Genetica moleculară

Structura şi funcţiile acizilor nucleici

Virusul mozaicului tutunului (VMT)

Genom viral (ARN)

Capsida proteică

Structura chimică a acizilor nucleici

Acizii nucleici sunt substanţe macromoleculare alcătuite din unităţi structurale care se repetă – nucleotide

Nucleotida

bază azotată

zahăr

radical fosforic

baze purinice

baze pirimidinice

riboza în ARN

dezoxiriboza în ADN(pentoză)

N

N

N

NH

N

N

N

N

NH2

H

N

N

N

N

OH

H2N H

Baze purinice – derivaţi de la purină

Purina

Adenina (A) (6

aminopurina)

Guanina (G)(hidroxiaminopurina)

N

N

N

N

OH

CH3

HO

N

NHO

NH2

N

NHO

OH

Baze pirimidinice – derivaţi de la pirimidină

Pirimidina

Uracil (U)

Citozină (C) Timină (T)

C

C C

CO OH

OH OH

CH2HO

HH H

H

C

C C

CO OH

OH H

CH2HO

HH H

H

Riboza Dezoxiriboza

Zaharul

N

N

N

N

NH2

H

N

N

N

N

NH

H

H

Tautomeria este capacitatea unor substanţe de a se afla în forme diferite (izomeri de poziţie) datorită legăturilor chimice conjugate pe care le conţin.

N

N

N

NH2N

OH

H

N

N

N

N

O

HN

H

HH

Nucleotida

PO4

Zahăr

Baza azotată

H2O2

CC C

CO

H

H

H

OH

CH2

H

O

P O

OH

OH

H

N

N

N

N

NH2

CC C

CO

H

H

H

OH

CH2

H H

OHHO

N

N

N

N

NH2

HOH

P O

OH

OH

CC C

CO

H

OH

H

OH

CH2

H H

OHHO

OH

P O

OH

OH N

N

O

NH

H

H

H2O2

CC C

CO

H

OH

H

OH

CH2

H H

OH

OH

OP

O N

N

O

NH

H

Nucleotidele se leagă între ele prin intermediul radicalului fosforic formând catene

CC C

CO

H

H

H

O

CH2

H H

OH

O

OP

O N

N

O

NH

H

OH OP

O

Nucleotidele se leagă între ele prin intermediul radicalului fosforic formând catene

CC C

CO

H

H

H

O

CH2

H H

OH

O

OP

O N

N

O

NH

H

O

P OOH

HH

CH2

O

H

H

H

OC

CCC

N

N

N

N

NH

H

Structura primară a acizilor nucleici

Este o structură monocatenară rezultată în urma polimerizării nucleotidelor;

Caracteristica unei structuri primare este dată de ordinea nucleotidelor

P OO

HO

CH2 O

O

O

O

P OO

HO

CH2

O

O

P OO

HO

CH2

O

O

P OO

HO

CH2

N

N

N

NNH H

N

NH

N

N

NH

H

O

N

N

O

NH

H

N

N

O

OH3C H

H

A

G

C

T5'

3'

Structura secundară a ADN

A fost stabilită în 1953 de J.D. Watson, F.H.C. Crick şi M.H.F. Wilkins (premiul Nobel pentru medicină şi fiziologie în 1962)

molecula de ADN este formată din două catene, complementare, antiparalele, care formează un dublu helix (spirală dublă)

N

N

N

N

N HH

HCH3

O

O

N

N

A T

N

N

N

N H

N H

H

HHN

N

NO

O

G C

Tipuri de ADN Tipul A este întâlnit în cazul unor concentraţii

saline mari şi în cazul unor deshidratări parţiale; este prezent la hibrizii ADN-ARN precum şi în porţiunile bicatenare ale ARN.

Tipul B reprezintă structura generală a macromoleculei de ADN în regiunile active metabolic (tipul clasic).

Tipul Z este singurul tip cu răsucire spre stânga, întâlnit “in vitro”.

Denaturarea ADN Prin încălzire sau prin menţinerea la o concentraţie

ridicată de săruri, legăturile de hidrogen dintre cele două catene se desfac. Procesul se numeşte denaturare, rezultând ADN denaturat (monocatenar).

Dacă soluţia este răcită brusc, cele două catene nu se mai reunesc (nu se mai refac punţile de hidrogen).

Dacă soluţia se răceşte lent, punţile de hidrogen se refac şi catenele se reasociază, rezultând ADN renaturat.

Se pot obţine hibrizi ADN-ARN sau ADN-ADN cu catene provenind de la specii diferite.

Tipuri de ARN

ARN viral (ARN-v) este material genetic (genom viral) la ribovirusuri: VMT, virusul gripal etc.

ARN nuclear mic(ARN-nm sau ARN-sn) formează ribonucleoproteine, având rol în iniţierea sintezei proteice şi în maturarea ARN-m

ARN mesager (ARN-m) copiază informaţia genetică a unei catene de ADN şi o transferă în citoplasmă, unde se desfăşoară sinteza proteinelor. Este sintetizat în procesul de transcripţie, cu ajutorul enzimei ARN polimeraza, proces care reprezintă prima etapă a sintezei proteice.

