Macromolecule ADN ARN Proteine 2015

BIOLOGIE MOLECULAR 2015-Macromolecule: ADN, ARN, Proteine - S. Capcelea, E. Chesov

1

MACROMOLECULE

ADN, ARN, Proteine

1. ACIZII NUCLEICI ................................................................................................................................... 2

1.1 Compoziia molecular i structura acizilor nucleici: ........................................................................ 3

2. Acidul dezoxiribonucleic - ADN .............................................................................................................. 4

2.1 Structura ADN ................................................................................................................................... 4

(A) Monomerii ADN ............................................................................................................................. 4

(B) Structura primar a ADN ................................................................................................................ 4

(C) Structura secundar a ADN............................................................................................................. 5

(D) Structura teriar a ADN ................................................................................................................. 7

2.2 Proprietile ADN ............................................................................................................................... 9

2.3 Funciile ADN-ului ........................................................................................................................... 10

2.4 Particularitile ADN uman ............................................................................................................... 15

3. Acizii ribonucleici - ARN ....................................................................................................................... 15

3.1 Structura ARNului ............................................................................................................................ 16

A. Monomerii ARN............................................................................................................................. 16

B. Structura primar a ARN ................................................................................................................ 16

C. Structura secundar a ARNului ...................................................................................................... 17

D. Structura teriar a ARN ................................................................................................................. 17

3.2 Diversitatea moleculelor de ARN ..................................................................................................... 17

3.3 Particularitile ARNm ...................................................................................................................... 19

3.4 Particularitile ARNt ........................................................................................................................ 21

3.5 Particularitile ARN ......................................................................................................................... 23

4. PROTEINELE ......................................................................................................................................... 25

4.1 Structura proteinelor .......................................................................................................................... 25

(A) Aminoacizii monomerii proteinelor........................................................................................... 25

(B) Organizarea molecular a proteinelor ........................................................................................... 27

Structura primar ............................................................................................................................. 27

Structura secundar ......................................................................................................................... 27

Structura teriar .............................................................................................................................. 29

Structura cuaternar......................................................................................................................... 29

4.2 Proprietile proteinelor..................................................................................................................... 30

4.3 Conformaia proteinelor i rolul chaperonelor ............................................................................... 32

4.4 Clasificarea proteinelor ..................................................................................................................... 33

4.5 Rolul biologic al proteinelor ............................................................................................................. 34

4.6 Rolul medical al proteinelor .............................................................................................................. 34


2

1. ACIZII NUCLEICI

ADN acidul dezoxiribonucleic:

A Acid: grupa fosfat care formeaz catena de ADN i-i determin proprietile acide

D Dezoxiribo: pentoza din catenele de ADN - dezoxiriboza, nu au oxigen n poziia 2.

N Nucleic: moleculele de ADN au fost identificate mai nti n nucleul celulei, iar mai trziu in mitocondrii, n plastide, n citoplasma bacteriilor.

ARN acidul ribonucleic:

A Acid: grupa fosfat care formeaz catena de ARN, determin proprietile acide

R Ribo: pentoza din catenele de ARN - riboza.

N Nucleic: moleculele de ARN au fost identificate mai nti n nucleul celulei, iar mai trziu in citoplasm.

Figura 1.1 Modelele acizilor nucleici ADN vs ARN.


3

1.1 Compoziia molecular i structura acizilor nucleici: Acizii nucleici sunt substane polimerice. Unitile structurale [monomerii] ale acizilor

nucleici se numesc nucleotide. (fig.1.2)

Nucleotidul este o combinaie chimic complex alcatuit din: 1) baz azotat(N):

primidinic (Py): citozina (C), timina (T) n ADN i uracilul (U) n ARN sau

purinic (Pu): adenina (A), guanina (G) n ADN i ARN; 2) o pentoz: dezoxiriboza (dR) n ADN i riboza (R) n ARN; 3) acid fosforic (P).

Componente a nucleotidelor ADN i ARN sunt prezentate n fig.1.3

Figur 1.3 Componentele nucleotidelor ADN i ARN

vs

AMP adenozin monofosfat monomer al

ARN (unul din 4 variante)

dAMP dezoxi adenozin monofosfat

monomer al ADN (unul din 4 variante)

Figura 1.2 Monomeri ADN vs ARN.


4

2. Acidul dezoxiribonucleic - ADN

2.1 Structura ADN

(A) Monomerii ADN dezoxiribonucleotidele:

4 tipuri de dezoxiribonucleotide trifosfai (dNTP):

(B) Structura primar a ADN catena polinucleotidic:

Catena de ADN se formeaz prin polimerizarea dNTP ntr-un lan polinucleotidic:

Fiecare nucleotid din catena de ADN este unit prin legturi fosfodiesterice, realizate ntre 3-OH al dezoxiribozei primului nucleotid si

alfa-radical fosfat-5 al urmtorului nucleotid (cu eliberarea a doi radicali

fosfai); (fig.2.2)

Ordinea nucleotidelor, ce conin diferite baze azotate, este aleatorie, iar

combinaia A, G, C i T n catena de ADN reprezint codul genetic (trei nucleotide codific unul din cei 20 de aminoacizi ce constituie proteinele).

dezoxiAdenozin trifosfat

dezoxiTimidin trifosfat dezoxiCitidin trifosfat

dezoxiGuanozin trifosfat

Figur 2.1 Monomerii ADN

Figur 2.2 Structura primar a ADNului


5

(C) Structura secundar a ADN dublu helix format din dou catene polinucleotidice:

o catenele sunt complementare, fiecare baz azotat Pu dintr-o caten se unete specific cu o baza

Py din cealalt catena, A cu T i G cu C;

o catenele sunt unite prin puni de H, AT i G C;

o catenele sunt antiparalele, una din catene este orientat opus vs cealalt (fig.2.3)

o catenele sunt dublu spiralate deoarece fiecare nucleotid este aranjat fa de precedentul nucleotid

din caten sub un unghi de 36; n felul acesta catenele se ruleaz spre dreapta , formnd

o dubl spiral helicoidal cu 10 nucleotide pe o spir;

Figur 2.3 Structura secundar a ADN

Figur 2.4 Particularitile dublului helix ADN


6

Tabel 2.1 Conformaii spaiale i forme funcionale ale dublului helix,

A B Z

Direcia helixului dreapta dreapta stnga

Unitatea repetat 1 pb 1 pb 2 pb

Rotaie/pb 33.6 35.9 60/2

Nr pb/helix 10.7 10.0 12

Diametrul 26 20 18

Conformaia Caracteristica ARN i

duplexului ARN-ADN

Forma fiziologic a

ADN

Caracteristica unor

secvene de ADN,

probabil, implicate n

reglarea transcripiei

A B Z

Structura secundar bicatenar a ADN asigur proprietile i funciile principale ale moleculelor de ADN:

replicarea semiconservativ a ADN;

reparaia leziunilor din molecula de ADN;

transcripia ADN cu sinteza moleculelor de ARN pentru sinteza proteinelor celulare

Figur 2.5 Tipuri de conformaii spaiale ale ADN


7

Modelul structural ADN, cu cele dou catene complementare i antiparalele, a permis formularea ipotezei corecte privind transmiterea informaiei ereditare prin

replicarea semiconservativ a ADN. (fig.2.5)

n timpul replicrii are loc:

- despiralizarea dublului helix; - separarea progresiv a celor dou catene ADN ce

devin catene matrie,

- fiecare dintre matrie dirijeaz sinteza unei catene noi, complementare, prin polimerizarea

nucleotidelor;

- rezult dou molecule identice, fiecare posed o catena "veche" i una nou.

