Curs Biologie Moleculara

M S R M

USMF Nicolae Testemianu

CURS DE

CHIINU 2000

II

IGOR CEMORTAN

SVETLANA CAPCELEA

LARISA ARANOV DUMITRU AMOAII

Curs de

BIOLOGIE MOLECULAR

USMF NICOLAE TESTEMIANU CHIINU 2000

III

CZU 577.1/2

C 95

Colectivul de autori

Colaboratorii Catedrei de Biologie molecular i Genetic uman USMF N. Testemianu:

Igor Cemortan confereniar, doctor n tiine biologice Svetlana Capcelea lector superior, doctor n tiine medicale Larisa aranov confereniar, doctor n tiine medicale Dumitru Amoaii confereniar, doctor n tiine medicale

Recenzeni: Leonid Lsi profesor universitar , doctor habilitat , eful catedrei de Biochimie, USMF N. Testemianu Nicolae Eanu - confereniar universitar, doctor n tiine medicale, eful Catedrei de Histologie i Embriologie, USMF N. Testemianu Galina Lupacu doctor habilitat n tiine biologice, eful Laboratorului de Imunogenetic, AM

Manualul a fost aprobat de Comisia Metodic Central a USMF N. Testemianu (2 noiembrie 2000). Cursul este elaborat conform Programului Universitar pentru studenii Facultii de Medicin general USMF N. Testemianu.

Coordonator tiinific: Nicolae Barbacaru Confereniar universitar, doctor n tiine biologice, eful Laboratorului de Biologie molecular, AM

Consultant:

Natalia Cherdivarenco Profesor universitar, doctor habilitat n tiine medicale, Catedra de Biologie molecular i Genetic uman, USMF N. Testemianu

Redactor:

Olga Tagadiuc - confereniar universitar, doctor n tiine medicale, Catedra de Biochimie USMF N. Testemianu

Desene i tehnoredactare computerizat Valeriu Gudima, inginer

IV

Viaa este distinct, fa de celelalte fenomene naturale,

printr-o singur trstur: ea are un program (care este)

nscris ntr-o substan unic, substana genelor

Salvador Luria

genetician

Laureat al Premiului Nobel

Ultimele decenii se caracterizeaz printr-o dezvoltare rapid a

bazelor tehnologiilor biologiei moleculare. Descifrarea

genomului uman a produs un decalaj vizibil ntre informaiile

pe care le putem obine n baza microscopiei electronice

vizavi de mijloacele molecular-biologice. Ritmul intens al

acumulrii datelor las prea puin timp sistematizrilor,

analizelor critice i conceptualizrilor riguroase.

Medicina actual este o medicin molecular, avnd

urmtoarele realizri:

elucidarea mecanismelor patogenice ale bolilor genetice i

a celor cu predispoziie genetic (cancer, boala

coronarian);

diagnosticul genotipic: presimptomatic sau prenatal;

farmacologia genomic - blocarea expresiei sau replicrii

genelor mutante (SIDA);

terapia genic - introducerea de gene normale n celulele

somatice ale unor bolnavi cu gene mutante;

profilaxia individualizat a bolilor.

V

Cuprins Cuvnt nainte ............................................................................. 1

SISTEME BIOLOGICE .............................................................. 6

Organizarea sistemelor biologice ........................................... 6

Nivele de organizare a sistemelor biologice ....................... 7

Formele acelulare de via .................................................... 9

Celula unitatea elementar structural-funcional a viului . 12

Metodele de studiu utilizate n cercetarea celulelor ......... 16

Unele realizri importante n biologia celulei ................... 18

Verificarea cunotinelor: ....................................................... 20

ORGANIZAREA CHIMIC A MATERIEI VII ..................... 21

Componenta neorganic a organismelor vii .......................... 22

Componenta organic a materiei vii ...................................... 24

ACIZII NUCLEICI ............................................................... 32

Acidul dezoxiribonucleic ....................................................... 32

Acizii ribonucleici .................................................................. 42


MEMBRANELE BIOLOGICE ................................................ 46

Organizarea molecular a membranelor ................................ 47

Membrana plasmatic ............................................................ 51

Particularitile membranelor interne .................................... 51

Biogeneza i evoluia membranelor ....................................... 53

Transportul prin plasmalem ................................................. 54

Adeziunea celular ................................................................. 60


VI

COMPARTIMENTARA CELULEI EUCARIOTE ................. 63

Reticulul endoplasmatic ......................................................... 64

Aparatul (complexul) Golgi. ................................................ 66

Lizozomii ............................................................................... 69

Peroxizomii ............................................................................ 71

Mitocondriile .......................................................................... 73

Citoscheletul .......................................................................... 76

Verificarea cunotinelor: ...................................................... 80

PROCARIOTELE ..................................................................... 81

nveliul celular al bacteriei .................................................. 82

Bacteriile Gram pozitive ..................................................... 82

Bacteriile Gram-negative ....................................................... 85

Flagelii i pilii ...................................................................... 86

Componente intracelulare ..................................................... 87

Aparatul genetic al celulelor bacteriene ............................. 88

Recombinarea genetic la bacterii ......................................... 90

Verificarea cunotinelor ........................................................ 93

NUCLEUL ................................................................................ 94

Anvelopa nuclear ................................................................ 96

Nucleolul ................................................................................ 99

Biogeneza ribozomilor ......................................................... 101

Cromatina = cromozomii interfazici .................................... 101

Nivelurile de organizare a cromozomilor ............................ 103

Verificarea cunotinelor: ..................................................... 108

REPLICAREA I REPARAREA ADN ................................. 109

VII

Aparatul de replicare ............................................................ 109

Mecanismul replicrii .......................................................... 114

Etapele replicrii .................................................................. 116

Modele de replicare .............................................................. 117

Reparaia ADN ..................................................................... 121

Metilarea ADN ..................................................................... 123


GENA ...................................................................................... 127

Funcia genei ........................................................................ 128

Organizarea molecular a genelor ....................................... 129

Particularitile organizrii genelor structurale la eucariote 131

Particularitile organizrii genelor pentru ARNr i ARNt la eucariote ............................................................................... 136

Particularitile organizrii genelor la procariote ................ 137

Particularitile organizrii genomului uman ....................... 138

Transpozonii ........................................................................ 143


TRANSCRIPIA. PROCESSINGUL ARN ........................... 147

Transcripia la eucariote ....................................................... 148

Transcrierea genelor de clasa II ........................................... 149

Processingul ARN ................................................................ 154

Editarea ARN ....................................................................... 159

Particularitile transcripiei genelor de clasa I i clasa III .. 159

Reglarea transcripiei la eucariote ........................................ 159

Nivelele de reglare ale transcripiei ..................................... 160

VIII

Transcripia la procariote ..................................................... 163

Verificarea cunotinelor ...................................................... 164

TRANSLAIA ........................................................................ 165

Proprietile codului genetic ................................................ 165

Aparatul de translaie ........................................................... 168

Mecanismul translaiei ......................................................... 173

Reglarea translaiei ............................................................... 178

Particularitile translaiei n mitocondrii ............................ 180


TEHNOLOGIA ADN RECOMBINANT ............................... 182

Izolarea acizilor nucleici ...................................................... 183

Obinerea fragmentelor de interes ........................................ 184

Clonarea ADN .................................................................... 186

Biblioteci de ADN ............................................................... 189

Hibridarea acizilor nucleici .................................................. 192


TEHNICI DE ANALIZ A GENELOR ................................ 194

Secvenierea ADN ............................................................... 195

Tehnica Southern-blot .......................................................... 198

Tehnica Northern-blot .......................................................... 199

Tehnica Western-blot ........................................................... 200

Tehnica PCR n analiza genelor ........................................... 200

Hibridarea in situ .................................................................. 202


CICLUL CELULAR ............................................................... 204

IX

Interfaza ............................................................................... 205

Mitoza i citochineza ........................................................... 206

Reglarea ciclului celular ...................................................... 208

Evoluia celulelor dup diviziune ........................................ 214


RECOMBINAREA GENETIC ............................................ 220

Recombinarea genetic la eucariote ..................................... 220

Mecanismul molecular al crossing-overului ........................ 232

Recombinarea genetic la procariote ................................... 233


BIBLIOGARFIE ..................................................................... 236

1

Cuvnt nainte

Cursul de Biologie Molecular ofer studentuluimedic o

nelegere ampl privind funciile celulei n termeni moleculari.

Aceste cunotine vor fi utile i pentru nelegerea mai profund

a coninutului unor discipline tradiionale ca: histologia,

citologia, anatomia, embriologia, fiziologia, genetica i evoluia.

Cursul de Biologie Molecular prezint ntr-un mod

foarte sumar ipotezele privind structura morfologic i

molecular a celulei, organizarea i funciile componentelor

celulare n termeni moleculari i procesele genetice de baz

exprimate la nivel celular. O realizare important a cursului este

i redarea cunotinelor contemporane cu privire la unele aspecte

patologice ale celulei anomaliile membranelor i

citoscheletului i ontogenetice senescena i moartea celular,

ct i a elementelor de baz ce determin evoluia malign a

celulelor. Cursul prevede necesitatea ulterioar de integrare cu

informaiile ce vor fi prezentate mai detaliat la alte discipline,

cum ar fi: genetica, biochimia, fiziologia, virusologia,

microbiologia, histologia, anatomia etc.

2

***

Cu ocazia tipririi acestei cri avem posibilitatea s le

exprimm gratitudinea noastr tuturor care au contribuit la

realizarea acestui curs.

n primul rnd dorim s mulumim D-lui confereniar,

doctor n tiine biologice Nicolae Brbcaru, eful laboratorului

de Biologie Molecular la Institutul de Genetic a AM, care

ne-a inspirat interesul ctre aceast ramur a biologiei, ne-a

sftuit i ne-a coordonat partea tiinific a acestui curs.

Recunotina noastr este ndreptat spre prim-vice

Rectorul USMF N.Testemianu Profesorul Petru Galechi care

ne-a ncurajat editarea acestui curs.

n mod deosebit dorim s mulumim recenzenilor

Cursului dat D-lui Decan al Facultii de Medicin General

confereniar Nicolae Eanu, D-lui Profesor Leonid Lsi, D-ei

doctor habilitat n tiine biologice Galina Lupacu, efa

laboratorului de Imunogenetic la Institutul de Genetic a AM.

3

Elementele eseniale pe care studentul

trebuie s le cunoasc:

Biologia molecular este disciplina care studiaz organizarea i structura moleculara a celulelor i cooperarea acestora ntru realizarea unui organism att de complex ca fiina uman.

Celula normal este o celul care recepioneaz i coordoneaz semnale biologice complexe, provenite de la surse foarte diferite, i la care ea rspunde printr-o expresie corect a funciilor de difereniere i proliferare.

Substratul material al ereditii i variabilitii organismelor vii este reprezentat de ADN principalul deintor de informaie genetic pe care o realizeaz n procesul sintezei proteinelor. Prin replicarea fidel a moleculelor de ADN acest mesaj se transmite descendenilor, astfel asigurndu-se continuitatea vieii.

