Elemente de biologie moleculara

Replicatia ADN

Transcriptie

Translatie

Elementele moleculare care stau la baza

functiilor nucleului

• Nucleotid - Unitatea structurala a moleculelor de ADN si ARN

• Codon – Secvenţă din 3 nucleotide. Unitatea informaţionala a moleculei de ADN si ARN. – Sunt cunoscuţi 64 de codoni (61 codoni definesc 20

aminoacizi, 3 codoni au rol de STOP pentru sinteza proteică)

• Gena (cistron) – Unitatea funcţionala, care se transcre, a moleculei de ADN. – Este secventa de codoni, care contine informatia completa

privind secventa unui lant peptidic

• Genom – totalitatea genelor dintr-o celula

Cele doua functii ale AND-ului nuclear

• REPLICAREA ADN (functie autocatalitica) - mecanism molecular, prin care are loc sinteza unei copii de ADN, pe baza complementaritatii nucleotidelorin. Are loc in diviziunea celulara

• TRANSCRIPTIA (functia autocatalitica) - mecanism molecular, prin care are lor transcrierea unei molecule ADN intr-o molecula de ARN. Are loc, in principal, in nucleul interfazic si reprezinta fenomenul de “expresie genica”

Structura ADN

Lant dublucatenar Lant monocatenar

Functia autocatalitica a ADN-ului

• Are loc inaintea unei diviziuni celulare

• Are loc in faza de sinteza a ciclului celular

• Are ca scop generarea unei copii fidele a genomului unei celule

• Este declansata/inhibata de semnale intrinseci/extracelulare, care activeaza/blocheaza functiile proteinelor reglatoare de gene

CICLUL CELULAR

Mecanismul molecular de replicatie ADN • Replicaţia începe bidirecţional dintr-un

punct fix, origine, de la care se formează

două furci de replicare

• Dublul helix al ADN se desface prin

acţiunea enzimelor care rup punţile de

hidrogen dintre cele două catene

complementare

• ADNul despiralizat este stabilizat de

proteinele SSB (single strand binding

proteine)

• Sinteza ADN începe cu un primer ARN

(un scurt fragment, de 10 nucleotide, de

ARN complementar cu originea ADN.

Primerii sunt mai târziu înlocuiţi cu

secvenţa ADN de enzime specifice

• Sinteza are loc doar in directia 5' 3'.

• Procariotele – o singura origine de

replicare/cromozom

• Eucariote – multiple origini de replicare

Complexul enzimatic al replicarii

• ADN Primaza (polimeraza ARN specifică) sintetizează primul fragment (de tip ARN) nucleotidic la capatul 5'

• ADN-polimeraza I adăugâ prima dezoxiribonucleotidă la capătul 3’-OH al primerului ARN, alungeşte fragmentele Okazaki , are acţiune exonucleazică, realizând înlăturarea primerului ARN.

• ADN-polimeraza III - acţionează după ADN-polimeraza I, contribuind la alungirea lanţului de ADN nou-sintetizat. • În comparaţie cu ADN-polimeraza I, care polimerizează doar 10 nucleotide,

ADN-polimeraza III polimerizează circa 1000 nucleotide.

• ADN-ligazele catalizează formarea legături lor fosfodiesterice între un grup 3’-OH şi grupul 5’-fosfat ale aceluiaşi lanţ ADN . Ligazele sunt esenţiale în sinteza moleculelor normale de ADN, în mecanismele de reparare a ADN, cât şi pentru tăierea lanţului ADN în recombinarea genetică.

• Topoizomerazele I şi II exercită acţiunea de desfacere şi despiralizare a helixului de ADN, • topoizomeraza I taie doar o catena a dublului helix • topoizomeraza II taie ambele catenel ale dublexului helix ADN. • Topoizomerazele au câte două subunităţi: “nick-aza”, care taie catena

fosfodiesterică in lanţul de ADN, şi “giraza”, care resudează cele două capete libere ale ADN-ului

Alungirea catenei de ADN

are loc doar in directia 51- 31

Fragmentele Okazaki

• ADN-polimeraza III alungeşte lanţul ADN doar în direcţia 5' la 3'.