(D) Structura teriar a ADN complexe DNP (DezoxiNucleoProteid)

Eucariotele au marea majoritate a ADN (98%) localizat n nucleu (n cromozomi); o cantitate mic de ADN (2%) se afl n mitocondrii. ADN nuclear este asociat obligatoriu cu proteine bazice (histone) i acide sau neutre (nonhistone):

Proteinele histone au rol structural, n organizarea supramolecular a ADN n cromatin i cromozomi,

Proteinele nonhistone au rol funcional, intervenind n reglarea funciei ADN-ul ui (replicare, reparative, transcripie).

Proteinele histone, fiind bazice i cu sarcin electric +, interacioneaz specific cu ADN-ul , determinnd compactizarea lui.

5 clase de histone compactizeaz ADN-ul uman: 2 molecule de H2A + 2 molecule de H2B + 2 molecule de H3 i 2 molecule de H4

formeaz un octamer n jurul cruia se nfoar aproape de dou ori un segment de ADN.

Histona H1 stabilizeaz complexul, fixeaz ADN-ul de miezul histonic formnd-se nucleosomul.

Filamentul polinucleosomic determin I nivel de compactizare a ADN-ul ui nuclear i, totodat, nivelul elementar de prezentare a ADN n nucleu.

Figura 2.7 Nivelele de compactizare a

ADNului nuclear. I nivel nucleosomic, II nivel solenoid, III nivel bucle fixate pe un scaffold proteic i al IV nivel

cromozom metafazic.

Figur 2.6 Replicarea ADN


8

Tabelul 2.2 Caracteristica proteinelor non-histone situs specifice ce

interacioneaz cu dublul helix i cu diferii factori de transcripie, asigurnd diferite procese n celul


9

Proteinele nehistone sunt extrem de heterogene. Un grup foarte important de nonhistone sunt

proteinele situs specifice, prezentate n tabelul 2.2. Rolul lor principal este s asigure interaciunea corect ADN-Protein sau Protein Protein n funcionarea corect a factorilor de transcripie. (Factorii de transcripie asigur recunoaterea corect a genelor care activate vor determina sinteza setului de proteine necesar celulei, esutului, organismului pentru o activitate vital sntoas. Fiecare protein situs specific are domenii de interaciune cu ADN-ul , domenii de interaciune cu anumite clase de factori de transcripie i combinnd-se diferit determin numeroase funcii distincte n celul prin expresia difereniat a genelor.

2.2 Proprietile ADN Structura unic a ADN-ului determin i proprietile unice, cum ar fi autoreproducerea (replicarea) i reparaia. Structura chimic i sarcina electric negativ asigur interaciuni cu alte molecule, prezentnd posibiliti funcionale diverse.

Replicarea reprezint sinteza unor molecule noi de ADN, identice cu molecula iniial pe baza structurii secundare.

Reparaia este proprietatea ADN-ului de a-i restabili secvena original de nucleotide n cazul leziunilor. Se bazeaz pe principiul complementaritii, i previne acumularea mutaiilor.

Denaturarea ADN reprezint ruperea legturilor de hidrogen dintre catenele complementare, ce face posibil accesul la secvena de baze azotate, citirea informaiei codificate condiie necesar pentru replicarea ADN, reparaia ADN i transcripia ADN; Denaturarea ADN se poate produce i n cazul modificrii micromediului (t nalte, mediu basic); (fig.2.9)

Renaturarea ADN restabilirea structurii bicatenare; Spiralizarea, superspiralizarea, 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:

o Secvene bogate n A=T alterneaz cu secvene bogate n GC;

o Secvene codante (gene) alterneaz cu cele necodante i reglatoare; o Secvene active transcripional alterneaz cu cele netranscrise; o Secvene unice (gene structurale) alterneaz cu cele repetitive (gene ARNr, gene

ARNt, minisateliti, etc);

Figur 2.8 Interaciunea ADN-proteine nehistone situs-specifice

Figur 2.9 Denaturarea i renaturarea

ADN


10

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 de ADN.

Fragilitatea ADN este determinat de sensibilitatea la aciunea factorilor mutageni:

Radiaiile ionizante pot produce rupturi mono- sau bicatenare;

Razele UV pod determina apariia dimerilor pirimidinici;

Mutagenii chimici pot modifica bazele azotate i mpiedica mperecherea corect;

Viruii se pot insera n molecula de ADN modificnd structura i funcia genelor; Hibridarea ADN determin formarea moleculelor noi de ADN din molecule de origine

diferit baza recombinrii ADN-ului, ingineriei genice; Sarcina electrica - i permite ADN-ului s interactioneze specific cu proteinele bazice

(histonele) i proteinele acide (nonhistonele), s migreze n cmpul electric.

Uniti de lungime ale moleculei de ADN

Deoarece ADN-ul este un dublu helix, lungimea moleculei se descrie n mai multe perechi baze (pb):

A. Kilobaze (kb) 103 pb; B. Megabaze (Mb) 106 pb; C. Gigabaze (Gb) 109 pb

1 kb = 1000 bp

1 Mb = 1000 kb = 1 000 000 bp

1 Gb = 1000 Mb = 1 000 000 kb = 1 000 000000 bp

2.3 Funciile ADN-ului ADN-ul deine, pstreaz, transmite i realizeaz informaia genetic. ADN-ul deine informaia genetic despre:

structura organismului

particularitile lui funcionale

particularitile de dezvoltare, reproducere, rspunsului la aciunea factorilor de mediu

interaciunea dintre diferite elemente ale aceluiai organism sau cu alte organisme.

Figur 2.10 Expresia informaie genetice


11

Informaia genetic n ADN este nscris sub forma unei secvene prin succesiunea a patru tipuri de baze azotate:

A, G, C, T

Bazele azotate se combin cte trei, formnd codoni - "cuvintele" codului genetic, fiecare triplet codific un anumit aminoacid, de exemplu:

AAA Lys CAG Gln TGC Cys GGA Gly

etc.

Astfel, succesiunea tripletelor dintr-un segment codant de ADN determin succesiunea aminoacizilor dintr-un polipeptid.

Secvena codant - ...AAACAGTGCGGA...

Fragment polipeptidic - ...Lys Gln Cys Gly... Succesiunea aminoacizilor din polipeptid determin particularitile spaiale i

funcionale ale proteinei. Proteinele determin (direct sau participnd n diferite lanuri metabolice) toate structurile

celulare, activitile celulare, asigur interaciunea celulelor, particip n aprarea celulei sau rspunsul la aciunea diferitor factori ecologici, etc.

ADN-ul pstreaz informaia genetic a) de aciunea mutagen a factorilor de mediu - fiind compactizat i asociat cu proteine

micoreaz posibilitatea accesului mutagenilor la secvena nucleotidic; b) de acumularea mutaiilor chiar dac i se produc modificri n ADN, celula posed

diverse sisteme de reparaie, refcnd structura iniial a ADN-ului i micoreaz rata mutaiilor;

c) de citirea neautorizat, pentru a preveni expresia genelor nedorite - ADN fiind compactizat pentru a fi citit i transcris este nevoie de semnale activatoare i asamblarea unui complex multiproteic ce promoveaz transcripia unei anumite gene.