Spre deosebire de celulele procariote care sunt construite dintr-un singur compartiment limitat de o membran plasmatic, celulele eucariote sunt constituite din multiple compartimente funcional distincte, fiecare fiind delimitat de membran proprie. Aceste compartimente care prezint n fond o colecie de structuri subcelulare, au fost denumite organite celulare. Fiecare organit joac un rol unic n creterea i metabolismul celulei i conine o colecie specific de enzime i alte molecule specializate. Comunicarea ntre aceste compartimente se face printr-un sistem complex de distribuie care asigur trecerea produselor specifice dintr-un compartiment n altul.

Organismele multicelulare depind de capacitatea celulelor eucariote de a-i exprima informaia ereditar ntr-un mod diversificat (diferenierea celular), realizarea asocierii

4

celulelor i stabilirea unui sistem de conexiune intercelular. La om ntlnim mai mult de 200 tipuri celulare, care apar n mod net distincte. Acestea stau la baza formrii diferitor tipuri de esuturi. Creterea i diferenierea celulelor se realizeaz dup un program genetic bine stabilit. Unele gene sunt activate sau represate n funcie de necesitile celulelor.

Diviziunea mitotic st la baza multiplicrii celulelor, asigur creterea organismului pluricelular, determin citologic biomasa organismului. La organismele cu

reproducere sexuat exist un tip deosebit de diviziune meioza, proces prin care din celule cu nuclee diploide

rezult celule cu nuclee haploide gameii. Prin contopirea gameilor haploizi se formeaz zigotul diploid (celul unic) care st la originea dezvoltrii organismului. Declanarea, derularea i succesiunea evenimentelor implicate n diviziunea celular se afl sub controlul a numeroi factori intra- i extracelulari: formarea i disocierea complexelor ciclin-protein kinaze dependente de ciclin (cdk); proteine senzor ale creterii celulare; factori de cretere; densitatea celular; proteine inplicate n adeziunea celular; proteine codificate de antioncogene (pRB, p53).

Pe lng proliferare i difereniere, n organism, celulele a cror funcie este epuizat, sunt nlturate i nlocuite de celule tinere. nlturarea este un proces fiziologic i a fost numit apoptoz. n mod obinuit apoptoza asigur homeostazia organelor prin participarea la turnover-ul

celular. Procesul apare n cursul dezvoltrii normale a embrionului, involuia organelor provizorii, pierderea celulelor interdigitale la embrionul uman, selecia clonal n sistemul imun.

Capacitatea proliferativ a celulei normale este controlat de gene care stimuleaz (protooncogene) i de gene care inhib (antioncogene) multiplicarea celular. Cancerul apare din

5

cauza unui dezechilibru dintre cele dou seturi de gene, favoriznd proliferarea nelimitat.

Biologia molecular s-a dezvoltat datorit apariiei unor noi tehnici avansate de microscopie electronic, folosirii culturilor celulare, realizrii anticorpilor monoclonali, tehnologiei ADN-recombinant, manipulrii genice i tiinei computerilor, factori care au demonstrat puterea lor

analitic i au permis unificarea experimentului biologic, a substratului molecular i a terminologiei.

Importana practic

a cunotinelor acumulate de studeni la cursul de

BIOLOGIE MOLECULAR:

Cunoaterea organizrii i a funciilor celulei normale va asigura studentului un suport substanial pentru nelegerea cunotinelor necesare altor discipline i perceperea mai bun a fenomenelor patologice la nivel celular i molecular. n plus, studentul i viitorul medic sau cercettor va putea nelege i chiar contribui (dac are i imaginaie) la elaborarea unor noi medicamente cu aciune specific, unor noi strategii n prevenirea, diagnosticul i terapia numeroaselor boli.

Descoperirea tehnicilor de analiz direct a genei - tehnica ADN-ului recombinat - constituie o revoluie tehnologic n biologie i medicin.

Pentru orice maladie, debutul, starea i finalitatea alterrilor au un singur sediu celula cu infrastructurile sale specifice n funcie de calitatea i topografia acestora. De aceea viitorul medic urmeaz a fi neaprat familiarizat cu bazele moleculare ale organizrii celulelor n norm i patologie.

6

SISTEME BIOLOGICE

Sistemul biologic la nivel molecular reprezint un complex de biopolimeri (acizi nucleici, proteine, lipide, glucide)

ce interacioneaz ntre ei, asigurnd fluxul permanent de informaie, energie i materie. Programul activitii sistemului biologic este nscris n macromoleculele de ADN. Realizarea acestuia se efectueaz prin intermediul diferitor tipuri de proteine.

Organizarea sistemelor biologice Sistemele biologice se caracterizeaz printr-o serie de

particulariti: autoreproducerea proprietatea sistemelor biologice de a forma sisteme noi prin divizarea unor sisteme iniiale (de ex., 1 molecul ADN 2 molecule ADN; 1 celul 2 celule; etc.). Are ca baz proprietatea moleculelor acizilor nucleici de a se replica.

autoconservarea proprietatea sistemelor vii de a rmne neschimbate n timp (de ex., existena speciilor de-a lungul timpului). Se bazeaz pe capacitatea acizilor nucleici (ADN) de a se replica, formnd molecule noi cu acelai coninut i structur i pe cea de repartizare uniform a materialului genetic n timpul diviziunilor celulare. autoreglarea capacitatea sistemelor biologice de a se regla singure. Se realizeaz dup un mecanism feedback prin care rezultatul final al unor procese regleaz procesul n

7

ntregime (de ex., cantitatea de hormon n snge determin activitatea glandei care elimin hormonul; numrul de indivizi dintr-o populaie determin rata natalitii). metabolismul reprezint schimbul de substane din cadrul organismului. Metabolismul se caracterizeaz prin selectivitate (preluarea din mediu nu a oricror substane, ci doar a celor necesare) i specificitate (proprietate prin care substanele nutritive preluate din exterior sunt transformate n substane mai simple, din care apoi se sintetizeaz molecule caracteristice organismului dat).

echilibrul dinamic nsuirea care explic n cel mai nalt grad modalitile de pstrare a individualitii, organizrii i funcionrii unui sistem n cadrul anumitor limite, n timp i n spaiu. Meninerea echilibrului dinamic a strii de homeostazie a sistemelor biologice se realizeaz n baza mecanismelor de autoreglare.

integralitatea capacitatea sistemului de a funciona ca un tot ntreg n raport cu mediul, fiind compus din subsisteme ierarhizate (de ex., un organism este format din organe

subordonate, care la rndul lor constau din esuturi, formate din celule etc.).

Nivele de organizare a sistemelor biologice Materia vie are cteva nivele de organizare, enumerate mai jos de la de la micro- spre macronivele.

Molecular reprezentat de moleculele din care sunt formate organismele. n compoziia materiei vii sunt prezente att substane anorganice (apa, ioni anorganici), ct i substane organice. Dintre acestea o importan decisiv o au biopolimerii (acizi nucleici, proteine, polizaharide), dar i substanele mai simple, cum ar fi mono-, di-, oligozaharidele i lipidele.

8

Celular reprezentat de celule att procariote, ct i eucariote; att cele ce duc o via solitar, ct i cele din componena organismelor pluricelulare.

Scara obiectelor biologice

9

Tisular - celulele specializate cu funcii i structur similare formeaz esuturi. Prin asocierea programat a diferitor esuturi se formeaz organe i sisteme de organe ce asigur fiziologia organismului pluricelular.

Individual reprezentat de organisme separate, acelulare (virusuri), monocelulare (procariote i eucariote) i pluricelulare.

Populaional grupuri de indivizii din aceeai specie, separate geografic.

Biocenotic totalitatea comunitilor de organisme vii ce convieuiesc pe un anumit teritoriu. Biosfera ansamblul materiei vii de pe Pmnt.

Formele acelulare de via Exist entiti biologice care nu se ncadreaz n definiia viului i nu se caracterizeaz prin toate proprietile materiei vii: autoreproducere, autoreglare, autoregenerare. Acestea sunt

virusurile i prionii, care nu au un metabolism propriu i nu se nmulesc n afara gazdei pe care o paraziteaz. Aceti ageni sunt nite parazii obligatorii care provoac boli la diferite organisme. n timp ce virusurile ocup o poziie intermediar ntre materia vie i cea nevie, prionii sunt doar nite ageni infecioi i nu pot fi clasificai la organismele vii.

Virusurile Din punct de vedere structural, virusurile sunt formate

dintr-o capsul proteic, numit capsid, n interiorul creia se conine o molecul de ADN sau ARN mono- sau bicatenar (fig. 1.1). Uneori pot avea la suprafa o membran, care provine din membrana gazdei distruse. Capsida viral poate avea cele mai diverse forme: sferic, ixoedric, de bastona etc.

10

Dimensiunile virusurilor variaz n limitele 20-250 nm. Atunci cnd virusurile se afl n afara celulei-gazd ele sunt inerte din punct de vedere metabolic nu se nmulesc, nu consum i nu elimin nimic n exterior. Astfel, virusurile reprezint parazii genetici obligatorii. n momentul contactului particulei virale cu celula-gazd, materialul genetic al parazitului este injectat n interiorul gazdei. Utiliznd resursele i aparatul enzimatic al gazdei are loc multiplicarea particulelor virale, urmat de distrugerea celulei. Astfel de multiplicare poart denumirea de ciclu litic. Unele virusuri pot rmne n stare latent mai mult timp, fiind integrai n ADN-ul gazdei, aceast stadie numindu-se profag. Sub aciunea anumitor factori din exterior are loc inducia sau reactivarea virusului. ADN viral se excizeaz din genomul gazdei i se transfer n citoplasm. La aceast etap este cunoscut sub denumirea de virus vegetativ. Particulele virale se multiplic pe baza sistemului metabolic celular, dup care are loc distrugerea

Fig. 1.1. Structura unor virusuri

A virusul mozaicului tutunului

B bacteriofagul

11

gazdei. Acest tip de virusuri se numesc virusuri cu ciclu

lizogenic (fig. 1.2).

O trstur caracteristic pentru virusuri este specificitatea nalt fa de celulele infectate, aceasta fiind determinat att de specie, ct i esutul infectat. Totodat, exist virusuri care pot infecta cteva specii nrudite. Virusurile sunt ageni patogeni care provoac foarte multe boli: gripa, rceala, SIDA, herpesul, hepatitele, poliomielita etc. De asemenea, unele forme de cancer se asociaz cu infeciile virale. Prin infecia diferitor organisme virusurile pot transporta

Fig. 1.2. Ciclul litic i ciclul lizogenic de dezvoltare a

bacteriofagilor.

1 celula-gazd; 2 ADN-ul gazdei; 3 capsula viral; 4

ADN viral; 5 ADN viral integrat n ADN-ul gazdei; 6

particule virale noi

12

informaia genetic de la un individ la altul, sau chiar ntre indivizii diferitor specii.

