1

1

Catedra Biologie moleculară şi Genetică umană

biologiemoleculara.usmf.mdacces: bmgu

2

Tema 1 Macromoleculele = biopolimerii

Tipuri

Structură

Biogeneză

Proprietăţi

Funcţii

Localizare

Interacţiuni

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

2

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.

5

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

dN

N

a.a.

dN dNdN

dN dNdN

dN

N NN

NN N

N

a.a. a.a.a.a. a.a. a.a.

a.a. a.a.

dezoxiribonucleotid

ribonucleotid

aminoacid

MONOMER POLIMER

Catenă ADN

Catenă ARN

Catenă polipeptid =

proteină

3

7

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

8

9

ADNacid dezoxiribonucleic

Monomeri

Structura

Primară

Secundară

Terţiară

Localizare

Proprietăţi

Funcţii

Biogeneza

Particularităţile ADN uman

Studiul ADN

4

Monomeri ADN:

4 tipuri de dezoxiribonucleotide

(dNTP→ → → → dNMP)

dATP sau dAMP

dGTP sau dGMP

dCTP sau dCMP

dTTP sau dTMP

Momomerul ADN

N

PPP

3’

C

CC

C

C

O

2’

4’

5’

1’

αβγ

dNTP

dNMP

N – baza azotată

-Pu – Adenina

Guanina

-Py – Timina

Citozina

12

5

Monomer – nucleotidele (dNMP)

Structura primară:

catena polinucleotidică

nucleotide unite prin legaturi

fosfodiesterice (fd)

Structura secundară:

bicatenară – 2 catene

polinuleotidice

antiparalele

complementare

5'

5'

3'

3'

fd

fd

fd

14

Structura ADN

I – catena polinucleotidică

II – dublul helix = două catene Complementare

antiparalele

spiralizate unite prin legături de hidrogen

III – DNP = dezoxiribonucleoproteid

15

6

16

James Watson şi Francis Crick

alături de modelul structurii

secundare a ADN.

Rosalind Franklin Maurice Wilkins

17

Complementaritatea ADN asigură:

stabilitatea moleculei ADN;

mecanismul replicării;

mecanismul transcripţiei;

mecanismul recombinării;

mecanismul reparării leziunilor ADN

18

Conformaţia spaţială a moleculelor de ADN liniarTip 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°

7

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 “—” )

20

Replicarea

= dublarea ADN= dublarea IG= transmiterea IG

21

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

8

22

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

23

Particularităţile ADN umanADN 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.

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)

9

25

26

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

27

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%

10

28

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

29

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%

30

Stabilirea structurii genelor normale şi

mutante

Depistarea mutaţiilor

Diagnosticul bolilor genice

Analiza polimorfismului individual

Studiul ADN pentru:

11

31

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)

32

33

12

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

Gena structurala Gena ARNr Gena ARNt

Insulina Miozina

Gena structurala

ARNm ARNr ARNt

Transcripţie

Processing

1 2 3

ADN

ARN precursor

ARNtARNr 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

preARNtARNhn

f

u

n

c

ţ

i

e

f

u

n

c

ţ

i

e

13

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

• 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 5S

14

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.

41

ARNr

Tipul celulelor Coeficientul de sedimentare

Procariote

5S

16S

23S

Eucariote,

nucleu

5S

5,8S

18S

28S

Eucariote, mitocondrii12S

16S

42

microARN

ARNsn

ARN-primer

ARN-telomerazic

ARN din componenţa spliceosomei

ARNsc

Ribozime

ARN de interferenţă

15

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

16

Proprietăţile majore ale proteinelor

Heterogenitate;

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

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

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 compactade 100-400 AA care determină o funcţie

•Configuraţia domeniului corespunde configuraţiei mol cu care interacţonează

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

18

Expresia IG

ADNARNm Proteină Caracter

5’-ATTGCAAGATTACCATGT-3’ Catena codogenă (netranscrisă)

3’-TAACGTTCTAATGGTACA-5’ Catena anticodogenă (transcrisă)

Transcripţie

5’-AUUGCAAGAUUACCAUGU-3’ ARNm

Translaţie

Leu – Ala – Arg – Leu – Pro – Cys polipeptid

Caracter fenotipic normal

Expresia IG

ADNmutARNmmut Proteinăan Caracteran

5’-ATTACAAGATTACCATGT-3’ mutaţie G4→A

3’-TAATGTTCTAATGGTACA-5’

Transcripţie

5’-AUUACAAGAUUACCAUGU-3’ ARNmmut

Translaţie

Leu – Thr – Arg – Leu – Pro – Cys polipeptidan

Caracter fenotipic patologic

Calitatea ADN

Calitatea sau cantitatea

proteinelor celulare şi

extracelulare

Calitatea şi longevitatea vieţii

Cunoaşterea --- cheia

succesului medicului sec XXI