ADN-ul realizeaz informaia genetic n timpul sintezei moleculelor de ARN i proteinelor.

ADN-ul poate fi transcris sub form de secvene nucleotidice de ARN: ARNm, ARNr, ARNt i microARN care particip la translaia I.G. i sinteza lanurilor polipeptidice - viitoare proteine structurale, enzime, receptori, reglatori, hormoni, etc.

ADN ietranscript ARNm translatie polipeptid protein funcional

ARNt

ARNr

microARN

ADN-ul transmite informaia genetic din generaie n generaie (de la celul la alte

celule sau de la o generaie de organisme la alte generaii de la prini la copii). La baza motenirii i transmiterei I.G. st proprietatea unic a moleculei de ADN de

replicare:

1 molecul de ADN replicare 2 molecule de ADN


12

Astfel, procesele moleculare de baz din celulele umane sunt:

replicarea ADN suportul transmiterii I.G.;

reparaia ADN suportul stabilitii I.G.;

transcripia ADN i translaia ARNm suportul realizrii I.G.

Toate aceste procese:

(1) sunt programate se realizeaz numai ntr-o anumit perioad ontogenetic a celulei, dependent de tipul celulei, dependent de semnalele exogene i endogene;

(2) se realizeaz matricial moleculele iniiale reprezint modele pentru sinteza produilor specifici;

(3) se desfoar dup principiul complementaritii bazelor azotate; n timpul replicrii catenele noi de ADN sunt complementare celor vechi,

matrielor; n timpul reparaiei fragmentele reparate de ADN sunt complementare catenei

integre;

n timpul transcripiei moleculele de ARN sintetizate sunt complementare catenei anticodogene a secvenei moleculei de ADN;

n timpul translaiei anticodonii moleculelor de ARNt adaptatorii aminoacizilor sunt complementare codonilor din ARNm.

(4) necesit factori proteici, uniti de polimerizare i energie pentru a se desfura; (5) necesit secvene nucleotidice reglatoare pentru interaciunea cu reglatorii

procesului dat;

Pentru iniierea replicrii secvena ORI; Pentru transcripie:

o Promotor secven reglatoare a iniierii transcripiei; o Terminator secven reglatoare a terminrii transcripiei; o Enhancer secven intensificatoare a transcripiei; o Silencer secven atenuatoare a transcripiei.

Pentru translaie o Codon de iniiere - AUG; o Codon STOP - UAA, UAG sau UGA;

(6) necesit factori proteici i energie pentru despiralizarea ADN-ului sau ARN-ului ca s fie accesate matriele i citite secvenele nucleotidice;

(7) se desfoar n mai multe etape cu cooperarea numeroilor factori proteici i n consecin defectul sau absena unei proteine din setul necesar pot compromite calitativ sau cantitativ replicarea, reparaia, transcripia sau translaia: i Blocarea replicrii ADN-ului va conduce la blocarea proliferrii celulei

(diviziunii celulei) care n consecin pot duce la: o deficiene n dezvoltarea i creterea organismului;

Figur 2.11 Replicarea ADN


13

o deficiene n regenerarea i rennoirea esuturilor; o mbtrnire precoce.

ii Blocarea reparaiei ADN-ului va avea ca consecin: o acumularea mutaiilor patologice; o sensibilitatea sporit a organismului la aciunea radiaiei ultraviolete,

radiaiei ionizante, substanelor chimice din mediu; o apariia i dezvoltarea rapid a tumorilor (cancerului); o mbtrnirea precoce.

iii Blocarea transcripiei sau translaiei, fiind etape ale realizrii I.G. vor avea ca consecin blocarea sintezei proteinei i diferite defecte la nivel celular sau de organism dependent de:

o tipul proteinei; o funciile ei n celul; o tipul de celul, esut n care se sintetizeaz i / sau activeaz; o perioada ontogenetic n care este activ, o etc.

(8) prezint principii generale comune la diferite organisme i anumite particulariti, unele aspecte sunt aceleai la procariote i la eucariote, inclusiv i la om.


14

Tabel 2.3 Caracteristica principalelor procese moleculare din celul

Diagrama Principii de

realizare

Matria Responsabili majori

Replicarea ADN

Complementar

Matricial

Bidirecional Antiparalel

Semiconservativ

Reparativ

ambele catene ale

moleculei de ADN sunt

matrie pentru sinteza complementar a noilor catene de ADN

ADN-polimeraze sinteza catenelor noi de ADN; Helicaze denaturarea ADN; Topoizomeraze despiralizarea ADN etc.

Reparaia ADN

Complementar

Matricial

Specific erorii din

ADN

una din catenele moleculei

de ADN este matri n timpul reparaiei celeilalte catene de ADN

Proteine de recunoatere a erorii din ADN; Endonucleaze nltura fragmentul de ADN cu eroare;

ADN-polimeraze completeaz golul cu nucleotide complementare;

ADN-ligaza ntregete molecula de ADN;

Transcripia ADN

Complementar

Matricial

Unidirecionat Antiparalel

Non-reparativ

una din catenele ADN-ului

genic este matri pentru sinteza complementar a moleculelor de ARN

(ARNm, ARNt, ARNr)

ARN-polimeraza I sinteza ARNr; ARN-polimeraza II - sinteza ARNm;

ARN-polimeraza III - sinteza ARNt i ARNr; etc.

Translaia ARNm

Complementar

Matricial

Unidirecionat Non-reparativ

molecula de ARNm este

matri pentru sinteza polipeptidului n procesul translaiei codului genetic; fiecrui triplet de nucleotide corespunde un aminoacid

Ribozomii sediul translaiei i sintezei polipeptidului;

ARNt - translatorii codului genetic i transportori de aminoacizi spre ribozomi;

Aminoacizi monomeri pentru formarea polipeptidului;

Peptidil-transferaza unete aminoacizii ntr-un lan polipeptidic


15

2.4 Particularitile ADN uman - 98% este localizat n nucleu, iar 2% - n mitocondrii.

ADN-ul nuclear (nucleul celulei somatice, diploid):

- are o lungime de circa 2m, 6.2 x 109 p.b - este fragmentat n 46 de molecule lineare - asociate cu proteine histone i non-histone ce formeaz cromatina sau cromozomii; - este extrem de eterogen:

o conine secvene codificatoare i necodificatoare; o conine secvene repetitive i unice; o conine secvene active transcripional i inactive; o conine secvene stabile i instabile mutaional;

- conine ~ 30000 perechi de gene codificatoare de proteine; ~ 700-800 copii de gene ARNr 18S, 2,8S si 28S;

~ 200-300 copii de gene ARNr 5S;

~ 820 copii de gene ARNt;

gene p/u microARN.

- conine secvene necodante: o situsuri reglatoare ale replicrii, transcripiei; o spaiatori ai genelor; o pseudogene; o secvene satelit (centromerice i telomerice); o secvene minisatelit (markeri crs); o secvene microsatelit (markeri individuali); o Retotranspozoni (LTR, LINEs, SINEs, Alu); o ADN transpozoni;

- se replic numai n perioada S a ciclului celular; - 50% este de origine matern i 50% de origine patern.