Prionii Prionii reprezint nite secvene de peste 250 aminoacizi, dar spre deosebire de proteinele celulare obinuite, care se sintetizeaz pe baza ARNm, pentru prioni nu este caracteristic existena unor ARNm corespunztori. Ei prezint rezultatul degradrii incomplete a unor proteine celulare normale. Ca rezultat al aciunii acestor ageni patogeni, proteinele normale i modific conformaia, ceea ce le face incapabile de a mai funciona normal. Prionii sunt cauza unor boli neurodegenerative i musculare. Adesea bolile reprezint nite encefalopatii spongiforme care duc la degradarea creierului.

Astfel de maladii se ntlnesc att la oameni, ct i la animale (mai ales bovine i ovine). Una dintre cele mai rspndite este scarpia, ntlnit la vitele mari cornute. Dintre bolile umane cauzate de prioni cea mai cunoscut este Kuru, ntlnit ntre aborigenii din Papua Noua Guinee, la care este rspndit canibalismul ritual, el fiind i mijlocul de transmitere a agentului infecios. Bolile prionice pot fi de asemenea motenite cu frecvena 1:1000000.

Celula unitatea elementar structural-funcional a viului

Celula reprezint un sistem complex, caracterizat prin:

autoreproducere;

autoreglare :

autorennoire. Fiecare celul este delimitat de mediul extern printr-o

membran plasmatic care are o structur lipoproteic (fig. 1.3). Membrana plasmatic (plasmalema) permite

13

individualizarea celulelor, realizarea schimbului de substane dintre mediul intern i cel extern, astfel autoreglnd compoziia chimic a celulei. Toate celulele conin material genetic sub form de ADN. n moleculele de ADN se conine informaia despre organizarea i funcionarea fiecrei celule. Datorit

capacitii moleculelor de a se autoreproduce, celulele nou formate conin acelai material ereditar. n celulele organismelor pluricelulare se conine ADN cu acelai mesaj genetic. n funcie de localizarea moleculelor de ADN n citoplasm sau nucleu, toate celulele se clasific n procariote i eucariote.

Un alt component obligatoriu al celulelor este

reprezentat de citoplasm, n care se desfoar toate procesele metabolice celulare sinteza i degradarea substanelor, obinerea energiei etc. n citoplasm este localizat i aparatul de sintez a proteinelor component obligatoriu al fiecrei celule. Sinteza proteinelor se efectueaz n baza moleculelor de ARNm cu ajutorul ribozomilor i a moleculelor ARNt .

Celulele procariote

Din procariote fac parte bacteriile, micoplasmele,

cianobacteriile (algele cianofite). Toate procariotele sunt

organisme monocelulare sau coloniale, aerobe sau anaerobe, cu

Fig. 1.3. Componentele principale ale celulelor

14

dimensiuni 110 m. Celulele procariote se caracterizeaz prin lipsa nucleului bine evideniat, materialul ereditar reprezentat prin molecule de ADN inelar (fig. 1.4), plasat direct n citoplasm i numit nucleoid.

O alt nsuire distinctiv a procariotelor este lipsa organitelor mebranare. Sistemele enzimatice sunt localizate n citoplasm, pe plasmalem sau pe mezozomi. Sinteza proteinelor la procariote se efectueaz cu ajutorul ribozomilor cu coeficientul de sedimentare 70S (50S + 30S). Reproducerea

celulelor se realizeaz prin diviziune direct (amitotic). Multe bacterii au un rol patogen important, fiind cauza numeroaselor

boli infecioase (tuberculoza, pneumonia, meningita, sifilisul, holera, difteria). Unele bacterii (Escherichia coli) sunt utilizate

n biotehnologia modern: producerea medicamentelor, obinerea unor substane biologic active, clonarea genelor.

Fig. 1.4. Structura general a unei celule bacteriene

15

Celulele eucariote

Eucariotele reprezint celule nucleate, de regul cu dimensiuni cuprinse ntre 10-1000 m, care formeaz organismele monocelulare, coloniale i pluricelulare. Nucleul conine majoritatea ADN-ului celular i este principalul loc unde se desfoar sinteza ARN-ului. Citoplasma din jurul acestuia este format din citosol i organite celulare (reticulul endoplasmatic, aparatul Golgi, mitocondriile, lizozomii,

peroxizomii) aflate n suspensie (fig. 1.5). Membranele, organitele sau particulele din interiorul celulei au funcii speciale, determinate de setul de proteine pe care l conin. Celulele eucariote se nmulesc prin mitoz i meioz. Metabolismul, de regul, se caracterizeaz prin respiraie aerob. Celulele vegetale sunt autotrofe sau mixotrofe, iar cele animale sunt heterotrofe.

Fig. 1.5. Schema celulei eucariote

16

Celulele organismelor pluricelulare se grupeaz formnd esuturi, care alctuiesc organe cu funcii specifice n organism.

Metodele de studiu utilizate n cercetarea celulelor

La studierea obiectelor mici apar dificulti, deoarece capacitatea de rezoluie a ochiului omenesc este de ~0,1 mm (100). De aceea, pe larg sunt utilizate metodele microscopice i cele biochimice.

Microscopia n spectrul vizibil al luminii. Se efectueaz cu ajutorul microscoapelor fotonice (optice). Pot fi studiate organisme monocelulare, celule separate din culturi

celulare sau seciuni fine prin esuturi. Preparatele necesit a fi fixate, apoi colorate n mod special. Mai rar se studiaz celule vii. Spectrul vizibil al luminii cuprinde raze cu o lungime de

und = 400 700 nm, de aceea capacitatea de rezoluie sporete pn la 200 350 nm (0,2 0,35).

Microscopia n ultraviolet (UV). Razele UV, avnd o lungime de und mic ( = 260 280 nm), permit studierea preparatelor cu o capacitate de rezoluie de 130 140 nm (0,13 0,14). Pentru realizarea studiului sunt necesare microscoape cu lentile speciale, care permit trecerea razelor UV.

Microscopia n cmp ntunecat. Se realizeaz n spectrul vizibil al luminii, la o iluminare lateral a obiectului. Lumina nu trece prin obiectul de studiu, ci se reflect de la el. Pot fi studiate celule vii. Capacitatea de rezoluie este sub 0,2. Microscopia cu contrast de faz. Deoarece diferite molecule i structuri celulare au o capacitate de refracie diferit, pot fi studiate celule vii, fr o fixare i colorare prealabil.

17

Microscopia cu polarizare. Se utilizeaz pentru studierea structurilor celulare care polarizeaz lumina (de ex., fusul de diviziune, miofibrilele).

Microscopia cu fluorescen. Fluorescena este proprietatea unor compui chimici de a lumina n cazul absorbiei luminii de o anumit lungime de und. Spectrul luminii fluorescente este deplasat spre o lungime de und mai mare. De exemplu, clorofila iluminat cu raze UV, apare de culoare roie. Pot fi studiai de asemenea i ali pigmeni, ct i vitamine, hormoni n celulele vii. Microscopia histocitochimic. Se bazeaz pe fixarea i colorarea specific a anumitor structuri sau molecule cu colorani speciali (de ex., fuxina bazic pentru acizii nucleici; sudanul negru pentru lipide etc.). Citofotometria. Se efectueaz determinarea cantitii de substane organice pe baza absorbiei luminii de o anumit lungime de und specific pentru diferite clase de compui (de ex., absorbia maxim pentru acizii nucleici = 260 nm; pentru proteine = 280 nm). Imunofluorescena. Permite studierea repartizrii diferitor substane pe baza reaciilor imunochimice prin utilizarea anticorpilor marcai cu ageni fluoresceni. Autoradiografia. Iniial culturile celulare se cresc pe medii speciale, care conin precursori radioactivi (nucleotide, aminoacizi). Dup fixare i colorare, preparatele se acoper cu un strat fin de emulsie fotografic, care permite identificarea locurilor n care s-a incorporat precursorul radioactiv. Microscopia electronic cu transmisie. Utilizeaz un fascicul de electroni n locul luminii. Capacitatea de rezoluie este de pn la 1, adic poate fi atins o mrire de 106 ori. Ca obiecte de studiu servesc seciuni ultrafine prin preparatele fixate i contrastate cu ageni speciali (sruri ale metalelor grele).

18

Microscopia electronic cu scanare. Se caracterizeaz prin obinerea imaginilor n volum, obiectul cercetat fiind acoperit cu un strat subire de metal (Au). Puterea de rezoluie este mai mic dect cea a microscopiei electronice cu transmisie, ns poate fi evideniat configuraia exact a structurii analizate.

Fracionarea componentelor celulare. Celulele cercetate se distrug prin omogenizare mecanic sau cu ultrasunet. Fraciile de organite se pot separa fie prin centrifugare la diferite viteze, fie prin centrifugare utiliznd gradiente de concentraie. Analiza biochimic. Celulele, esuturile i lichidele corpului pot fi analizate pe cale biochimic, punnd n eviden componentele proteice, lipidice, glucidice.

Analiza molecular-genetic. Se realizeaz studiul moleculelor de acizi nucleici n ce privete numrul de copii a genelor per genom, nivelul de transcripie, structura primar, detecia mutaiilor. Tehnicile de biologie molecular sunt bazate pe manipulrile ADN-ului recombinat.

Unele realizri importante n biologia celulei

1590 Jansen a inventat microscopul, cu care mrirea imaginii se realiza prin unirea a dou lentile

1665 Robert Hook, utiliznd un microscop perfecionat, a studiat structura plutei i pentru prima dat a utilizat termenul de celul pentru descrierea unitilor structurale, din care sunt constituite acest esut.

1650

1700 Antoni van Leeuwenhoeck cu ajutorul unor lentile

simple bine lefuite (x200) a examinat embrioni i diferite organisme unicelulare, inclusiv bacterii.

Pentru prima dat bacteriile au fost descrise n 1676. 1827 Dolland a mbuntit calitatea lentilelor, astfel a

19

crescut mult interesul fa de microscop. 1831

1833 Robert Brown a descris nucleul ca un corpuscul

sferic ce se prezint n celulele vegetale. 1838

1839 Botanistul Schleiden i zoologul Schwann au mbinat ideile diferitor cercettori i au formulat teoria celular, postulatul de baz al creia era, c unitatea structural i funcional de baz a organismelor vii este celula.

1840 Purkinje a propus denumirea de protoplasm pentru coninutul celular, fiind convins c anume ea (dar nu pereii celulari) reprezint substana vie. Mai trziu a fost introdus termenul de citoplasm (citoplasma + nucleu = protoplasma).

1855 Virchov a demonstrat c celulele se formeaz din alte celule prin diviziune celular.

1866 Haeckel a determinat c pstrarea i transmiterea caracterelor ereditare o realizeaz nucleul.

1866

1888 A fost studiat minuios diviziunea celular i au fost descrii cromozomii.

1890 Au fost descoperite mitocondriile.

1898 A fost descoperit aparatul Golgi.

1887

1900 Perfecionarea microscopului, a metodelor de fixare, colorare i preparare a seciunilor. Una din ramurile citologiei devine citogenetica, ce studiaz rolul nucleului n transmiterea informaiei ereditare.

