BIOLOGIE GENERALĂ

- moleculară şi celulară -

CURS IXGenă - Genom

Gena – unitate a eredităţii

Ereditatea este proprietatea tuturor organismelor vii de a da naștere la urmași asemănători. Acest lucru se realizeză prin transmiterea de la părinte/părinţi la descendenți a anumitor caracteristici denumite caractere ereditare. Forma fizică sub care se transmit aceste caractere sunt genele. Ştiinţa ce se ocupă cu studiul genelor şi a eredităţii - genetică.

Gregor Mendel (1822–1884)- face primele observaţii legate de modul de transmitere a caracterelor specifice la plantele de mazăre de-a lungul generaţiilor (Pisum sativum)

Charles Darwin- utilizeză termenul de gemmulă pentru a descrie unităţile ereditare microscopice

Hugo de Vries-introduce în 1889 în cartea Intracellular Pangenesis noţiunea de pangen – cea ma mică particulă reprezentând o unitate ereditară Wilhelm Johannsen

- introduce în 1909 noţiunea de genă – unitatea fizică şi funcţională de bază a eredităţii.

Thomas Hunt Morgan - demonstrază în 1910 că genele sunt amplasate pe cromozomi

Gena – unitate a eredităţiiGena (cistronul) – unitatea fizică a eredităţii reprezentată de o secvenţă specifică de baze azotate ce codifică o catenă polipeptidică sau o moleculă ARN ce îndeplieşte o anumită funcţie.

O genă poate fi transcrisă în:● o moleculă de ARNr - gene ribosomale● o moleculă de ARNt● o moleculă de ARNm ce este apoi tradusă într-o catenă polipetidică cu rol structural, catalitic sau

reglator.

O genă poate fi o secvenţă de: ● ARN – în cazul unor tipuri specifice de virusuri

● virusurile RNA – gena este direct tradusă în proteine● retrovirusuri – gena este copiată în ADN prin retro-transcriere şi apoi transcrisă în ARNm

● ADN – în majoritataea covârşitoare a celulelor (bacterii, fungi, plante şi animale)

Virus – agent infecţios acelular ve se poate replica doar în interiorul unei celule vii.

Tipuri de gene:● gene structurale transcrise în ARNm şi codifică o catenă polipeptidică (proteină)● gene structurale transcrise în alte tipuri de ARN – ARNt sau ARNr● gene de reglare – nu sunt transcrise, deservesc ca situsuri de recunoaştere pentru enzime şi alte

proteine implicate în replicarea şi transcrierea ADN-ului

Structura unei gene:

- regiunea codificatoare – secvenţa ce codifica molecula de ARNr, ARNt sau ARNm. În acest ultim caz, secvenţa codificatoare începe cu un codon START şi se încheie cu unul STOP. La eucariote, conţine exoni şi introni.- regiune reglatoare – promotor – regiune amplasată în amonte de secvenţa codificatoare, la nivelul căreia ARN-polimeraza interacţioneză cu ADN-ul. Promotorii se clasifică în:

promotori puternici – gena este intens transcrisăpromotori slabi: - gena este mai puţin intens transcrisă. Care este structura

promotorului la PK şi EK? Cum se explică existenţa acestor tipuri de promotori?- secvenţe netraduse – secvenţe transcrise în

ARNm dar care nu sunt traduse în catene polipeptidice, amplasate imediat înainte de codonul START şi după codonul STOP.

- regiuni amplificatoare (enhancer) – facultativ, doar la eucariote, măresc transcrierea genelor cu promotori slabi.

Genele la PK vs EK

Procariote Eucariote

Dimensiune medie 1000 bp

Promotor Da, Secvenţa -10 (TATAAT) şi -35 (TTGACA).

Da, TATA Box

Regiunea codificatoare Continuă, de la codonul START la cel STOP. O moleculă de ARNm poate conţine mai multeregini codificatoare (mai multe gene)

Conține introni şi exoni, este necesară procesarea ARNm. O moleculă de ARNm conţine o singură zonă codificatoare (o singură genă).

Secvenţe netraduse Imediat înainte de codonul START - situsul de legare a ribosomului (secvenţa Shine-Dalgarno, AGGAGG)

Structură complexă, atât înainte de codonul START cât şi imediat după codonul STOP

Regiuni amplificatoare Lipsesc Prezenţi, în amonte sau aval de genă

Genom - definiţieGenom – totalitatea informaţiei genetice prezente într-un virus sau într-o

celulă stocată în molecule de ADN sau de ARN.

Genomul include: - gene structurale - ce codifică catene polipeptidice- secvenţe necodificatoare – secvenţe ce nu codifică proteine şi care sunt sau nu transcrise în ARN. Când sunt transcrise, duc la formarea unor molecule de ARN funcţional (ARNt, ARNr)

Dimensiunile genomului: Organism

Dimensiuneagenomului

(perechi de baze)Note

Virus Porcine circovirus type 1 1,759 1.8kpbCel mai mic virus descris până în prezent.