ADN mitocondrial:

- are o lungime de 16,6 kb; - este inelar; - numrul moleculelor este variabil (2-10), dependent de metabolismul celulei; - conine 37 de gene :

o codificatoare de proteine 13 gene; o codificatoare de ARNr 2 gene; o codificatoare de ARNt 22 gene;

- genele sunt dispuse compact; - se replic n dependen de metabolismul celular; - este 100% de origine matern.

Figura 2.12 Schema ponderii diferitor tipuri de secvene nucleotidice din Genomul Uman (caracteristica lor o vei

gsi n tema "Gene'' ). Secvene codante de proteine (exoni) sunt doar 40 Mb, ce constituie 1,5% din tot ADNul.


16

3. Acizii ribonucleici - ARN

Structura ARNului este foarte asemntoare cu a ADN-ul ui, cu excepia a trei elemente: - ARNul reprezint biopolimeri monocatenari, spre deosebire de dublul helix ADN; - ARNul conine riboza, iar ADN-ul dezoxiriboza; - Bazele azotate ale ARNului sunt Adenina, Guanina, Citozina i Uracilul, ce nlocuiete

Timina din molecula de ADN.

3.1 Structura ARNului

Molecule ARN sunt biopolimeri monocatenari, care constau din ribonucleotide unite prin

legturi fosfodiesterice. A. Monomerii ARN ribonucleotidele:

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.

B. Structura primar a ARN:

- catena polinucleotidic 5'3'; - nucleotidele sunt unite prin legturi

fosfodiesterice 3'5'; (fig.3.2) - se sintetizeaz n timpul transcripiei

ADN-ul ui dup principiul complimentaritii;

- ordinea bazelor azotate n ARN depinde de secvena de ADN.

Figura 3.1 Monomeri ARN

Figura 3.2 Structura primar a ARNului


17

C. Structura secundar a ARN-ului reprezint conformaia spaial a moleculei sub form de bucle. Buclele se formeaz cu ajutorul legturilor de hidrogen ntre bazele azotate complementare n cadrul aceleai catene: A-U i G-C. Fiecare bucl reprezint un situs funcional. Spre exemplu ARNt prezint trei bucle funcionale:

Bucla D dihidrouridinic - o cu baza azotat minora D

(dihidrouridina);

o reprezint situs de recunoatere a aminoacidului;

o interacioneaz cu aminoacil-ARNt-sintetaza, ce selecteaz aminoacidul pentru a fi ataat la 3' al ARNt;

Bucla - pseudouridinica o cu baze azotate minore

(pseudouridina) i T (Timina); o reprezint situs de recunoatere a

ribozomului;

o interacioneaz cu ARNr i proteinele ribozomale din

subunitatea 60S;

Bucla anticodon o cu un triplet complementar codonului din ARNm; o transleaz codul genetic.

Fiecare tip de ARN are forma sa funcional (fig.3.4)

D. Structura teriar a ARN complexe RNP (RiboNucleoProteice) 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).

3.2 Diversitatea moleculelor de ARN

n orice celul numrul moleculelor de ARN este mult mai mare dect cel al moleculelor de ADN. Cantitatea de ARN variaz n dependen de perioada ciclului vital sau de tipul esutului din care face parte. n celul exist mai multe tipuri de ARN, dintre care cele mai reprezentative sunt ARN mesager, ARN ribozomal, ARN de transport, microARN, ARN

heterogen nuclear. n tabelul 3.1 analizai caracteristica scurt a principalelor tipuri de ARN ce funcioneaz n celul.

Figura 3.3 Structura secundar a ARNului

Figura 3.4 Tipuri de forme ARN


18

Tabel 3.1 Caracteristica principalelor tipuri de ARN

Tipuri de ARN Caracteristic i rol biologic

ARNm (mesager) - Produsul transcriptiei genelor structurale, monocatenar, extrem de heterogen

- Copia genelor (Gena segment de ADN ce codific o protein) - Servete ca matri n timpul translaiei, sintezei proteinei

ARNt (transport) - Produsul transcripiei genelor ARNt, constituii din 73-95 n., de la 20-la 61 de variante n celule)

- Transport aminoacizii spre ribosom pentru sinteza proteinelor - Transleaz codonii din ARNm, adaptor al aminoacizilor

ARNr (ribosomal) - Produsul transcripiei genelor ARNr, exist 4 variante nucleare (28S, 18S, 5,8S i 5S) i 2 variante mitocondriale (16S i 12S)

- Interacioneaz cu proteinele ribozomale, formnd ribosomul - Asigur translaia ARNm i sinteza proteinelor

ARNhn (heterogen

nuclear) - Produii transcripiei diferitor gene nucleare structurale, - Precursori neprocesai (pre-ARNm)

ARNsn (mic nuclear) - Sintetizat de ARN-polimeraza II sau III; - Molecule din 20-300n., 100 000 1000 000 copii n celul; - Component al ribozimelor U1,U2,U4,U5,U6,U7 - U1,U2,U4,U5,U6 asigur splicing-ulARNm, nlturnd intronii - U7 asigur formarea corect a ARNm, 3 lipsit de polyA

ARNsno (mic nucleolar) - Component al ribozimelor din regiunea nucleolului - Asigur processing-ul ARNr (metilarea, pseudouridarea)

ARN telomerazic - Matri pentru sinteza ADN telomeric ARNmi (micro) - Molecule monocatenare de 21-25n.;

- Complementar unui sau mai multor ARNm - Component al RISC (RNA-inducedsilencing complex) - Blocheaz translaia ARNm, inducnd degradarea lui

ARNsi (mic de

interferen) - Molecule bicatenare, din 20-25 n., originar din intronii unor gene de

clasa II

- Component al RISC (RNA-inducedsilencing complex) - Hibridizeaz specific cu ARNm, inducnd degradarea lui

ARNsc (mic

citoplasmatic) - Molecule monocatenare, cu lungimea de 75-125n.; - Asociat cu proteine citoplasmatice ale coplexului SRP (Signal

RecognitonParticle)

- Controleaz selectarea i transportul proteinelor sintetizate n REr ARNg (guide, ghid) - Component al editosomei mitocondriale

- Controlul editarii ARN ARNc (complementar) - Se sintetizeaz complementar ARNului viral

- Asigur sinteza proteinelor virale ARN

catalizator=ribozime - Enzime non-proteice - RNazaP asigur autosplicing-ulARNr, ARNt - ARNr 28S regleaz activitatea peptidyl-transferazei pentru unirea

aminoacizilor ntr-un lan polipeptidic

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. ARNr reprezint molecule cu lungime i succesiune de nucleotide conservat, 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 tipuri de ARNt, sau cel puin 20 tipuri. Fiecare tip de ARNt este capabil s transporte un singur


19

tip de aminoacid. Structura secundar a ARNt are o configuraie specific, numit frunz de trifoi, format din trei bucle funcionale.

microARN este reprezentat de secvene de cteva zeci de nucleotide i intr n componena enzimelor ce catalizeaz metabolismul acizilor nucleici.

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

Majoritatea tipurilor de ARN sunt produii transcripiei anumitor segmente de ADN gene, iar produii transcripiei sunt supui processing-ului (maturizare). n timpul processing-uluiARNul capt structura i forma funcionala.