Anii

1930

Apare microscopul electronic, ce permite posibiliti mult mai mari n vizualizarea structurilor celulare.

Din

1946

Microscopul electronic este foarte rspndit n biologie, ceea ce a permis cercetarea ultrastructurii

celulei.

1950 Descoperirea ribozomilor de savanii A. Claude, K.R.Porter, G. Palade.

20

Verificarea cunotinelor:

1. Definii noiunile: sistem biologic, celul, virus, eucariote, procariote, prion, autoreproducere.

2. Care este obiectul de studiu al biologiei moleculare? 3. Care sunt proprietile fundamentale ale sistemelor

biologice?

4. Care sunt nivelele de organizare a materiei vii? 5. Care sunt metodele de studiu a sistemelor biologice? 6. Care sunt particularitile celulelor eucariote?

21

ORGANIZAREA CHIMIC A MATERIEI VII

Elementele chimice cel mai frecvent ntlnite n materia vie sunt H, C, N, O, P, S (numite elemente organogene) care

reprezint n medie 99% din masa organismelor i stau la baza unui numr impuntor de compui, caracterizai printr-o stabilitate nalt i interaciune lent ntre ele cu apa sau ali componeni celulari. n tabelul 2.1este prezentat compoziia elementar a unuia dintre cele mai studiate organisme vii bacteria Escherichia coli.

Tabelul 2.1. Compoziia elementar a E. coli (concentraia

procentual raportat la masa uscat)

Elementul % Elementul %

C 50 K 1

O 20 Na 1

N 14 Ca 0,5

H 8 Mg 0,5

P 3 Cl 0,5

S 1 Fe 0,2

n compoziia materiei vii se conin att molecule organice, ct i anorganice. n tabelul 2.2. sunt expuse principalele tipuri de molecule i numrul aproximativ de molecule per celul.

22

Tabelul 2.2. Compoziia molecular a organismelor vii

Substane din celula bacterian % din masa

total a celulei

Numrul

tipurilor de

molecule

Ap 70 1

Ioni neorganici 1 20

Hidrai de carbon i precursorii lor 1 250

Aminoacizi i precursorii lor 0,4 100

Nucleotide i precursorii lor 0,4 100

Acizi grai i precursorii lor 1 50

Alte molecule mici 0,2 ~ 300

Macromolecule (proteine, acizi nucleici,

polizaharide) 26 ~ 3000

Componenta neorganic a organismelor vii

Apa i rolul ei n organismele vii

ntre componenii neorganici ai celulei cea mai ntlnit este apa. Molecula de H2O reprezint un dipol electric, ceea ce n mare msur determin proprietile sale unice i funciile de baz care sunt enumerate n continuare.

Proprietatea de solvent. Moleculele solubile n H2O se numesc hidrofile. La ele se refer compuii ionici (de ex., sruri, acizi, baze) care n ap disociaz n ioni, ct i unii compui organici posesori ai unor grupuri funcionale purttoare de sarcin (alcooli, glucide). Moleculele nepolare nu se combin cu apa i sunt numite hidrofobe (de ex., grsimi).

n rezultatul combinrii apei cu diferite substane se pot obine urmtoarele sisteme: Soluii se obin la dizolvarea substanelor (de ex., ap +

sare, ap + zahr); Suspensii se obin la combinarea apei cu substane

insolubile solide, care, n dependen de densitatea lor, se las la fund sau se ridic la suprafa (de ex., ap + nisip, ap + sulf);

23

Emulsii se obin la combinarea apei cu substane insolubile lichide. Fazele se separ prin decantare (de ex., ap + ulei; laptele);

Soluii coloidale se obin la combinarea apei cu substane cu greutate molecular mare; decantarea nu are loc (de ex., albuul de ou ap + proteine).

Coeziune. Reprezentnd dipoli, moleculele de H2O se lipesc ntre ele datorit legtorilor de hidrogen. Aceasta determin temperatura nalt de evaporare i tensiunea superficial nalt.

Adeziunea. Este capacitatea moleculelor de ap de a se uni cu alte molecule. Aceasta provoac, n special, fenomenele capilare, pe baza crora apa se ridic n sus prin tuburile ultrasubiri.

Apa i reaciile chimice. Fiind un bun solvent, apa prezint un mediu ideal pentru desfurarea diferitor reacii chimice. Concomitent ea particip n unele procese chimice (de ex., reacii de hidroliz, fotosintez). n celule apa se formeaz n rezultatul respiraiei aerobe.

Capacitatea termic a apei. Datorit adeziunii moleculelor, apa are o capacitate termic foarte nalt (este necesar o cantitate mare de energie pentru a-i schimba temperatura). Aceast proprietate face posibil existena vieii n ap i explic stabilitatea celulelor n diferite condiii termice.

Substanele minerale

n dependen de coninutul n organe i necesitile diurne, substanele minerale se clasific n trei grupuri: macroelemente (K, Na, Ca, Mg, Cl, P, S), microelemente (Cu,

Co, Bi, I, Zn, Mn, Mo) i ultramicroelemente (U, Ra, Au, Ag, Ce). Rolul substanelor minerale este divers. Ele particip la meninerea presiunii osmotice (NaCl), asigur stabilitatea valorii pH (Na+, K+, Cl-, H+), ndeplinesc funcii de susinere (Ca, P

24

intr n componena oaselor), asigur potenialul membranar de repaus i cel de aciune (Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Cl-), ndeplinesc funii de cofactori enzimatici (Mg2+, Mn2+), au rol important n procesul de respiraie (Fe, Cu) i fotosintez (Mg).

Componenta organic a materiei vii Organismele vii se caracterizeaz printr-o varietate mare

de substane organice dintre care putem deosebi patru clase principale: hidrai de carbon (glucide), lipide (grsimi), proteine, acizi nucleici. Substanele organice pot fi reprezentate prin substane simple i polimeri.

Moleculele organice mici sau substanele simple prezint compui cu masa molecular de la 100 la 1000 i conin pn la 30 de atomi de carbon. Astfel de molecule de obicei se gsesc n stare liber n citoplasm, fiind reprezentate de produse intermediare ale cilor metabolice, care, la rndul su, pot sta la baza formrii macromoleculelor.

Macromoleculele sau biopolimerii sunt substane cu masa molecular mare, au funcii definite n celule i sunt programate genetic. Toi polimerii sunt formai din monomeri, unii n rezultatul reaciilor de polimerizare prin legturi covalente. Scindarea lor are loc prin reacia de hidroliz. Polimerii formai dintr-un singur tip de monomeri poart denumirea de homopolimeri (celuloza, amidonul).

Homopolimerii se deosebesc ntre ei prin greutatea molecular (numrul de resturi monomerice) i gradul de ramificare a moleculelor. Ei ndeplinesc funcii structurale (celuloza), de rezerv (amidon, glicogen), de semnalizare (receptorii celulari).

Polimerii formai din mai multe tipuri de monomeri se numesc copolimeri sau heteropolimeri (ADN, ARN, proteine).

Diversitatea copolimerilor este asigurat de numrul, tipul i modul de aranjare a monomerilor, toate fiind programate

genetic.

25

Hidraii de carbon.

Formula care caracterizeaz toi hidraii de carbon este Cx(H2O)y, unde x i y pot avea diferite valori mai mari ca 3. Dup numrul de resturi monomerice hidraii de carbon se mpart n monozaharide, dizaharide, oligozaharide i polizaharide.

Monozaharidele. Au formula general (CH2O)n, unde

9n3. n dependen de numrul de atomi de carbon deosebim: trioze, tetroze, pentoze, hexoze etc.

- Trioze (C3H6O3) gliceraldehida, dihidroxiacetona sunt compui intermediari importani n cile metabolice de sintez i scindare.

- Pentoze (C5H10O5) riboza, ribuloza, dezoxiriboza. Riboza i dezoxiriboza intr n compoziia acizilor nucleici, ATP, NAD, NADP, FAD, FMN, CoA.

- Hexoze (C6H12O6) glucoza, fructoza, galactoza reprezint surse importante de energie. Servesc n calitate de monomeri n sinteza dizaharidelor (2 monomeri), oligozaharidelor (pn la 10 monomeri) i a polizaharidelor (peste 10 monomeri).

Dizaharidele. Dizaharidele se formeaz prin reacia de condensare ntre 2 molecule de monozaharide, mai frecvent 2 hexoze. Legtura dintre monomeri se numete legtur glicozidic.

Cele mai frecvente dizaharide sunt:

Maltoza (-glucoz + -glucoz)

Zaharoza (-glucoz + -fructoza)

Lactoza (-galactoza + -glucoza) Polizaharidele. Reprezint molecule formate dintr-un

numr mare de resturi monomerice, unite prin legturi glicozidice. Cel mai frecvent polizaharide sunt formate din

resturi de glucoz. Funciile principale ale polizaharidelor sunt cele structurale (celuloza) i de depozitare (glicogen, amidon).

26

Lipidele

Lipidele sunt substanele organice insolubile n ap, dar solubile n solveni nepolari (cloroform, eter, benzen). Conform importanei fiziologice lipidele se mpart n: lipide de rezerv i lipide structurale. Lipidele structurale particip la formarea membranelor biologice, nveliurilor protectoare. n calitate de exemple de lipide structurale pot servi sterolii i fosfolipidele, care au rol major n realizarea ultrastructurii funcionale a celulei.

Funciile lipidelor:

energetic la scindarea 1g lipide se degaj 39,1 kJ;

structural n componena membranelor celulare (fosfolipidele, colesterolul);

de emulsionare emulgatorii se orienteaz la limita ap-ulei, stabilizeaz emulsia, mpiedic stratificarea lor (fosfogliceridele, acizii biliari - emulgatori pentru

acilgliceroli n intestin);

mecanic protejeaz organele de lezri mecanice;

termoizolatoare pstreaz cldura (esutul adipos subcutanat);

de solveni pentru alte substane de natur lipidic (acizii biliari pentru vitaminele liposilubile);

hormonal - toi steroizii (hormonii sexuali, hormonii corticosuprarenali) sunt de natur lipidic;

vitaminic - vitaminele liposolubile (acizii grai nesaturai: A, D, E, K).

Proteinele

Proteinele sunt principalele molecule funcionale din celule i sinteza lor este determinat genetic. Aceti compui organici sunt alctuii din una sau mai multe catene de aminoacizi, plicaturate i spiralate ntr-o structur spaial, tridimensional, care le confer funciile lor biologice.

27

Monomerii

moleculelor proteice sunt

aminoacizii. Fiecare

aminoacid este format

dintr-o regiune constant, comun pentru toi aminoacizii i o regiune variabil, care se deosebete la diferii aminoacizi (fig. 2.1).