Bacterie Nasuia deltocephalinicola 112,091 112kpb Cel mai mic genom non-viral

Bacterie Haemophilus influenzae 1,830,000 1.8MpbPrimul genom a cărui secvenţă a foststabilită - Iulie 1995

Bacterie Escherichia coli 4,600,000 4.6Mpb

Plantă Arabidopsis thaliana 157,000,000 157MpbPrimul genom de plantă a cărei secvenţă a fost stabilită – Decembrie 2000

Plantă Paris japonica 150,000,000,000 150GpbCel mai mare genom vegetal cunoscut

Vierme Pratylenchus coffeae 20,000,000 20Mpb Cel mai mic genom animal

Mamifer Mus musculus 2,700,000,000 2.7Gpb

Mamifer Homo sapiens 3,200,000,000 3.2Gpb

Peşte Protopterus aethiopicus 130,000,000,000 130GpbCel mai mare genom animal cunoscut

Genomul bacterian

Informaţia genetică este organizată sub formă de gene amplasate pe un cromozom circular (o moleculă de ADN circular dublu-catenar).

Particularităţi ale genomului la procariote:- în majoritatea cazurilor au un singur cromozom circular amplasat central - genele sunt organizate în operoni – grupări de mai multe gene aflate sub controlul aceluiaşi

promotor şi care sunt transcrise în bloc într-o singură moleculă de ARNm- au un conţinut mic de secvenţe necodificatoare – 2% din genom- pot conţine sau nu elemente genetice accesorii ce se replică independent de cromozomul

bacterian - plasmide

Cel mai cunoscut este genomul bacteriei Escherichia coli:4639221 pb4288 gene1900 de proteine diferite o singură origine de replicare a cromozomului

Plasmide – elemente genetice accesorii la bacterii

Plasmid - element genetic accesoriu, fizic separat de cromozomul bacterian şi care se replică independent de acesta. Plasmidele conţin informaţie accesorie, ne-esenţială pentru celula bacteriană gazdă dar care îi poate conferii acesteia un avantaj în condiţii specifice (Ex. Metabolismul nicotinei – celula poate supravieţuii pe medii contaminate cu nicotină)

Plasmidele pot fi: - circulare – cel mai frecvente şi mai bine cunoscute, o moleculă ADN circulară- liniare – apar doar la unele specii, o moleculă ADN liniară

Dimensiuni: între 1,5 kpb şi 300 kpbNumăr de copii/celulă: variabil, 1-2 copii la plasmidele mari şi 30-40 la plasmidele mici

Elementele constitutive ale unui plasmid:- originea de replicare – element obligatoriu, asigură replicarea independentă a plasmidului- gene pentru conjugare – facultativ, asigură transferul plasmidului de la o bacterie la alta prin procesul numit conjugare- alte gene accesorii – cel puţin o genă accesorie ce asigură bacteriei gazdă un avantaj. Ex: rezistenţa la antibiotice, capacitatea de a fixa N

2

Genomul la eucariote

Informaţia genetică este organizată sub formă de gene amplasate pe numeroşi cromozomi liniari (fiecare cromozom reprezintă o moleculă de ADN liniar dublu-catenară).

Particularităţi ale genomului la eucariote:- genele conţin introni şi exoni – molecula de ARNm este procesată şi ansamblată în molecula ARN matură- au un conţinut mare de secvenţe necodificatoare – 98% din genomul uman este reprezentat din secvenţe necodificatoare- mitocondriile şi cloroplastele au ADN propriu, organizat sub forma unor molecule ADN circular (genom mitocondrial şi respectiv cloroplastidial)- poate conţine unul (celulă haploidă) sau mai multe seturi de cromozomi identici (celulă diploidă – 2 seturi de cromozomi, celulă triploidă – 3 seturi de cromozomi, etc.)- o genă este în cel puţin 2 exemplare – cate una pe fiecare cromozom – gene alele

Genomul uman este diploid şi conţine 46 de seturi de cromozomi – 22 perechi de cromozomi identici şi o pereche de cromozomi de sex

Genomul mitocondrial

Informaţia genetică din mitocondrie este organizată sub formă de gene amplasate pe ADN-ul mitocondrial (ADNmt sau ADNm) dublu catenar şi circular amplasat în matrix-ul mitocondrial.

ADNmt uman:- are 15 - 17 kpb- fiecare mitocondrie conţine 2 – 10 copii de ADNmt- o copie conţine:● 22 gene ce codifică ARNt● 2 gene pentru ARNr● 13 gene ce codifică catene polipeptidice (proteine)

specifice mitocondriei – ATP sintaza, NADH dehidrogenază, Citocrom C şi Citocrom C oxidază

● o regiune de control a replicării şi a transcrierii.

Genomul cloroplastidial

Informaţia genetică din cloroplast este organizată sub formă de gene amplasate pe ADN-ul cloroplastidial (ADNct sau ADNcp, nu ADNc) dublu catenar şi circular amplasat în matrix-ul cloroplastului. O denumire alternativă – plastrom.

Caracteristicile ADNct:- are 120 - 170 kpb- fiecare cloroplast conţine până la 100 copii de ADNct- genele sunt organizate în operoni- o copie conţine:● 31 gene ce codifică ARNt● 4 gene pentru ARNr● 21 gene codifică proteine ribosomale● 4 gene pentru o ARN polimerază specifică● până la 100 de gene implicate în fotosinteză