3.3 Particularitile ARNm Molecule de ARNm sunt monocatenare i heterogene;

se obin prin transcrierea genelor structurale i processing-ului pre-ARNm, astfel conin copia informaiei despre un polipeptid i servesc ca matrie p/u sinteza polipeptidului n timpul translaiei. De-a lungul moleculei de ADN cromozomial se conin numeroase gene structurale, codificatoare de proteine necesare

activitii celulei (fig.3.6). Prin transcripia fiecrei gene se obine un anumit pre-ARNm, care procesat la rndul su va deveni ARNm ce va servi matri pentru sinteza unei anumite proteine. Tipul i numrul de molecule de ARNm (transcriptomul) din celule depinde de setul de proteine

(proteinomul) necesar celulei. Proteinomul i implicit transcriptomul difer de la o celul la alta i depinde de:

- tipul de celul; - perioada ciclului celular; - perioada ontogenetic a organismului; - sexul organismului; - factorii de mediu.

Figura 3.5 Procesing-ul ARNm, ARNt, ARNr

Figura 3.6 Expresia genelor structurale


20

n figura 3.7 sunt prezentate etapele generale ale expresiei unei gene nucleare codificatoare de protein. (1) Gena este transcris ntr-un ARN precursor - preARNm, ce reprezint copia complementar a unei catene de ADN i, astfel copia identic a celeilalte catene, numit caten codogen. Deoarece genele structurale nucleare conin secvene codificatoare exoni, i necodificatoare introni, preARNm are aceiai structur alternarea exonilor (e) i intronilor (i). Numrul, structura i mrimea exonilor difer de la gen la gen, depinde de proteina programat. (2) preARNm este supus processing-ului, care asigur stabilizarea capetelor ARNului i nlturarea specific a intronilor splicing-ul. La caprul 5' al ARN este adugat CAPul (un GTP 7Me, printr-o legatur nespecific 5'ppp5'. La captul 3' al ARN este adugat o secven de circa 200 de nucleotide cu Adenin, numit coad PolyA. (3) ARNm este transferat din nucleu n citoplasm pe ribosomi, unde cu ajutorul moleculelor de ARNt (4) este translat ntr-o secven polipeptidic de aminoacizi. (5) Polipeptidul sintetizat este preluat de chaperone, maturizat i transferat la locul de destinaie. Splicing-ul reprezint o etap important a processing-ului ARNm i a expresiei difereniate a unei gene cu specificitate de esut, perioad ontogenetic. nlturarea intronilor i unirea exonilor este realizat de ribozime (U1-U6) i reglat de factori proteici specifici celulei n care se expreseaz gena. Splicingul alternativ asigur combinarea specific a exonilor pentru obinerea diferitor variante de ARNm i izoforme de proteine (familii de

proteine cu structur si funcie specific celulei). Astfel 1 gen mai multe variante ARNm mai multe variante de proteine (fig.3.8).

Figura 3.7 Etapele expresiei genelor structurale

Figura 3.8 Splincing-ul ARN


21

Tabelul 3.2 Caracteristica comparativ a ARNm vs preARNm (analizai atent figurile)

preARNm ARNm

Produsul transcripiei sintezei matriciale, complementar catenei 3' i 5' al ADN-ul ui genic

Produsulprocessing-ului maturizrii postranscripionale a ARNm, prin modificarea specific a capetelor i splicing (identificarea i nlturarea intronilor)

Structur polinucleotidic monocatenar Structur polinucleotidic monocatenar

Capetele 5' i 3' instabile, acesibile exonucleazelor Capetele 5' i 3' stabile, rezistente la aciunea exonucleazelor;

CAPul stabilizeaz captul 5' i PolyA (secven de circa 200 de Adenine) stabilizeaz captul 3'

Conine secvene codante exoni (e) i necodante introni (i)

Conine doar secvene codante, exonice

Localizat n nucleu Localizat n nucleu, transferat n citoplasm pe ribozomi pentru a fi translat

Rolul biologic:

Reprezint copia ADN-ul ui genic; Poate fi supus splicing-ului alternativ (combinarea

diferit a exonilor); Dup processing se pot forma diferite variante de ARNm sursa polimorfismului proteinelor celulare.

Rolul biologic:

Matri pentru sinteza unui polipeptid; Poate prezenta specificitate de esut.

3.4 Particularitile ARNt Molecule de ARNt sunt monocatenare,

formate din 73-93 de nucleotide, conin de la 7 pn la 15 baze azotate minore: inosina (I),

pseudouridina (), dihidrouridina (UH2 sau D), ribotimina (T).

Captul 5' al ARNt este fosforilat Secvena CCA de la captul 3' este acceptor de aminoacid.

Cele trei bucle funcionale sunt determinate de prezena poriunilor dublucatenare n ARNt (fig.3.9):

- bucla ; - bucla D;

- bucla anticodon.

Figura 3.9 Structura ARNt


22

n celul se pot ntlni cel puin 20 de tipuri de ARNt pentru fiecare aminoacid, i cel mult 61 de tipuri pentru fiecare codon din ARNm.

Tabel 3.2 Corelaia dintre codoni i anticodoni, dintre numrul de aminoacizi i numrul moleculelor de ARNt (a) transportatoare de aminoacizi i (b) translatoare a codonilor din ARNm.

Aminoacizi Codoni ARNm Anticodoni ARNt Aminoacizi Codoni ARNm Anticodoni ARNt

Met AUG UAC Trp UGG ACC

Phe UUU UUC

AAG AAA

Asp GAU GAC

CUA CUG

Glu GAA

GAG

CUU

CUC

Gln CAA

CAG

GUU

GUC

His CAU CAC

GUA GUG

Tyr UAU UAC

AUA AUG

Cys UGU

UGC

ACA

ACG

Asn AAU

AAC

UUA

UUG

Lys AAA AAG

UUU UUC

Ile AUU AUC

AUA

UAA UAG

UAU

Val GUU

GUC GUA

GUG

CAA

CAG CAU

CAC

Ala GCU

GCC GCA

GCG

CGA

CGG CGU

CGC

Gly GGU GGC

GGA

GGG

CCA CCG

CCU

CCC

Pro CCU CCC

CCA

CCG

GGA GGG

GGU

GGC

Thr ACU ACC

ACA ACG

UGA UGG

UGU UGC

Leu UUA UUG

CUU CUC

CUA

CUG

AAU AAC

GAA GAG

GAU

GAC

Ser UCU UCC

UCA

UCG AGU

AGC

AGA AGG

AGU

AGC UCA

UCG

Arg GCU CGC

CGA

CGG AGA

AGG

CGA GCG

GCU

GCC UCU

UCC

Fig.3.10 Moleculele de ARNt transport cte un aminoacid specific spre ribozomi. Totodat ARNt cu ajutorul tripletului anticodon descifreaz complementar codonii din ARNm. Deoarece codul genetic este degenerat (pentru cei 20 de aminoacizi sunt 61 de codoni) unii aminoacizi sunt codificai de doi, trei, patru, ase codoni. Astfel n celul ar trebui s existe mai muli ARNt pentru acelai aminoacid. Spre exemplu pentru Leu (leucin) sunt 6 codoni i 6 ARNt; pentru Gly (glicin) sunt 4 codoni i 4 ARNt.


23

ARNt se obine prin transcrierea genelor ARNt i processing-ului preARNt.