Regiunea constant conine la rndul su grupele carboxil i amino

legat la atomul de carbon din poziia . n dependen de structura regiunii variabile aminoacizii pot fi acizi, bazici sau

neutri. Din cei peste 150 de aminoacizi cunoscui n natur, n componena proteinelor intr doar 20 -aminoacizi.

ntre grupele funcionale ale aminoacizilor pot aprea diferite legturi chimice. Cele mai frecvente sunt legturile

peptidice, care apar la interaciunea grupei -carboxil a unui

aminoacid cu grupa -amino din alt aminoacid. Aceste legturi sunt nite legturi covalente trainice, determinnd formarea

Fig. 2.1. Structura general a

aminoacidului

Fig. 2.2. Structura primar a proteinelor

28

structurii primare a proteinei. Destul de numeroase sunt

legturile de hidrogen, care apar la interaciunea atomilor de hidrogen din grupele OH sau NH cu oxigenul din grupa C=O. Aceste legturi sunt destul de slabe, dar datorit numrului lor mare formeaz structuri stabile. Dintre alte tipuri de legturi pot fi specificate punile disulfidice, legturile ionice, legturile hidrofobe etc.

Proteinele se caracterizeaz prin mai multe nivele de organizare. Cel mai simplu nivel de organizare este structura

primar. Structura molecular a acestui nivel de organizare este realizat cu ajutorul legturilor peptidice (fig. 2.2). n dependen de numrul de aminoacizi din caten pot fi deosebite dipeptide (2 aminoacizi), tripeptide (3 aminoacizi), oligopeptide

(pn la 10 aminoacizi), polipeptide (peste 10 aminoacizi). Se consider c cea mai scurt protein conine 51 de aminoacizi. Cu toate acestea, exist numeroase polipeptide naturale cu o lungime mai scurt i care ndeplinesc diverse funcii n celule.

Fig. 2.3. Structura secundar a proteinelor. A formarea -spiralelor; B reprezentarea grafic a -spiralelor; C schema formrii -structurilor; D

reprezentarea grafic a -structurilor

29

Urmtorul nivel de organizare a proteinelor, structura secundar, este realizat cu ajutorul legturilor de hidrogen. Structura secundar se caracterizeaz prin formarea diverselor conformaii spaiale. Cele mai frecvente sunt -spiralele. ntr-o spir se conin 3,6 resturi de aminoacizi. O alt conformaie este reprezentat de -structuri, care apar la interaciunea a 2 regiuni mai ndeprtate ale aceleai molecule, sau ntre molecule diferite (fig. 2.3). Unele proteine cu structur fibrilar (de ex., colagenul) au conformaia spaial determinat de structura secundar.

Un nivel superior conformaional, caracteristic proteinelor globulare, este reprezentat de structura teriar o alternare a -spiralelor, -structurilor i a regiunilor nestructurate (fig.

2.4). Structura

teriar este asigurat de legturile de hidrogen care apar

ntre diverse grupe funcionale din radicali, ct i de punile disulfidice, legturile hidrofobe, care apar ntre radicalii hidrofobi, legturile ionice etc. Unele proteine cu structur teriar pentru a deveni active interacioneaz cu molecule neproteice (de ex., hemul n molecula de mioglobin pentru transportarea oxigenului).

Nivelul cel mai complicat de organizare a proteinelor

este reprezentat de structura cuaternar. n astfel de molecule se conin cteva lanuri polipeptidice, care pot fi identice, sau diferite. Astfel, n molecula de hemoglobin se conin 2 catene de -globin i 2 catene de -globin (fig. 2.5). Structura

Fig. 2.4. Structura teriar a proteinei. A - Schema alternrii -spiralelor i -structurilor; B Structura globinei

30

cuaternar este determinat de legturile hidrofobe, legturile de hidrogen i cele ionice.

Structurile teriar i cuaternar asigur formarea centrilor activi ai proteinelor,

regiuni prin care moleculele

proteice interacioneaz cu alte molecule. O deosebit importan o au centrii activi ai enzimelor, care catalizeaz modificarea substratului.

Aminoacizii care particip la realizarea structurilor

tridimensionale, spaiale, biologic active sunt deosebit de importani, formnd situsuri funcionale. Substituirea lor ca rezultat al mutaiilor, duce la pierderea activitii proteinei. Acelai fenomen pentru aminoacizii, neimplicai n legtulile spaiale, este mai puin important.

Secvena aminoacizilor dintr-o protein reprezint elementul esenial al structurii sale, deoarece: - este unic, constant i specific fiecrei proteine; - determin caracterul ei funcional; - este specific pentru o anumit specie; - este determinat genetic (de informaia ereditar coninut n

ADN).

Sub aciunea diferitor factori ai mediului, legturile dintre atomi se pot rupe, ceea ce duce la denaturarea proteinei.

Denaturarea poate surveni sub aciunea factorilor fizici (temperatur, radiaie, factori mecanici), chimici (acizi, baze, sruri ale metalelor grele). Denaturarea poate fi reversibil, dac la nlturarea factorului proteina revine la structura iniial i i poate ndeplini funciile i ireversibil, dac n rezultatul

Fig. 2.5. Structura cuaternar a

hemoglobinei

31

denaturrii proteina nu-i poate restabili structura i funcia. Ruperea legturilor peptidice ntotdeauna duce la denaturare ireversibil.

Dup compoziia chimic toate proteinele se mpart n proteine simple i proteine conjugate.

Proteinele simple (holoproteinele) formeaz n urma hidrolizei doar aminoacizi. Ele includ: proteinele globulare,

solubile n ap (de ex., histonele, actina, tubulina, majoritatea enzimelor) i proteinele fibrilare majoritatea insolubile n ap (de ex., keratina, colagenul, fibrina, laminina etc.).

Proteinele conjugate (heteroproteide) rezult din combinaia unei proteine simple cu o alt substan sau grup prostetic. Prin hidroliz se obin aminoacizi i un compus neproteic: nucleoproteidele, glicoproteidele, lipoproteidele,

metaloproteidele etc.

Proteinele reprezint suportul biochimic al caracterelor, realiznd urmtoarele funcii majore:

catalitic accelerarea transformrilor chimice (ATP-sintetaza, ADN-polimeraza);

hormonal reglare a metabolismului (insulina);

de recepie fixarea hormonilor, mediatorilor la suprafaa membranei celulare sau n interiorul celulei (glicoforina);

de transport (pompa Na+/K+, hemoglobina, mioglobina transportarea oxigenului);

structural intr n componena tuturor compartimentelor celulare i extracelulare;

de sprijin, mecanic determin forma i motilitatea celular (colagenul, tubulina, actina);

imunologic anticorpii (IgA, IgM, IgG) inactiveaz antigenele;

de dezintoxicare grupele funcionale ale proteinelor leag metalele grele, alcaloizii (de ex.: albuminele);

32

homeostatic formarea trombilor n procesul coagulrii sngelui (fibrinogenul);

de substrat energetic la scindarea 1g de protein se degaj 17,1 kJ de energie.

ACIZII NUCLEICI Acizii nucleici sunt biopolimeri reprezentai n celule

prin acid dezoxiribonucleic (ADN) i acid ribonucleic (ARN). n calitate de monomeri servesc nucleotidele. Ambele tipuri de molecule poart sarcin negativ i migreaz n cmpul electric spre polul pozitiv. La fel ca i proteinele, acizii nucleici au cteva nivele de organizare conformaional.

Acidul dezoxiribonucleic Moleculele de ADN sunt alctuite din dezoxiribonucleotide (fig. 2.6).

Fig. 2.6. Dezoxiribonucleozidtrifosfai monomeri ai ADN

33

n calitate de baze azotate n componena nucleotidelor servesc adenina (A) i guanina (G) baze purinice, timina (T) i citozina (C) baze pirimidinice. Pentoza din ADN este reprezentat de 2-dezoxiriboz. Bazele pirimidinice se unesc de pentoz prin N1, iar cele pirimidinice prin N9. Pentru a preveni ambiguitatea n enumerarea atomilor n bazele azotate i pentoz, atomilor din dezoxiriboz li se adaug prim ('). O baz azotat mpreun cu pentoza formeaz nucleozidul (adenozina, guanozina, timidina, citidina). La adugarea acidului fosforic se obine nucleotidul.

Denumirea nucleotidelor provine de la baza azotat i numrul de resturi de acid fosforic. Dac se conine un rest

Fig. 2.7. Structura primar a ADN polinucleotid (Secvena

de nucleotide unite prin legturi fosfodiesterice 3 5)

34

5'3'

3'5'

fosfat nucleozid monofosfat (de ex., dAMP dezoxiadenozin monofosfat), dou resturi nucleozid difosfat (dADP dezoxiadenozin difosfat), trei nucleozid trifosfat (dATP dezoxiadenozin trifosfat). Resturile de acid fosforic se unesc la

captul 5' al dezoxiribozei i se numeroteaz prin , , . Nucleotidele se unesc ntre ele prin legturi fosfodiesterice n urma nlturrii resturilor fosforice i . Captul 3' al unei dezoxiriboze este unit cu captul 5' al alteia printr-un rest de acid fosforic, formnd lanuri polinucleotidice. Secvena polinucleotidic (ordinea nucleotidelor n caten) constituie structura primar a ADN (fig. 2.7). Ordinea nucleotidelor este arbitrar, ceea ce permite obinerea unui numr mare de molecule. Un capt al moleculei are liber grupa P~P~P-5', iar al capt grupa 3'-OH, de aceea catena de ADN este direcionat 5'3'. Moleculele de ADN se caracterizeaz prin existena structurii secundare specifice dublul helix, modelul cruia a fost propus i argumentat n 1953 de James Watson i Francis Crick. Molecula de ADN reprezint dou catene polinucleotidice antiparalele , unite ntre ele prin legturi de hidrogen, care apar la nivelul grupelor funcionale din bazele azotate (fig. 2.8; fig. 2.9).

Fig. 2.8. Formarea legturilor complementare ntre bazele

azotate

35

S-a constatat c legturile apar ntre o baz purinic i una pirimidinic. Legitatea prin care Adenina se unete cu Timina prin 2 legturi de hidrogen, iar Guanina cu Citozina prin 3 legturi de hidrogen poart denumirea de principiul complementaritii (fig. 2.8).

Fig. 2.9. Structura secundar a ADN: 2 catene

complementare antiparalele

36

Aceast regul este universal, comun pentru toate organismele vii i st la baza proceselor genetice fundamentale replicaia i transcripia. Aceste legiti au fost observate pentru prima dat de Erwin Chargaff, care a dedus c cantitatea de Adenin este aproximativ egal cu cea de Timin, iar cantitatea de Guanin cu cea de Citozin.

Deoarece legturile fosfodiesterice confer flexibilitate, este posibil rotirea fiecrei perechi de baze cu ~36 n jurul axei relative a helixului. Astfel, ntr-o spir complet (360) ncap ~10 nucleotide. Rotirea unei catene n jurul alteia face ca dublul helix s conin un an mare (cu un diametru de ~20 ) i un an mic (~12 ) (fig. 2.8; fig. 2.10).

Complementaritatea bazelor azotate (A=T i GC) determin: stabilitatea moleculei ADN; mecanismul replicrii; mecanismul transcripiei; mecanismul recombinrii; mecanismul reparrii leziunilor ADN.

