Catedra Biologie moleculară şi Genetică umană biologiemoleculara.usmf.md acces: bmgu 1 Tema 1 Macromoleculele = biopolimerii Tipuri Structură Biogeneză Proprietăţi Funcţii Localizare Interacţiuni 2 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 1
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. 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 5 MONOMER POLIMER dn dn dn dn dn dn dn dn dezoxiribonucleotid Catenă ADN N ribonucleotid N N N N N N Catenă ARN N a.a. a.a. a.a. a.a. a.a. a.a. a.a. a.a. aminoacid Catenă polipeptid = proteină 2
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 7 8 ADN acid dezoxiribonucleic Monomeri Structura Primară Secundară Terţiară Localizare Proprietăţi Funcţii Biogeneza Particularităţile ADN uman Studiul ADN 9 3
Monomeri ADN: 4 tipuri de dezoxiribonucleotide (dntp dnmp) datp sau damp dgtp sau dgmp dctp sau dcmp dttp sau dtmp Momomerul ADN γ P β P α P O 5 C C 4 C3 C 1 C2 N N baza azotată -Pu Adenina Guanina -Py Timina Citozina dntp dnmp 12 4
3' 5' fd Monomer nucleotidele (dnmp) Structura primară: catena polinucleotidică nucleotide unite prin legaturi fosfodiesterice (fd) fd fd Structura secundară: bicatenară 2 catene polinuleotidice antiparalele complementare 5' 3' Structura ADN I catena polinucleotidică II dublul helix = două catene Complementare antiparalele spiralizate unite prin legături de hidrogen III DNP = dezoxiribonucleoproteid 14 15 5
Rosalind Franklin Maurice Wilkins James Watson şi Francis Crick alături de modelul structurii secundare a ADN. 16 Complementaritatea ADN asigură: stabilitatea moleculei ADN; mecanismul replicării; mecanismul transcripţiei; mecanismul recombinării; mecanismul reparării leziunilor ADN 17 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 18 6
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 ) Replicarea = dublarea ADN = dublarea IG = transmiterea IG 20 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 21 7
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 22 Particularităţile ADN uman ADN nuclear (nucleul celulei somatice, diploid) cu o lungime de ~ 6,4x10 9 p.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. 23 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) 8
25 Particularităţile ADN uman 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 26 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% 27 9
Genomul nuclear SECVENŢE OBLIGATORII -Gene structurale (codificatoare de proteine) -Gene pentru ARNt, ARNr; -Palindromi; SECVENŢE FACULTATIVE Elemente mobile Pseudogene ADN viral - ADN satelit (c,t ) 28 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 satelit rol structural, formează regiunile de heterocromatină constitutivă (c, t, h, s) ADN minisatelit markeri genetici ai crs ADN microsatelit markeri genetici individuali SINEs (Short interspersed elements) 11% LINEs (Long interspersed elements) 16% 29 Studiul ADN pentru: Stabilirea structurii genelor normale şi mutante Depistarea mutaţiilor Diagnosticul bolilor genice Analiza polimorfismului individual 30 10
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) 31 32 33 11
Gena structurala Gena ARNr Gena ARNt Gena structurala Transcripţie Processing ARNm ARNr ARNt ARNm Insulina Miozina!!! Toate tipurile de ARN sunt transcrise de pe ADN!!! ARN - este complementar unei catene de ADN - este identic cu cealaltă catenă 1 2 3 Transcripţie Processing ARNm ARNr ARNt ADN transcripţie ARN precursor processing prearnm prearnr prearnt ARNhn ARNr ARNr + proteine ribozomale = ribozomi Sediul sintezei proteinelor ARNt f u n c ţ i e Transportă aminoacizi spre ribozomi Translează codul genetic din ARNm ARNm f u n c ţ i e Copia codului genetic despre structura proteinei Matriţă pentru sinteza proteinei în timpul translaţiei 12
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 ARNt 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 Structura secundară a ARNr 5S 13
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. ARNr Tipul celulelor Procariote Eucariote, nucleu Eucariote, mitocondrii Coeficientul de sedimentare 5S 16S 23S 5S 5,8S 18S 28S 12S 16S 41 microarn ARNsn ARN-primer ARN-telomerazic ARN din componenţa spliceosomei ARNsc Ribozime ARN de interferenţă 42 14
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 15
Heterogenitate; Proprietăţile majore ale proteinelor 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 Proteine structurale enzime transport contractia musculara semnale, hormoni protectie reglarea exprimarii genelor matricea tisulara Proteaze, lipaze, nucleaze, polimeraze... Hb, transferina actina, miozina insulina, STH Ig, IFN factori de transcripţie elastina,colagen 16
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 compacta de 100-400 AA care determină o funcţie Configuraţia domeniului corespunde configuraţiei mol cu care interacţonează Relaţia: structură mediu funcţie Structura chimică primară Factorii de mediu t o, ph, P, h, cofactori, etc. Configuraţia spaţială Conformaţia (forma moleculei) Proprietăţile moleculei Funcţiile moleculei 17
Expresia IG ADN ARNm Proteină Caracter 5 -ATTGCAAGATTACCATGT-3 Catena codogenă (netranscrisă) 3 -TAACGTTCTAATGGTACA-5 Catena anticodogenă (transcrisă) Transcripţie 5 -AUUGCAAGAUUACCAUGU-3 Translaţie ARNm Leu Ala Arg Leu Pro Cys polipeptid Caracter fenotipic normal Expresia IG ADN mut ARNm mut Proteină an Caracter an 5 -ATTACAAGATTACCATGT-3 mutaţie G 4 A 3 -TAATGTTCTAATGGTACA-5 Transcripţie 5 -AUUACAAGAUUACCAUGU-3 Translaţie ARNm mut Leu Thr Arg Leu Pro Cys polipeptid an Caracter fenotipic patologic Calitatea ADN Calitatea sau cantitatea proteinelor celulare şi extracelulare Calitatea şi longevitatea vieţii Cunoaşterea --- cheia succesului medicului sec XXI 18