ARNt este unit specific cu un anumit aminoacid cu ajutorul enzimei aminoacil-ARNt-

sintetaza. n celul exist 20 de tipuri aminoacil-ARNtsintetaze.

3.5 Particularitile ARN Molecule de ARNr sunt cele mai abundente n celul, 70-80% din ARN. ARNr asociat cu

proteine formeaz ribozomii, ce asigur sinteza proteinelor. ARNr se sintetizeaz prin transcripia ADN-ul ui cu gene specifice; preARNr este supus processingului. Unele molecule de ARNr asociaz cu proteinele RPS (Ribosomal Rrotein for Small subunit) i formeaz subunitarea mic, iar alte fracii de ARNr interacioneaz cu proteinele RPL (Ribosomal Rrotein for Large subunit) pentru formarea subunitii mari a ribozomului (vezi fig. 3.12).

Figura 3.12 Organizarea molecular a ribozomilor procariotici i eucariotici, inclusiv i cel mitocondrian.

Figura 3.11 Processing ARNt


24

Ribozomul asigur translaia:

subunitatea mic fixeaz ARNm, recunoscnd specific captul 5' i transleaz codon dup codon, alunecnd de-a lungul ARNm spre captul 3' (fig.3.13)

subunitatea mare interacioneaz specific cu moleculele de ARNt care transport

aminoacizi i controleaz activitatea peptidil-transferazei ce formeaz legturi peptidice ntre

aminoacizii polipeptidului codificat.

Fig.3.13 Etapele biogenezei ribozomului

80S. Genele codificatoare de ARNr sunt

organizate n dou clastere, familii. Genele ARNr 18S, 5,8S i 28S sunt localizate i expresate n regiunea nucleolului.

I etap n biogeneza ribozomilor este transcripia cu sinteza unor preARNr; II etap este processingul ARNr III etap asocierea ARNr 18S cu 33 de proteine ribozomale (S1-S33) pentru

formarea RNP 40S, iar moleculele de

ARNr 28S, 5,8S i 5S asociaz cu circa 50 proteine ribozomale (L1-L50) pentru

formarea RNP 60S.

Subunitile ribozomale sunt exportate n citoplasm. Dup interaciunea ARNm cu 40S i primul ARNt (Met-ARNt) se fixeaz i 60S, dup care ncepe translaia ARNm cu sinteza polipeptidului prin

polimerizarea aminoacizilor.


25

4. PROTEINELE

Proteinele sunt substane organice macromoleculare formate din lanuri de aminoacizi care prezint diferite aranjamente spaiale mai simple sau mai complexe. Fiecare protein are secvena ei unic de aminoacizi, determinat de secvena nucleotidic a genei.

4.1 Structura proteinelor

(A) Aminoacizii monomerii proteinelor - conin doua grupri funcionale: gruparea amino (-NH2) i gruparea acid (carboxil -COOH) de unde provine i denumirea lor. n

alctuirea proteinelor intr 20 de -aminoacizi. Doar aceti 20 de aminoacizi sunt specificai de codul genetic. Ali aminoacizi care ar putea fi ntlnii n proteine provin din modificarea chimic a unuia din cei 20 aminoacizi.

Toi cei 20 aminoacizi (vezi tabel 4.1) prezint o structur comun i anume carbonul la care sunt ataate gruprile NH2, COOH i un radical (notat R) care difer la fiecare aminoacid.

Gruparea carboxil legat de Carbonulalfa este denumit -carboxil, similar gruparea NH2;

legat la Calfa poart denumirea de grupare -amino. Aminoacizii sunt unii ntre ei prin legturi peptidice (CO NH).

Structura tridimensionala pe care o protein o adopta, servete, de regul, scopului destinat proteinei respective. Dac structura unei proteine este complex atunci i funcia acesteia este complex.

Tabel 4.1 Prezentarea i clasificarea aminoacizilor dependent de proprietile lor fizico-chimice

Aminoacizi hidrofobi

Aminoacizi nepolari

Alanina

(Ala / A)

Valina

(Val / V)

Leucina

(Leu / L)

Izoleucina

(Ile / I)

Metionina

(Met / M)

Triptofan

(Trp / W)

Fenilalanina

(Phe / F)

Prolina

(Pro / P)

R CH COOH

NH2


26

Aminoacizi hidrofili

Aminoacizi polari fr sarcin

Glicina

(Gly / G)

Serina

(Ser / S)

Cisteina

(Cis / C)

Asparagina

(Asn / N)

Glutamina

(Gln / Q)

Treonina

(Thr / T)

Tirozina

(Tyr / Y)

Aminoacizi acizi

Aspartat

(Asp / D)

Glutamat

(Glu / E)

Aminoacizi bazici

Lizina

(Lyz / K)

Arginina

(Arg / R)

Histidina

(His / H)


27

(B) Organizarea molecular a proteinelor Complexitatea proteinelor a impus introducerea mai multor trepte de organizare

structural. Exist 4 nivele de organizare structural: primar, secundar, teriar i cuaternar.

Structura primar Structura secundar Structura teriar Structura cuaternar

ntre aceste nivele de organizare exist interdependen i mpreun determin particularitile structurale i proprietile funcionale specifice fiecrei proteine.

Din punct de vedere al conformaiei spaiale, proteinele pot fi globulare sau fibrilare. Proteinele fibrilare prezint secvene repetitive sau pseudorepetitive, care sunt rspunztoare pentru conformaia lor regulat, pe cnd cele globulare nu au o asemenea caracteristic a structurii primare.

O structur primar unic determin o structur tridimensional unic care se formeaz prin plierea n spaiu a unei proteine. Structura proteinei determin funcia acesteia. De exemplu, colagenul are o form de spiral ncolcit, este o protein lunga, vscoas, puternic, i seamn cu o frnghie. Aceast structur este foarte bun n acordarea de sprijin. Hemoglobina, pe de alt parte, este o protein care este globular i compact. Forma sa sferic este util pentru manevrarea prin lumenul vaselor de snge.

Structura primar

Structura primar reprezint secvena de aminoacizi din lanul polipeptidic i este

realizat de legtura peptidic ce se formeaz ntre gruparea -COOH a unui aminoacid i

gruparea -NH2 a urmtorului aminoacid (fig.4.2). Direcia corect de citire a unui lan polipeptidic este de la gruparea NH2 ctre gruparea COOH.

Structura secundar

Structura secundar definete orientarea spaial a lanului polipetidic. Este generat de legturile de hidrogen n care sunt implicai atomul de O i H ce aparin diferitor legturi peptidice. Structura secundar include diferite tipuri de conformaii. Cele mai ntlnite forme ale

structurii secundare sunt: a) - spirale i b) - structuri.

a) Structura -spiral sau -helix Este asemntoare spiralei sau elicei i apare prin rsucirea lanului polipeptidic, de

obicei spre dreapta, n jurul unui cilindru imaginar(fig.4.3B). Legturile de hidrogen sunt dispuse

paralel cu axa -helixului. Radicalii R ai aminoacizilor constitueni ai -helixului sunt aezai alternativ deasupra i sub planurile legturii peptidice i proiectate radial n jurul elicei.

Un exemplu de astfel de structur prezint -cheratina, o protein fibroas format din lanuri de polipeptide sub form de elice legate ntre ele prin legturi de hidrogen intermoleculare formnd structuri mpletite filiforme.