Faptul c catenele ADN sunt antiparalele explic mecanismul replicrii moleculelor de ADN, funcie prin care este conservat informaia genetic n succesiunea generaiilor de celule i indivizi.

n anumite condiii legturile de hidrogen dintre catene se pot rupe, provocnd astfel denaturarea ADN. n calitate de factori de denaturare servesc acizii, bazele i temperaturile nalte. Cu ct o molecul este mai lung, sau conine mai multe perechi GC fa de A=T, cu att molecula este mai stabil. Dup denaturarea prin nclzire, la rcirea lent molecula poate s renatureze prin restabilirea legturilor complementare ntre bazele azotate. n cazul rcirii brute (de ex., introducerea eprubetei n baie cu ghea) renaturarea n-are loc i moleculele rmn monocatenare.

37

Structura secundar a ADN este reprezentat de mai multe tipuri de spirale, care se deosebesc prin nclinarea bazelor azotate fa de axa central, numrul de baze azotate ntr-o spir complet, direcia rsucirii catenelor i ca rezultat proprietile ADN. Se cunosc mai multe forme rsucite spre dreapta, dintre care cel mai des se ntlnesc formele A, B, C. Exist i o form rsucit spre stnga forma Z (tab. 2.3).

Tabelul 2.3. Parametrii unor forme de ADN

Parametrii helixului A ADN

B ADN

Z ADN

Sensul helixului Dreapta Dreapta Stnga

Numrul de baze n spir 11 10,4 12

Distana dintre baze () 2,9 3,4 3,7

Diametrul moleculei () 25,5 23,7 18,4

Incidena cea mai nalt se remarc pentru forma B, care este constatat n toate celulele (fig. 2.10). Anume forma B de ADN a determinat modelul

Watson-Crick. Totodat, dup cum s-a stabilit, n cadrul formei B mai pot exista unele devieri n ce privete numrul de nucleotide per spir i care poate varia n limitele 10,0 10,6.

Forma mai compact de tip A este caracteristic n special pentru moleculele de

ARN. Totodat, s-a constatat c hibrizii ADN/ARN, de

asemenea, se caracterizeaz prin forma A de conformaie. Aceasta are o mare importan

Fig. 2.10. Structura moleculei de ADN,

forma B

38

n procesul de replicaie, cnd pentru iniierea sintezei fiecrei catene se utilizeaz un primer ARN.

Forma Z se deosebete mult de toate celelalte n primul rnd prin direcia de rotire a helixului. Denumirea provine de la forma zig-zag a acestei conformaii. O alt caracteristic este existena unui singur an, ceea ce o determin ca purttoare a unei sarcini negative mai mari. Forma Z poate s se formeze in vitro la o concentraie sporit de sruri n regiunile unde

alterneaz o purin cu o pirimidin (de ex., }{

}{

CG

GCd sau }{

}{

TG

ACd ).

Se consider c forma Z se ntlnete i n sistemele in vivo n cazul metilrii ADN-ului. n toate sistemele in vivo moleculele de ADN sunt cuplate cu proteine prin legturi de hidrogen sau electrostatice, rezultnd o structur supramolecular structura teriar. Proteinele au roluri diverse n complexele cu ADN: particip la compactizare (histone), controleaz replicarea (ADN-polimeraza) i transcripia (ARN-polimeraza, factori de transcripie), particip la repararea moleculelor lezate (ADN-ligaza). Avnd proprieti acide, moleculele de ADN se asociaz cu proteine bazice, formnd nite complexe stabile. La eucariote aceste proteine poart denumirea de histone. La formarea structurii teriare particip histonele H1, H2A, H2B, H3, H4. Structura care

se formeaz n urma rsucirii ADN-ului n jurul unui miez proteic

poart denumirea de nucleozom mod de organizare a ADN-

ului nuclear al

eucariotelor (fig.

2.11). La procariote

ADN-ul are form de Fig. 2.11. Nucleozomul structura

teriar a ADN

39

inel. Datorit tensiunii intramoleculare ADN-ul procariotic, de obicei, are form de supraspiral i este asociat cu proteine bazice (fig. 2.12).

Proprietile moleculelor de ADN

Structura unical a ADN-ului determin i proprietile unicale, cum ar fi autoreproducerea (replicarea) i autoreparaia. Structura chimic i sarcina electric negativ asigur interaciuni cu alte molecule, prezentnd posibiliti funcionale diverse.

Replicarea reprezint sinteza unor molecule noi, identice cu molecula iniial pe baza structurii secundare. Reparaia este proprietatea ADN-ului de a-i restabili secvena de nucleotide n cazul leziunilor. Se bazeaz pe principiul complementaritii i previne apariia mutaiilor.

Denaturarea (topirea ADN) este ruperea legturilor de hidrogen ntre catenele complementare; renaturarea restabilirea structurii bicatenare proprieti importante n procesele de replicare, reparare i transcriere, ct i n manipularea ADN-ului in vitro;

Spiralizarea (fig. 2.11),

superspiralizarea (fig. 2.12),

despiralizarea sunt

proprietile dublului helix i determin trecerea macromoleculei de ADN de la

o stare funcional la alta. Heterogenitatea secvenelor de ADN se exprim prin

aranjarea aperiodic a bazelor n molecul, unele secvene de nucleotide se ntlnesc cu frecven diferit de-a lungul

moleculei de ADN ( 1

CG

TA);

Fig. 2.12. Supraspiralizarea moleculelor

de ADN inelar

40

Flexibilitatea ADN este capacitatea dublului helix de a

trece de la o form conformaional la alta de ex.: trecerea de la forma B la forma A se asociaz cu activarea ADN-ului pentru transcripie, iar trecerea la forma Z cu inactivarea secvenei.

Funciile ADN-ului

ADN-ul deine, pstreaz, transmite i realizeaz informaia genetic. Secvena (succesiunea) nucleotidelor din molecula de ADN reprezint informaia ereditar codificat. Codul genetic este universal pentru toate organismele vii i determin succesiunea aminoacizilor n protein. Mecanismul de transmitere a mesajului genetic este determinat de structura

bicatenar, complementaritate i se realizeaz n timpul replicrii ADN, urmat de mitoz sau meioz. n procesul de transcripie de pe ADN se sintetizeaz trei tipuri de ARN ce particip la sinteza matricial a proteinelor. Proteinele sunt substratul molecular a tuturor caracterelor i proprietilor unui organism.

Heterogenitatea ADN-ului la eucariote

n urma investigaiilor s-a constatat c cantitatea de ADN din celule este cu mult mai mare dect necesar. Acest fenomen a fost numit paradoxul mrimii care se caracterizeaz prin urmtoarele: exist un exces de ADN n comparaie cu cantitatea necesar pentru a codifica totalitatea proteinelor din organism;

exist variaii mari n ce privete cantitatea de ADN ntre speciile care nu se deosebesc esenial din punct de vedere structural; de exemplu: la diferite specii de amfibieni care nu se

deosebesc mult, mrimea genomului variaz n limitele 109-1011 pb (perechi baze nucleotide). n dependen de reprezentativitate ADN-ul nuclear la eucariote se clasific n mai multe categorii:

41

secvene unicale 45-56%;

secvene moderat repetitive 8-30%;

secvene nalt repetitive 12-25%. Tipurile de secvene pot fi determinate n rezultatul

ciclurilor de denaturare/renaturare a ADN-ului. Secvenele nalt repetitive renatureaz rapid, cele moderat repetitive mai ncet, iar cele nerepetitive (unicale) cel mai ncet.

Secvenele nerepetitive se ntlnesc n genom ntr-o singur copie i, de obicei, reprezint gene, care determin sinteza moleculelor ARNm. Lungimea total a secvenelor nerepetitive este de ~2 x 10

9 pb.

Secvenele repetitive sunt cele care se repet n genom de dou sau mai multe ori. Ele pot fi de dou tipuri: secvene moderat repetitive i secvene nalt repetitive.

Secvenele moderat repetitive au o lungime total de pn la 6 x 105 pb. Lungimea lor individual variaz n limite mari, iar secvenele respective se repet n mediu de 350 ori. Secvenele moderat repetitive formeaz familii de secvene, spre exemplu genele pentru histone sau genele pentru ARNr. n genomul uman cea mai mare parte de ADN moderat repetitiv

exist n form de secvene cu o lungime de ~300 pb, repartizate ntre secvenele nerepetitive - familia Alu.

Secvenele nalt repetitive reprezint nite succesiuni scurte de nucleotide (cteva zeci, mai rar sute de nucleotide), care se repet de sute de mii de ori n genom i, de regul, nu se transcriu. Datorit secvenei scurte care se repet ele se mai numesc secvene simple de ADN sau ADN satelit. Prin tehnici de hibridare s-a constatat c ADN satelit este localizat n regiunile de heterocromatin, n deosebi, lng centromer. O clas special de satelii o reprezint minisateliii repetri de pn la 50 ori a unor secvene scurte. Aceste secvene sunt foarte variabile ca lungime la diferite persoane i permit identificarea molecular a indivizilor.

42

O clas special de secvene nalt repetitive este reprezentat de palindromi. Palindromii reprezint succesiuni de nucleotide inversate, care au proprietatea de a se uni

complementar pe aceeai caten, formnd agrafe sau bucle n moleculele monocatenare de ARN sau ADN i structuri n form

de cruce n moleculele bicatenare de ADN (fig. 2.13). Aceste secvene asigur interaciunea cu proteinele (de ex., reprezint situsuri pentru enzimele de restricie sau suprafee de contact cu proteinele iniiatoare ale transcripiei, replicaiei, semnal de terminare a transcripiei).

Acizii ribonucleici Molecule ARN sunt biopolimeri monocatenari, care

constau din nucleotide unite prin legturi fosfodiesterice 3 5. Spre deosebire de nucleotidele din componena ADN, monomerii ARN-ului conin n calitate de pentoz riboza, iar bazele azotate sunt Adenina, Guaniana, Citozina i Uracilul (U), care substituie Timina din ADN (fig. 2.14). De regul,

Fig. 2.13. Structura palindromului n form de

cruce n molecula de ADN

43

moleculele de ARN sunt monocatenare, excepie fiind moleculele de ARN viral, care pot fi i bicatenare.