ARN de transport sau ARN solubil (ARN-t, ARN-s) are rolul de a transporta aminoacizii la locul sintezei proteice (pe ribozomi), în procesul de translaţie a informaţiei genetice, cea de-a doua etapă a sintezei proteice.

punţi de hidrogen

locul de ataşare al aminoacidului

bucla D bucla TφC

A U A

anticodon

ARN-mU A U

codon

ARN ribozomal (ARN-r) intră în alcătuirea ribozomilor, unde este asociat cu proteinele.

Ribozomii sunt particule ribonucleoproteice de formă relativ sferică, prezente la procariote şi eucariote. Se găsesc şi în mitocondrii şi cloroplaste, organite celulare de origine endosimbiontă. Unitatea ribozomală prezintă trei locusuri (regiuni): A,P şi Ex.

Locusul A (aminoacil) este locul unde se ataşează iniţial molecula de aminoacid.

Locusul P (polipetid) este locul unde are loc formarea unei legături dipeptidice între doi aminoacizi alăturaţi.

Locusul Ex (exit) este locul unde catena polipeptidică sintetizată se desprinde de ribozom.

Funcţia autocatalitică a ADN Constă în procesul de replicare a materialului genetic

(biosinteza); Are loc în faza S a ciclului celular; În prima fază are loc sinteza nucleotidelor, urmată de

polimerizarea acestora; Replicarea ADN se realizează după modelul

semiconservativ; Conform acestui model, iniţial are loc ruperea punţilor

de hidrogen, rezultând ADN monocatenar; Ulterior fiecare catenă veche serveşte drept model

pentru sinteza unei catene noi; Vor rezulta două molecule de ADN, fiecare având o

catenă veche şi o catenă nou sintetizată;

Funcţia heterocatalitică a ADN

ADN ARN Proteine

Funcţia heterocatalitică a materialului genetic arată circuitul informaţiei genetice în celulă.

ADN

ARN-m

Proteine

Informaţia genetică

Informaţia genetică

Prima etapă – transcripţia – are loc în nucleu. Informaţia genetică din ADN este transcrisă într-o secvenţă complementară de ARN-m.

A doua etapă – translaţia – are loc în citoplasmă. Informaţia genetică din ARN este utilizată pentru sinteza unei catene proteice.

Excepţie – retrovirusurile – care au material genetic ARN pe care îl convertesc în ADN cu ajutorul enzimei revers-transcriptaza, care transcrie informaţia genetică invers, de la ARN-v la ADN. Ex. HIV

Gena

ADN

ADNTranscripţia

ARN-m

ARN-m precursorMaturare ARN-m matur

ARN-m

ribizomproteine

ADN din nucleu conţine gene ce codifică proteine specifice

Prin transcripţie informaţia genetică din aceste gene este copiată în ARN-m

Se sintetizează o moleculă de ARN-m precursor

ARN-m precursorsuferă un proces de maturare şi ARN-mmatur este transferatîn citoplasmă

La nivelul ribozomilor areloc decodificarea informaţiei genetice din ARN-m şi se sintetizează o catenă proteică

Translaţia

Codul genetic - legătura care se stabileşte între acizii nucleici şi proteine.

Este alcătuit din unităţi de codificare numite codoni.

Codonul este o secvenţă de 3 nucleotide din molecula de ARN-m care determină introducerea unui aminoacid în catena proteică.

Codul genetic este alcătuit din 64 codoni, reprezentând combinaţii de câte 3 ale celor 4 tipuri de nucleotide.

Prim

a nu

cleo

tidă

A doua nucleotidăA

treia nucleotidă

Caracteristicile codului genetic Colinearitatea – reprezintă corespondenţa

dintre secvenţa nucleotidelor din molecula de ADN sau ARN-m şi secvenţa aminoacizilor din catena proteică.

Codul genetic este nesuprapus – între doi codoni vecini nu sunt nucleotide comune.

Codul genetic este fără virgule – între doi codoni vecini nu sunt nucleotide libere.

Codul genetic este degenerat – adică un aminoacid poate fi codificat de doi sau mai mulţi codoni.

Codul genetic este universal şi are origine foarte veche – aceiaşi codoni determină introducerea aceluiaşi aminoacid la organisme diferite, cu vechime filogenetică diferită.

Codul genetic a evoluat în timp, dovadă fiind unele excepţii de la codul genetic întâlnite la organisme foarte vechi sau la codul genetic de la mitocondrii. Aceste excepţii se referă la codonii stop, care iniţial au avut rol în determinismul unor aminoacizi.

Biosinteza proteinelor

Transcripţia informaţiei genetice constă în transferul informaţiei genetice din secvenţa de nucleotide a unei catene de ADN (3'-5') într-o moleculă de ARN-m. Se realizează cu ajutorul enzimei ARN-polimeraza.