Figura 4.1 Nivele de organizare structural a proteinelor

Figura 4.2 Structura primar a proteinelor


28

n cazul proteinelor globulare care prezint predominant structuri -spirale, aceste elice devin ncolcite n structuri supramoleculare (superelice) care sunt definite ca structuri teriare ale proteinelor globulare.

Cele mai multe proteine prezint o organizare structural parial helicoidal, regiuni cu structura de -helix pot alterna cu regiuni ce prezint alt tip de structur secundar. Procentul de -helix n structura proteinelor oscileaz ntre 0 - 10% n actina i -globulin, ntre 10 - 20% n ribonucleaz, ntre 20 - 30% la pepsin i histone, ntre 30 - 45% la ovalbumin i fibrinogen, ntre 60 - 80% la mioglobin i hemoglobin i respectiv ntre 80 - 100% n tropomiozin.

A. -spiral B. -pliat

b) Structura -pliat sau -structuri Este o structur n care lanul polipeptidic descrie un zigzag, genernd o forma asemntoare cu o foaie pliat (fig.4.3B) i este stabilizat de legturi de hidrogen poziionate aproape perpendicular pe axa catenei polipeptidice. Structura -pliat este stabilizat de puni de hidrogen care se formeaz n mod similar ca n cazul structurii helicoidale, dar care sunt intercatenare i perpendiculare pe axul moleculei. Daca la -helix radicalii laterali ai resturilor de aminoacizi sunt orientai spre exterior, n structura -pliat ei se orienteaz de o parte i de alta a planului legturii peptidice, perpendicular pe acesta(fig.4.4). Segmentele care formeaz structura beta pot fi vecine sau distanate.

Distana axial ntre doi aminoacizi vecini este de 3,5 comparativ cu 1,5 dintre doi aminoacizi vecini din -helix. Acest tip de structur secundar se regsete att n proteinele fibroase, ct i n cele globulare.

De regul, punctele de trecere de la fragmentele helicoidale la cele pliate i invers sunt reprezentate de resturile de prolin, hidroxiprolin i uneori de cele de glicin.

Figura 4.4 Reprezentarea schematic a

modelului straturilor structurii

-pliate secundare a proteinelor

Figura 4.3 Structura secundar a proteinelor


29

Structura teriar

Structura teriar reprezint forma tridimensional, un stadiu avansat de organizare spaial a proteinelor i rezult prin superspiralizarea a dou sau mai multe catene polipeptidice ce conin fragmente -helicoidale i -pliate ntr-o arhitectura spaial complex sub form de ghem. Structura teriar nglobeaz structurile primar i secundar.

Figura 4.5 Structura teriar a proteinelor

Structura teriar este generat de legturi slabe (de hidrogen, ionice, Van derWaals) i/sau legturi puternice (legturi disulfidice) ce se stabilesc ntre radicalii aceluiai lan polipeptidic. Acest nivel de organizare determin formarea unor structuri compacte.

Unitatea fundamental a structurii teriare este domeniul. Domeniul proteic reprezint un fragment din lanul polipeptidic mpachetat ntr-o entitate funcional cu organizare secundar i teriar proprie. Proteinele mari au mai multe domenii (fiecare avnd o anumit funcie) legate prin regiuni cu structur neordonat. Sunt proteine formate dintr-un singur domeniu sau din cteva zeci. Diferite domenii ale unei proteine sunt asociate cu diferite funcii.

Domeniile sunt uniti independente din punct de vedere structural i au caracteristicile unei proteine globulare mici. Proteinele de mici dimensiuni pot avea unul, dou sau trei domenii. n schimb, titina, care este o protein enorm din muchi, de 3000 kilodaltoni, prezint 260 de domenii.

Dependent de secvena de aminoacizi din structura primar un lan polipeptidic poate

adopta pe anumite poriuni structura -helix, pe alte poriuni -pliat sau zone cu arhitectur neregulata fa de cele anterioare. Aceasta face ca poriuni situate la distan ntr-un lan polipeptidic s ajung n imediata vecintate. In consecin diferii radicalii pot stabili legturi ntre ei, n funcie de structura lor. Structura teriar prezint un grad mare de labilitate n raport cu diferii factori fizici, chimici, desfacerea legturilor implicate n organizarea structurii teriare determin denaturarea proteinelor, proces nsoit de regul de pierderea proprietilor biologice.

Printre proteinele cu structur teriar se numr mioglobina i un grup de receptori transmembranari care au rolul de a intermedia transmiterea unui semnal provenit de la o

molecul de semnalizare cum este de exemplu un hormon.

Structura cuaternar

Structura cuaternar indic modalitatea de asamblare a lanurilor polipetidice pentru a forma structura funcional a proteinei date. Acest tip de structur nu se ntlnete la toate proteinele. Este caracteristic, n principal, proteinelor globulare a cror mas molecular este mai mare de 50.000 Da. Structura cuaternar integreaz structurile primar, secundar i teriar i caracterizeaz mai ales proteinele complexe formate din mai multe lanuri polipeptidice i grupe prostetice (de origine neproteic). Majoritatea proteinelor sunt alctuite din mai multe lanuri polipeptidice identice sau diferite, asociate ntr-o molecul multimeric. Lanurile individuale se numesc protomeri sau subuniti. Asocierea este dictat de predominana aminoacizilor hidrofobi, care vor forma suprafee de contact dintre subuniti. De obicei se asociaz un numr par de subuniti, identice sau diferite, astfel nct structura final s posede cel puin un centru de simetrie (fig.4.6).


30

Figura 4.6 Structura cuaternar a proteinelor

Un exemplu tipic pentru organizarea structurii cuaternare este globina din Hemoglobin (Hb) care are o molecul tetramer format din patru lanuri polipeptidice, fiecare cu structura sa primar, secundar i teriar bine definit. Alte proteine cu structura cuaternar sunt: ADN-polimeraza, canalele ionice, nucleozomi i nanotubuli, care sunt complexe multiproteice.

Structura cuaternar este generat de legturi de hidrogen, ionice, Van der Waals i uneori de legturi disulfidice ce se stabilesc ntre radicalii diferitor lanuri polipeptidice (fig.4.7).

a - legtura peptidic; b - legtura ionica; c - puni de hidrogen; d - interaciuni hidrofobe; e - puni disulfidice

4.2 Proprietile proteinelor

A. Proteinele sunt substane cu masa molecular mare i proprieti fizico-chimice foarte variate, dependent de numrul de aminoacizi acizi, neutri i / sau bazici:

datorit prezenei grupei COOH (acide) i NH2 (bazice) proteinele sunt amfoterice i, astfel, interacioneaz att cu acizii ct i cu bazele;

fiecare protein are punctul su izoelectric (valoarea pH la care proteina are o ncrctur neutr);

proteina acioneaz ca soluie tampon care rezist la modificrile pH prin adugarea de acid sau baz;

n dependen de ncrctura polar pe care o are fiecare radical al aminoacizilor deosebim proteine solubile n ap dar insolubile

n alcool, altele sunt solubile n soluii apoase de electrolii, acizi organici; solubilitatea proteinelor depinde foarte mult de legturile care se stabilesc ntre gruprile libere de la suprafaa macromoleculelor i moleculele solventului; explicate de varietatea aminoacizilor:

Figura 4.7 Tipuri de legturi chimice


31

o aminoacizi hidrofobi (nu se dizolv n ap), acetia sunt aminoacizi nepolari fr sarcin (alanina, valina, leucina, izoleucina, meteonina, prolina, glicina, fenilalanina);

o aminoacizi hidrofili (hidrosolubili); ce se mpart n: aminoacizi polari fr sarcin (serina, treonina, glutamina, asparagina, histidina, tirosina, cisteina, metionina, triptofan); aminoacizi polari cu sarcin pozitiv (lizina, arginina) i sarcin negativ (aspartat, glutamat).