Structura primar a moleculelor de ARN este reprezentat de secvena nucleotidelor i determinat de secvena de ADN, de pe care are loc transcrierea. Structura secundar reprezint conformaia spaial a moleculei. Ea este stabilizat cu ajutorul legturilor complementare care se formeaz n cadrul aceleai catene datorit existenei secvenelor inversate. Moleculele de ARN se pot asocia cu proteinele

specifice n scopul proteciei contra ARN-azelor (particulele RNP ribonucleoproteice, care reprezint forma de export a

ARNm din nucleu n citoplasm) sau asigurrii funciei speciale (ARNr n ribozomi).

n orice celul numrul moleculelor de ARN este mult mai mare dect cel al moleculelor de ADN. Cantitatea de ARN

Fig. 2.14. Ribonucleozidtrifosfai monomeri ai ARN

44

variaz n dependen de perioada ciclului vital sau de tipul esutului din care face parte. n celula exist mai multe tipuri de ARN, dintre care cele mai reprezentative sunt ARN mesager

(informaional, matricial) ARNm, ARN ribozomal ARNr, ARN de transport (de transfer) ARNt, ARN nuclear mic

(ARNsn), ARN heterogen nuclear. ARNm se sintetizeaz n rezultatul transcripiei genelor

structurale i servete ca matri n procesul de sintez a proteinelor. n celule exist o varietate mare de ARNm, care se deosebete cantitativ i calitativ la diferite celule (vezi capitolul 9).

ARNr reprezint molecule cu lungime i succesiune de nucleotide conservat (tab. 2.4), care fiind asociate cu proteine formeaz ribozomii. ARNr particip la sinteza proteinelor, asigurnd legtura dintre ribozom ARNm i ARNt.

ARNt sunt molecule mici, cu o lungime de ~80 baze,

care asigur transportul aminoacizilor spre ribozomi i traducerea codului genetic. n celule se pot conine pn la 61

Tabelul 2.4. Tipuri de ARNr

Tipul

celulelor

Coeficie

ntul de

sedimen

tare

Lungim

ea

(baze)

Procariote

5S 120

16S 1540

23S 2900

Eucariote

5S 120

5,8S 160

18S 1900

28S 4700

45

tipuri de ARNt, sau cel puin 20 tipuri. Fiecare tip de ARNt este capabil s transporte un singur tip de aminoacid. Structura secundar a ARN de transport are o configuraie specific, numit frunz de trifoi, format din trei bucle funcionale, care se obin datorit secvenelor inversate de nucleotide (fig. 10.3).

ARNsn este reprezentat de secvene de cteva zeci de nucleotide i intr n componena enzimelor ce catalizeaz metabolismul acizilor nucleici (primaza, telomeraza,

splicesomul).

ARN heterogen nuclear este ntlnit doar la eucariote i reprezint transcripii primari sau produii intermediari ai processingului.

Verificarea cunotinelor: 1. Definii noiunile: polimer, monomer, structur primar,

structur secundar, polipeptid, nucleotid, complementaritate, catene antiparalele, heterogenitate,

palindrom, nucleozom, histon, ARNm, ARNr, ARNt. 2. Care sunt constituenii chimici de baz ai materiei vii? 3. Care este rolul biologic al proteinelor? 4. Cum se formeaz structura primar i secundar a ADN? 5. Care este rolul sarcinii negative a acizilor nucleici? 6. Care sunt tipurile conformaionale ale helixului dublu? 7. Care sunt funciile i proprietile moleculelor de ADN? 8. Care este rolul biologic al ARN?

46

MEMBRANELE BIOLOGICE

Celulele ca sisteme biologice sunt delimitate de ambiant

prin membrane semipermeabile. Acestea asigur funciile: - barier biologic; - transport selectiv al ionilor i moleculelor; - recepionarea i transmiterea semnalelor extracelulare i

intercelulare;

- suport pentru enzimele implicate n diferite procese metabolice;

- compartimentalizare a mediului intern al celulelor eucariote; - regleaz homeostazia intracelular i intercelular.

Fig. 3.1. Structura membranei plasmatice

47

Membranele biologice sunt formate din trei componente

moleculare de baz: lipide, care asigur funcia de barier semipermeabil; proteine, ce asigur funcionalitatea membranei; glucide cu rol de recunoatere i semnalizare.

Organizarea molecular a membranelor Dup modul de aranjare a lipidelor i proteinelor cel mai

acceptat model este cel mozaico-fluid propus de Singer i Nicolson (1972). Membrana celular e format dintr-un dublu strat (bimolecular) lipidic strpuns total sau parial de proteine (fig. 3.1). Acest model explic fluiditatea membranar, fuziunea membranar, activitile enzimatice, proprietile electrice i antigenice ale membranelor biologice.

Bistratul lipidic

Principalele lipide ntlnite n membranele celulare sunt fosfolipidele (fosfogliceride i sfingolipide), colesterolul, glicolipidele (situate spre exteriorul plasmalemei sau spre

lumenul organitelor) (fig. 3.2).

Fosfolipidele au structura amfifil avnd cap hidrofil i coad hidrofob. Aceast proprietate permite aranjarea specific a moleculelor de lipide la contactul cu apa: regiunea hidrofil (polar) este ntotdeauna ndreptat spre ap, iar cozile hidrofobe sunt maximal ndeprtare de ea. n cazul obinerii emulsiilor moleculele lipidice formeaz nite structuri globulare, numite micele, care respect aceeai regul de dispunere a moleculelor (fig. 3.2, D). Structurile de tipul dublu

strat de lipide i glicolipide au tendina de a se nchide formnd nite vezicule sferice, numite lipozomi. Deci, fosfolipidele se

48

pot autoasambla determinnd formarea barierelor ntre diferite medii lichide. Totodat, membranelor le este caracteristic fluiditatea, asigurat n mare msur de mobilitatea fosfolipidelor care poate fi de mai multe tipuri:

micarea n interiorul moleculei de fosfolipid;

micarea ntregii molecule de fosfolipid;

micarea de difuziune lateral, transversal, micarea de rotaie n jurul axei longitudinale a moleculei;

salturi extrem de rare de pe un strat pe altul (flip-flop)

n consecin, bistratul lipidic are proprietate de barier semipermeabil (doar unele molecule mici, nepolare, liposolubile pot trece uor prin bistrat). Fosfolipidele sunt heterogene i, interacionnd cu alte molecule (proteine, glucide), asigur specificitatea funcional a membranelor.

Colesterolul din compoziia membranelor celulelor animale asigur elasticitatea i rezistena mecanic, pstrarea integritii celulei ca sistem biologic.

A B D

C

Fig. 3.2. Structura lipidelor membranare: A Structura moleculei de fosfatidilcolin (fosfoglicerid); B Reprezenrarea grafic a fosfolipidelor; C Structura moleculei de

colesterol; D Structura micelei

49

Proteinele membranare

Proteinele constituie baza material a funciilor principale ale membranei: transportul substanelor, cataliza unor reacii biochimice, recepie. Cantitatea de proteine variaz la diferite tipuri de celule. Astfel, n teaca de mielin proteinele constituie 25% din greutate, n plasmalem n medie 50%, n membrana intern a mitocondriei 75%. Dup localizare se deosebesc dou categorii de proteine membranare (fig. 3.3): - periferice (extrinseci) - sunt ataate la exteriorul stratului dublu lipidic, unde interacioneaz n principal cu grupurile polare ale lipidelor sau altor proteine.

- integrale (intrinseci) - ce trec prin stratul lipidic; aceste proteine penetreaz parial sau total stratul dublu de lipide. Proteinele care strbat bistratul lipidic de la o fa la alt se numesc proteine transmembranare. Pot exista proteine cu

mai multe domenii transmembranare. Se consider c i proteinele au poriuni hidrofile care proemineaz n afara membranei pentru a contacta cu mediul apos i cu gruprile polare ale fosfolipidelor. Partea hidrofob se gsete n interiorul membranei i interacioneaz cu lanurile acizilor grai din molecula fosfolipidelor.

Dintre proteinele membranei plasmatice ale eritrocitului

Fig. 3.3. Aranjarea proteinelor membranare

Citosol

50

pot fi menionate spectrina (asigur forma biconcav i stabilitatea celulelor), glicoforina (are rol n recepia celular), proteina banda 3 (meninerea i controlul pH al celulei).

Proteinele se pot deplasa i ele n cadrul membranelor. Micrile lor sunt laterale, determinate de schimbarea conformaiei spaiale. Totodat moleculele se pot roti n jurul axei perpendiculare planului membranei.

Glucidele membranare

Glicolipidele i glicoproteidele formeaz un nveli periferic la suprafaa celulelor animale numit glicocalix (fig. 3.4). Funciile glicocalixului: asigur recunoaterea i adeziunea intercelular servesc n

calitate de receptori moleculari;

asigur individualitatea celulei; este un depozit de cationi; ajut la orientarea corect a proteinelor n membran

Fig. 3.4. Structura glicocalixului

Citoso

l

51

Membrana plasmatic

Membrana plasmatic (membrana citoplasmatic, plasmalema) are grosimea de 6-10 nm, separ celula de mediul nconjurtor, permite desfurarea schimbului de substane dintre celul i mediul extern, servete la comunicarea celulei cu alte celule sau cu mediul nconjurtor.

Membrana plasmatic ndeplinete diverse funcii, printre care evideniem:

funcia de barier, prin delimitarea mediului intern al celulei de cel extern;

particip la metabolismul celulei, cataliznd procesul de transport al substanelor i reglnd proprietile fizico-chimice ale celulei (pH, presiune osmotic, potenial electric etc.);

controleaz fluxul de informaie dintre mediul extern i celul, prin recepia i transmiterea semnalelor din mediu;

intervine n recunoaterea i adeziunea celular;

funcia de protecie imunologic a celulei i a organismului.

Particularitile membranelor interne Membranele organitelor sunt asemntoare cu structura

membranei plasmatice. n funcie de tipul organitului difer cantitatea de proteine i lipide. O caracteristic a membranelor interne este lipsa glicocalixului, sau prezena acestuia orientat spre lumenul organitelor (n reticulul endoplasmatic, aparatul Golgi).

Reticulul endoplasmatic se caracterizeaz prin coninutul nalt de enzime care particip la procesele de biosintez a diferitor clase de substane. Totodat, n RE rugos are loc mbogirea permanent cu proteine hidrofobe, care se integreaz n membran i, ulterior, se transport la locul de

52

destinaie. Veziculele endocitare i cele de secreie conin n

cantiti mari proteina clatrina, care faciliteaz procesul de endocitoz sau, respectiv, exocitoz.

n cadrul organitelor bimembranare membranele intern i extern se deosebesc att dup compoziia chimic, ct i funciile exercitate. Funciile membranelor deriv din structur i compoziie. Astfel, membrana extern a mitocondriilor conine proteina porina, care asigur transportul unor molecule mici, inclusiv a unor proteine cu greutate molecular mic. Membrana intern se caracterizeaz printr-un coninut nalt de proteine (80%), ce fac parte din lanul transportor de electroni (succinat-dehidrogenaza, citocromii) i particip la procesul de sintez a ATP (ATP-sintetaze), ct i lipide specifice, dintre care se evideniaz cardiolipina (10%)

Anvelopa nuclear

Nucleul este delimitat de citoplasm printr-o membran dubl, strbtut de pori, numit anvelop nuclear.

Fig. 3.5. Structura microscopic a anvelopei nucleare

53

Membrana nuclear intern se unete prin proteine specifice de lamina fibroas a nucleului. Ea vine n contact cu ADN-ul i ARN-ul transcris n nucleu (fig. 3.5).