• Sinteza ADN este continuă pe o catenă (catena timpurie) şi discontinuă pe cealaltă catena (catena târzie).

• Pe catena târzie se formează fragmente polinucleotidice, fragmente Okazaki

• Asamblarea fragmentelor este realizata de ligaze

Modelul semiconservativ de sinteza ADN

Fiecare molecula dublu-catenara de ADN, formata ca

urmare a procesului de replicatie, va contine o catena

noua si una veche, din molecula de ADN parental

Corectarea greselilor de replicatie

Deficiente in controlul

si repararea greselilor

de citire, pot duce la

acumularea rapida a

mutatiilor in celula.

Diviziunea mitotică

MITOZA SI MEIOZA

Importanta biologică a mitozei şi meiozei • MITOZA

– Diviziunea celulelor somatice in crestere, regenerare

– Din celula diploidă 2n se genereaza 2 celule fiice diploide, fiecare 2n

– Transmiterea nealterată a informatiei genetice la toate celulele unui organism pluricelular

• MEIOZA

– Diviziunea celulalor germinale, 2n, cu formarea gametilor haploizi, n.

– Din celula diploida 2n, se formeaza 4 celule haploide, n.

– Fuziunea a doua celule haploide duce la formarea unei celule 2n – zigotul (prima celula diploida a unui organism pluricelular).

Expresia genică Transcriptia si translatia

• Transcriptia si translatia sunt functii ale nucleului

interfazic

• Transcripţia – fenomenul de transcriere a

informaţiei genetice din secventa ADN în secventa

ARN

• Doar o singură catenă de ADN este folosită ca

matrită pentru sinteza ARN

• Enzimele implicate in transcriere - ARN

polimerazele

– ARN-polimeraza I sintetizează ARN ribozomal (ARNr);

– ARN-polimeraza II sintetizează ARN mesager (ARNm)

– ARN-polimeraza III sintetizează ARN de transfer (ARNt).

Transcriptia si Translatia genelor la procariote si eucariote

Mecanismul de transcriptie in celulele eucariote

Procesul de transcriptie in celula eucariota

• Capat 5' - modificat GTP. Participa la

recunoasterea semnalelor de legare la

ribizomi.

• Capat 3‘ - capat Poli –A, aprox. 150 sau

mai multe nucleotide adenozinice. Are rol

de stabilizare a moleculei de mARN.

Mecanismul transcriptiei • Initierea

– Recunoasterea promotorului de catre ARN polimeraza • Promotor – secventa ADN, situată inaintea situsului de

start al sintezei ARN • La procariote promotorul este reprezentat din secventa

TATAAT, iar la eucariote, TATA-box, formată din 7 nucleotide cu reziduuri A şi T

– Legarea ARN polimerazei de regiunea promotor • Alungirea catenei de ARN

– Alungirea catenei in directia 5' - 3‘ sub actiunea ARN polimerazei

– Formarea legăturilor de hidrogen dintre catena ADN si catena ARN in sinteza (hibrid temporar)

• Terminarea sintezei – recunoasterea secventelor repetitive de la capătul terminal al genei

Aparatul de translatie

• Ribozomii - complexe riboproteice multienzimatice

• ARN de transfer (ARNt) – transporta aminoacizii la locul sintezei

• Enzime aminoacil-sintetaze - realizează legătura dintre aminoacid şi molecula de ARNt

• Aminoacizii - cei 20 de aminoacizi naturali, pentru care există cel putin o moleculă de ARNt.

• Factori de transcripţie specifici (de initiere - IF , de elongare - EF şi terminatori - TF), care participă la reglarea procesului de sinteză.