Unitatea de transcripţie este o porţiune din molecula de acid nucleic care conţine informaţia genetică pentru sinteza unei molecule de ARN-m, fiind diferită la eucariote şi procariote

La procariote o unitate de transcripţie conţine mai multe gene, (operon), fiind implicată în sinteza mai multor catene polipeptidice.

La eucariote o unitate de transcripţie conţine informaţia genetică a unei singure gene, fiind implicată în sinteza unei singure catene polipeptidice. Gena la eucariote conţine secvenţe informaţionale numite exoni şi secvenţe noninformaţionale numite introni.

În urma procesului de transcripţie la eucariote se formează ARN-m precursor, care conţine atât introni cât şi exoni.

Procesul de maturare a ARN-m se realizează în nucleu şi constă în eliminarea intronilor şi asamblarea exonilor cu ajutorul unor enzime (endonucleaze şi ligaze)

Translaţia informaţiei genetice constă în transferul informaţiei genetice din secvenţa de nucleotide a ARN-m în secvenţa de aminoacizi din catena polipeptidică.

Mesajul genetic este tradus dintr-o secvenţă de nucleotide într-o secvenţă de aminoacizi.

Translaţia se desfăşoară în citoplasmă, la nivelul ribozomilor;

Gena

ADN

ADNTranscripţia

ARN-m

ARN-m precursorMaturare ARN-m matur

ARN-m

ribozomproteine

ADN din nucleu conţine gene ce codifică proteine specifice

Prin transcripţie informaţia genetică din aceste gene este copiată în ARN-m

Se sintetizează o moleculă de ARN-m precursor

ARN-m precursorsuferă un proces de maturare şi ARN-mmatur este transferatîn citoplasmă

La nivelul ribozomilor areloc decodificarea informaţiei genetice din ARN-m şi se sintetizează o catenă proteică

Translaţia

Subunitate mică

Subunitate mare

Subunitate mare

Subunitate mică ARN-m

AP

Locusul de ataşare al ARN-m

Locusul P leagă ARN-t care transportă catena polipeptidică

Locusul A leagă ARN-t care transportă următorul aminoacid

Iniţierea

codon

anticodon

ARN-mRibozomul recunoaşte secvenţa

Locusul P Locusul Astart

Subunitatea mică a ribozomului recunoaşte codonul “start” (AUG) din secvenţa de ARN-m iar ARN-t care transportă aminoacidul metionină se alătură cu anticodonul, completând complexul de iniţiere.

5' 3' 5' 3'

Subunitatea mare a ribozomului se alătură complexului de iniţiere, ARN-t care transportă aminoacidul metionină ocupând locusul P.

Elongarea

Recunoaşterea codonului Recunoaşterea codonuluiElongare Elongare

Locusul P Locusul A

ARN-t

Anticodon

Se formează legatura peptidică: Pro se leagă de Met

Se formează o nouă legătură peptidică: Tyr se leagă de Pro şi alungeşte catena peptidică.

Întrerupere

Factorul de eliberare se alătură complexului când codonul “stop” ajunge în locusul A Factorul de eliberare

desprinde catena polipeptidică de ARN-t din locusul Exit

polipeptid

Componentele rămase se separă

ARN-t

subunitatea mică

5' 3' 5' 3'subunitatea mică

subunitatea mare

ARN-m

ARN-t

http://www.youtube.com/watch?v=D5vH4Q_tAkY&feature=related

Modificări post-translaţionale

În urma sintezei proteice rezultă o catenă polipeptidică, în care aminoacizii se află într-o succesiune caracteristică ce formează structura primară, de obicei inactivă.

Catenele polipeptidice se pot răsuci sau plia formând structura secundară;

Forma tridimensională a polipeptidelor răsucite sau pliate constituie structura terţiară;

Relaţiile structurale dintre catenele polipeptidice componente ale unei proteine formează structura cuaternară;

Pentru a deveni activă catena polipeptidică poate fi modificată astfel:

Fosforilarea enzimatică – implică adăugarea uneia sau mai multor grupări fosfat;

Glicozilarea enzimatică – adăugarea uneia sau mai multor grupări carbohidrat;

Digestia parţială – sub acţiunea unor peptidaze

Ex. în celulele β ale pancreasului endocrin, în urma sintezei proteice rezultă pre-proinsulina. Conversia acesteia în insulină activă se realizează în două etape:

În prima etapă are loc eliminarea secvenţei semnal, situată la capătul catenei B, rezultând proinsulina alcătuită din trei catene polipeptidice (A,B şi C);

În a doua etapă are loc eliminarea peptidei C şi formarea a două legături disulfurice intercatenare, rezultând insulina activă, alcătuită din 51 aminoacizi.

secvenţa semnal

secvenţa semnal

preprosinsulina

proinsulina

insulina

peptida

ADN

ARNm precursor

ARNm matur

nucleu

citoplasma

ribozom

controlul transcripţiei

controlul maturării

ARNm

controlul transportului

ARNm

controlul stabilităţii

ARNmARNm inactiv

controlul translaţiei

controlul modificărilor post-

translaţionale

proteina activă

ARNm matur