Membrana nuclear extern continu cu membrana reticulului endoplasmatic granulat. Pe suprafaa ei, la fel ca i pe suprafaa RE rugos se gsesc ribozomi care particip la biosinteza proteinelor.

ntre cele dou membrane ce alctuiesc anvelopa nuclear se afl un spaiu perinuclear cu o lime de 20-40 nm. Proteinele sintetizate pe suprafaa nucleului nimeresc direct n lumenul RE cu care comunic spaiul perinuclear.

Prezena a dou membrane alturate face imposibil trecerea moleculelor de acizi nucleici n ambele direcii. Transportul macromoleculelor se realizeaz prin intermediul numeroilor pori nucleari, care strbat ambele membrane. n medie se conin 3000 4000 pori per nucleu, ceea ce constituie aproximativ 10% din suprafaa nucleului. Fiecare por este format din complexul porului care const din opt seturi de proteine plasate n trei starturi. Octamerul proteic mrginete un canal cu diametrul de 9 nm i lungimea de 15 nm prin care nucleul comunic cu citoplasma (vezi fig. 6.3). n mijlocul porului se afl granula central cu rol de diafragm. Prin pori trec particulele RNP, subunitile ribozomale, componentele necesare pentru activitatea normal a nucleului.

Biogeneza i evoluia membranelor Membranele biologice se formeaz prin completarea membranelor preexistente. Astfel, componentele mebranare noi

se sintetizeaz pe suprafaa RE i ulterior pot suferi transformri n AG (fig. 3.6).

Sinteza fosfolipidelor i etapele finale ale sintezei colesterolului se realizeaz pe suprafaa RE neted sau AG. Proteinele membranare se sintetizeaz pe suprafaa RE rugos

54

sau n citosol. Proteinele intrinseci, de regul, se sintetizeaz pe suprafaa RE granular, conin regiuni hidrofobe i rmn integrate n permanen n membrane. Conformaia spaial a proteinelor poate fi stabil, sau poate fi modificat n RE neted i AG prin glicozilare. Grupele oligozaharidice att pentru proteine, ct i pentru lipide sunt adugate n partea ndreptat spre lumenul RE sau AG.

Traficul de membrane se realizeaz prin intermediul veziculelor, care se afl ntr-o micare continu. Veziculele se insereaz ntr-o membran deja preexistent. Reciclarea membranelor este un proces continuu, ceea ce asigur funcionarea lor normal n permanen.

Transportul prin plasmalem Plasmalema prezint o permeabilitate selectiv care

asigur transportul de materiale prin membrana plasmatic. Se

Fig. 3.6. Biogeneza, evoluia i traficul membranelor

Citosol

55

disting dou tipuri de transport: pasiv i activ.

Transportul pasiv

Transportul pasiv se face fr consum de energie, substanele se deplaseaz n sensul gradientului de concentraie sau n sensul gradientului electrochimic (pentru ioni). Gradientul electrochimic e compus din gradientul de concentraie i cel electric. Partea intern a membranei are sarcin electric negativ, iar cea extern - pozitiv. A) difuziunea simpl, are loc prin stratul dublu lipidic.

Ptrunderea substanelor liposolubile are loc conform coeficientului de repartiie ntre ulei i ap. De asemenea prin bistratul lipidic trec gazele i, ca excepie, unele substane hidrofile din care face parte apa, ureea, metanolul.

B) transportul ionilor prin intermediul unor substane numite ionofori (ionofori - polipeptide produse de microorganisme).

Exist dou tipuri de ionofori: transportori mobili (de exemplu Valinomicina), care se unesc cu ionul de o parte a membranei,

complexul strbate startul dublu de lipide, iar mai apoi ionul este eliberat de partea opus; i de tip canal (de ex., Gramicidina) dou molecule de Gramicidin n stratul dublu lipidic formeaz un canal.

C) difuzia facilitat se produce de la o concentraie mai mare spre una mai mic (se oprete n momentul egalrii concentraiilor de pe cele dou pri ale membranei), dar substanele transportate trec mult mai rapid (100.000 ori), dect ar fi de ateptat pentru dimensiunea i solubilitatea lor n lipide. Substanele sunt transportate de ctre proteine specifice, numite permeaze, care se comport ca nite enzime legate de membran, fiindc difuziunea facilitat are

56

caracteristici comune cu cataliza enzimatic. Fiecare protein transportoare are un loc specific de legtur a substratului. Orice permeaz se poate uni i, respectiv, este capabil de a transporta un singur tip de molecule sau o anumit familie de molecule.

D) Exemple de difuziune facilitat: transportul anionilor, ureei, glicerolului i a altor neelectrolii. Transportatorul reprezint o protein transmembranar care sufer modificri conformaionale reversibile. ntr-o anumit stare conformaional pong, locurile de legtur se gsesc la exteriorul stratului dublu lipidic. n cealalt stare conformaional ping aceleai locuri snt expuse pe partea opus a membranei, iar substana este eliberat. Acest mecanism poart denumirea de pong - ping (fig. 3.7).

E) difuziunea simpl mediat de proteine canal - se deosebete de difuziunea facilitat. Proteinele membranare formeaz canale care sunt deschise n mod continuu - canale de poart. Canalele se deschid :

- la legarea unui ligand de un receptor - canale cu poart comandat de ligand; - n dependen de voltaj - canale cu poart comandat de

Fig. 3.7. Schema difuziei facilitate

57

voltaj; - canale care se deschid ca rspuns la creterea concentraiei intracelulare a unor ioni.

Transportul activ

Transportul activ - transport contra gradientului

electrochimic, care necesit consum de ATP. Transportul activ se efectueaz de proteine

transportatoare integrate n membrana plasmatic. A) Transportul ionilor - pompa de Na

+ i K+ reprezint o

protein-enzim (Na+ - K+ ATP-aza) ce scindeaz ATP n ADP i fosfat anorganic i necesit Na+ i K+ pentru activitatea sa. Pentru fiecare molecul de ATP hidrolizat se pompeaz la exterior 3Na

+ i la interior 2K+ (fig. 3.8). Proteina contribuie la

generarea potenialului electric de membran. Pompa de Ca2+ menine concentraia sczut de Ca2+ n citosol fa de concentraia mai mare a Ca2+ extracelular.

Fig. 3.8. Mecanismul funcionrii pompei Na+/K+

Citosol

58

B) Transportul activ cuplat cu gradiente ionice e reprezentat

de transportul glucozei i al aminoacizilor prin plasmalem. Glucoza este transportat de un cru al glucozei de care se leag i Na+ - sistem sinport. Na+ tinde s intre n celul conform gradientului electrochimic, antrennd n acelai sens glucoza. Cu ct gradientul de Na+ este mai mare i viteza transportului e mare; dac se reduce gradientul de Na+ se oprete i transportul glucozei. Na+ care ptrunde cu glucoza este pompat n exterior de Na+/K+ ATP-aza ce menine gradientul de Na

+.

Transportul aminoacizilor se face prin sistemul sinport

cu Na+, existnd cel puin cinci proteine diferite n plasmalema

celulelor animale.

Direcia de transportare a substanelor

Diferite tipuri de proteine transportoare asigur transferul fie a unui singur tip de molecule (ioni), fie a mai

multor (fig. 3.9). Dac printr-un canal se transport un singur tip de substane astfel de transport se numete uniport (canalele de Ca

2+ n membrana reticulului sarcoplasmatic). Transportarea

mai multor substane prin acelai canal se numete cotransport. Cotransportul poate fi de dou tipuri: sinport, n cazul dac

Uniport Sinport Antiport

Cotransport

Fig. 3.9. Tipurile transportului prin membrane

59

diferite moleculele (ioni) sunt transportate n aceeai direcie (Na

+ - glucoz, Na+ - aminoacizi) i antiport, dac substanele

se transport n direcii diferite prin membran (pompa Na+ - K+, Na

+ - Ca

2+, Cl

- - HCO3

-, Na

+ - H

+).

Transportul macromoleculelor prin membrane

Macromoleculele (proteine, polizaharide, picturi de grsimi, bacterii, fragmente celulare) nu pot trece liber prin membrane pasajul lor fiind facilitat de anumite proteine. Pentru

ele este caracteristic transportul prin vezicule, care poate fi de

trei tipuri: endocitoz, exocitoz, transcitoz . Endocitoza se clasific n fagocitoz i pinocitoz. Fagocitoza este capacitatea unor celule de a ngloba

din exterior particule solide (proteine, fragmente celulare,

bacterii). Ea reprezint o modalitate de nutriie a protozoarelor, iar la mamifere joac rolul de aprare a organismului datorit capacitii leucocitelor de a fagocita. Prin fagocitoz snt ndeprtate celulele senescente. Fagocitoza are cteva faze:

- chemotaxia - micarea dirijat a fagocitelor, spre locul infeciei; - recunoaterea i ataarea fagocitelor de particulele strine se face cu ajutorul receptorilor din plasmalema fagocitului ce recunosc liganzii de pe suprafaa particulei; - nglobarea particulelor ntr-o vezicul; - digerarea celulelor fagocitate.

Transportul macromoleculelor n procesul endocitozei este realizat prin intermediul veziculelor ce se formeaz din membrana plasmatic. Veziculele iau natere n regiuni specializate ale membranei plasmatice ce au aspectul unor

depresiuni. Pe supra

Curs Biologie Moleculara

Documents

Transcript of Curs Biologie Moleculara

o, al (-parhon.ro/...CONCURS...MOLECULARA-CELULARA-SI-STRUCTURALA-13.01.202… · - I post cercetdtor qtiinfific, biolog specialist - specialitatea biologie in cadrul Laboratorului

biologie moleculara

Curs 2 Si Curs 3 Notiuni de Biofizica Moleculara Si Termodinamica Biologica

Biologie Vegetala - Curs 2

C1 Biologie Celulara Si Moleculara Prim Curs

INFORMAŢII PERSONALE Marieta COSTACHE - …old.unibuc.ro/prof/costache_m/docs/cvs/2011decCV_Costache_Marieta... · 1995–2007 curs de Tehnici de varf/avansate in Biologie Moleculara

Biologie Moleculara in Endocrinologie

Biologie Celulara Curs

Biologie Moleculara Proiect (Hemoglobina)

CURS 7 biologie celulara

Echipamente biologie moleculara

Curs 1 Tehnici Biologie Moleculara

04 Curs biologie

RAPORT ANUAL DE ACTIVITATE STIINTIFICÃ SI DE …€¦ · - Biologie moleculara: biomarkeri asociati cancerelor umane (boli limfoproliferative, cancer ... 2013, Curs Terapii Regenerative

Curs de Biologie Celulara

Proiect La Biologie Moleculara

Caracterizarea moleculara a citoplasmei androsterile PET1 ...ebooks.unibuc.ro/biologie/biotehnologie/articolul5.pdf · America de Nord. În principal, seminţele sale sunt folosite

CURS BIOLOGIE VEGETALA 2.ppt

curs-2+3-organizarea moleculara a membranelor.pdf

REFERAT CURS BIOLOGIE ANIMALĂ