Codul genetic universal 43 = 64 codoni

Prima nucleotidă a A doua nucleotidă a codonului A treia nucleotidă a

codonului 5' U C A G codonului 3'

U

UUU Fenilalanină

UUC Fenilalanină

UUA Leucină

UUG Leucină

UCU Serină

UCC Serină

UCA Serină

UCG Serină

UAU Tirozină

UAC Tirozină

UAA STOP

UAG STOP

UGU Cisteină

UGC Cisteină

UGA STOP

UGG Triptofan

U

C

A

G

C

CUU Leucină

CUC Leucină

CUA Leucină

CUG Leucină

CCU Prolină

CCC Prolină

CCA Prolină

CCG Prolină

CAU Histidină

CAC Histidină

CAA Glutamină

CAG Glutamină

CGU Arginină

CGC Arginină

CGA Arginină

CGG Arginină

U

C

A

G

A

AUU Izoleucină

AUC Izoleucină

AUA Izoleucină

AUG Metionină

ACU Treonină

ACC Treonină

ACA Treonină

ACG Treonină

AAU Asparagină

AAC Asparagină

AAA Lizină

AAG Lizină

AGU Serină

AGC Serină

AGA Arginină

AGG Arginină

U

C

A

G

G

GUU Valină

GUC Valină

GUA Valină

GUG Valină

GCU Alanină

GCC Alanină

GCA Alanină

GCG Alanină

GAU Acid aspartic

GAC Acid aspartic

GAA Acid glutamic

GAG Acid glutamic

GGU Glicină

GGC Glicină

GGA Glicină

GGG Glicină

U

C

A

G

Ribozomii

ARN de transport

Caracteristicile codului genetic

• Degenerat: numeroase triplete (codoni) sunt sinonime, codificând acelaşi aminoacid.

• Nesuprapus: doi codoni succesivi nu au nucleotide comune, iar citirea informaţiei genetice se face continuu, fără reveniri.

• Fără virgule: între codoni nu există nucleotide sau codoni de separare care să marcheze începutul sau sfârşitul unui codon, informaţia genetică citindu-se continuu.

• Universal: codul genetic cu triplete este valabil la toate organismele vii, aceleaşi triplete codificând aceiaşi aminoacizi (excepţie face genomul mitocondrial, unde există mici modificări în codificarea unor triplete).

Mecanismul translatiei 1. Initierea sintezei proteice

– ARNm migrează în citoplasmă, unde impreuna cu ribozomii formeaza polizomii

– Activarea primului aminoacid din lantul polipeptidic (metionina) în urma reacţiei cu molecula de ATP, in prezenta aminoacil-sintetazei

AA + ATP --- aminoacil sintetaze AA -AMP + P-P

– Legarea aminoacizilor activaţi la ARNt in prezenta aceleiasi enzime

AA-AMP + ARNt ---aminoacil sintetaze AA-ARNt + AMP

– Initial se formează complexul ARNm-AA1-ARNt1-subunitatea mica ribozomala

• Complexul de initiere interactioneaza cu subunitatea mare ribozomală, astfel incat AA1-ARNt1 (cu metionina) va fi pozitionata in situsul P al subunitatii mari ribozomale

• Urmează aditia celuli de al doilea AA2 in situsul A al subunitatii mari ribozomale

• Formarea legaturii peptidice dintre cei doi aminoacizi (din situsul P si A) in prezenta enzimei peptidiltransferazei

• Translocarea complexului ribozomal de-a lungul moleculei de ARNm cu un codon (se elibereaza situsul A, iar situsul P va fi ocupat de polipeptidul in crestere)

AA1-ARNt1 + AA2-ARNt2---peptidil transferazaAA1-AA2 + ARNt1 + ARNt2

2. Alungirea

lantului

polipeptidic

3. Terminarea sintezei proteice

• Sinteza polipeptidelor se termină atunci când în situsul A apare unul din cei trei codoni stop

• La codonul stop, are loc interactiunea polipeptidului cu molecula H2O si completarea capatului carboxilic COOH,

• Desfacerea complexelor ribozomale in subunitati, eliberarea moleculei ARNm si a polipeptidului

• La terminarea sintezei polipeptidice participa factorii terminatori TF

Localizarea celulara a fenomenelor de replicatie, transcriptie si translatie