parti pentru doua celule-fiice Etape: PROFAZA Prometafaza METAFAZA ANAFAZA TELOFAZA

Mitoza - Etape

Meioza Forma deosebita de diviziune celulara; numarul de cromozomi la celulele fiice este redus la jumatate Celulele rezultate sunt gameti; se pot divide doar dupa fecundare cu o alta celula gametica ETAPE: Meioza I cromozomii homologi se impart intre doua celule-fiice Meioza II celulele-fiice se subidivid (prin impartirea cromatidelor) in 4 celule gametice (este similara ca mecanism mitozei) http://www.harlem-school.com/10th/sci_pdf/graphics/meiosis.gif

Fazele meiozei I Profaza Pro-metafaza Meioza I Metafaza Anafaza Telofaza Cariokineza Meioza II

Bibliografie suplimentara http://spectorlab.cshl.edu/movies.html http://www.genome.gov/education/ http://learn.genetics.utah.edu/content/begin/dna/transcribe/ http://www.cellsalive.com/ Toate imaginile utilizate in curs (cu exceptia situatiilor unde este precizata alta sursa) sunt preluate din baza Wikimedia Commons. Numele autorilor este precizat in dreptul imaginii. Imaginile unde nu sunt precizate numele autorilor apartin domeniului public.