B. Proteinelor le este caracteristic proprietatea de denaturare i renaturare.

Prin denaturare sunt desfcute legturile care stabilizeaz structura teriar i secundar a proteinelor.

o Denaturarea poate fireversibil dac dup ndeprtarea agenilor

denaturani se reface structura iniial renaturarea. o Denaturarea este ireversibil dac dup ndeprtarea agenilor denaturani

nu se reface structura iniial. Se cunosc dou tipuri de ageni denaturani: fizici i chimici. Agenii denaturani fizici

sunt: temperatura nalt, presiunea nalt, razele X, razele ultraviolete, agitaia mecanic, iar agenii denaturani chimici sunt: acizii puternici, bazele puternice, acizii organici i metalele grele. n urma denaturrii proteinele i pierd activitatea biologic, capacitatea de a interaciona specific cu unele molecule i pot fi uor degradate.

B. n celulele unui organism activeaz numeroase proteine ce difer dup mrime, combinaia de aminoacizi, numr de domenii i, implicit, diferite funcional proprietate definit heterogenitate; n plus, proteinele pot prezenta polimorfisme individuale (variaii neutre ale secvenei de aminoacizi ntlnite la diferite persoane);

C. Proteinele sunt molecule sensibile la factorii de mediu i se pot adapta rapid modificnd-i conformaia:

Replierea i superspiralizarea catenelor polipeptidice depind de pH-ul mediului, de salinitatea acestuia, de prezena sau absena anumitor compui chimici, de presiunea osmotica de temperatura etc., ceea ce explic marea variabilitate funcional a proteinelor n raport cu mediul de reacie, precum si faptul c unele proteine fibrilare pot trece n form globular i invers, odat cu modificarea caracteristicilor mediului;

D. Datorit proprietilor fizico-chimice variate, proteinele formeaz complexe supramoleculare specifice, stabile cu ali biopolimeri variind att funciile proteinelor, ct i a moleculelor cu care interacioneaz:

Proteinele mpreun cu ADN-ul nuclear formeaz cromatina (DNP dezoxinucleoproteide) - materialul genetic compactizat, activitatea cruia depinde de tipul proteinei cu care interacioneaz;

Proteinele mpreun cu ARNr formeaz ribozomul (RNP ribonucleoproteid) aparatul ce asigur corectitudinea sintezei proteinelor necesare activitii celulei;

Proteinele mpreun cu bistraturile de fosfolipide formeaz membrana celular semipermeabil i multifuncional;

etc.


32

4.3 Conformaia proteinelor i rolul chaperonelor Proteinele celulare sunt sintetizate pe ribozomi, sunt preluate de chaperone pentru

conformaia corect i supuse unor modificri ce pot include fosforilarea, glicozilarea, adenozindifosfat (ADP) ribozilarea, hidoxilarea i acetilarea. Aceste modificri schimb sarcina proteinei i interaciunile dintre radicalii amino, controlnd configuraia tridemensional i astfel funcia proteinei.

Chaperone sunt molecule ce asist proteina de la momentul sintezei pn la locul destinat n celul, implicit i la degradarea ei n caz de pierdere a proprietilor funcionale. Chaperonele pot fi implicate n:

conformarea corect a proteinelor; oligomerizarea proteinelor (asocierea mai multor polipeptide pentru formarea unei proteine funcionale); repararea proteinelor alterate; translocarea proteinelor n diferite compartimente celulare;

Familiile de proteine chaperone Proteine HSP mici (HSP 25)

protejeaz mpotriva stresului celular; previn agregarea proteinelor n cristalin;

Sistemul Hsp60 (cpn60, GroEL)

asist mpachetarea proteinelor; Sistemul Hsp70 (DnaK, BiP) ATP-ase

stabilizeaz lanurile polipeptidice extinse; faciliteaz translocarea prin membran; regleaz rspunsul la oc termic;

Hsp90 ATP-aza

leag i stabilizeaz/regleaz receptorii

steroizi, proteinkinazele.

Hsp100 (Clp) ATP-aza

asigur termotolerana, resolubilizarea agregatelor, faciliteaz proteoliza Calnexina, calreticulina

asigur maturarea glicoproteinelor n reticulul endoplasmic asigur controlul calitii

Chaperoninaasist mpachetarea corect a lanului polipeptidic (fig.4.8).

Conformarea greit (eronat) a proteinelor celulare Proteinele conformate greit (eronat) pot rezulta spontan din mutaia genei ce codific

proteina respectiv. Acestea se pot agrega i forma fibre - b () plisate insolubile sau amiloid. Aceste fibre se acumuleaz n esuturi ceea ce duce la modificri morfologice cum ar fi acumulrile de amiloid.

De exemplu mutaiile la pacienii cu deficit de 1-antitripsin duc la formarea unei proteine conformat greit, care este ncarcerat n celul. Pacienii cu nivel sczut al acestui inhibitor de proteaz dezvolt ciroz hepatic i emfizem pulmonar.

Proteinele ocului termic (Heat shock proteins - HSPS) sunt un grup de chaperone. Cteodat mutaiile n aceste proteine determin boli la om. Unii pacieni cu Boala Charcot-Marie-Tooth, una din cele mai frecvente boli neuromusculare, au mutaii n HSPS.

Proteinele conformate greit determin boli neurodegenerative cauzate de acumularea agregatelor proteice (amiloide) care determin degenerarea neuronal i atrofia creierului. mpachetarea greit poate fi: spontan, sau cauzat de mutaii la nivelul genelor sau din cauza proteolizei anormale (exemplu: Boala Alzheimer, Boala Creutzfeldt-Jakob)

Figura 4.8 Conformarea proteinelor


33

Boala Alzheimer este o boal neurodegenerativ determinat de acumularea amiloidelorneurotoxice formate prin agregarea spontan a amiloidului care este o peptid cu 40-43 aminoacizi cu strucutura-pliat. Acest amiloid rezult prin clivarea proteolitic a proteinei transmembranare APP (amyloidprotein precursor)

Boala Creutzfeldt Jakob (encefalopatia

spongiform) este o boal prionic rezult prin transmiterea

de ageni proteici ce sunt capabili s altereze structura - helix i s o transforme n structur - pliat i structuri mici de -helix, similare formei patogene.

Aceste proteine cu conformaie greit sunt rezistente la degradarea i determin moartea neuronilor afectai. Pacienii sufer de convulsii pronunate involuntare (mioclonice) i de demen rapid progresiv.

Degradarea proteinelor

Proteinele din mediul intracelular pot fi direcionate spre degradare prin calea ubiquitin-proteasom (fig.4.10). a. Ubiquitina, o protein globular de dimensiuni mici, se leag covalent de proteina care urmeaz a fi degradat (proteina int). b. Ubiquitinarea ulterioar a proteinei int duce la poliubuquitinare.

c. Proteinele int poliubiquitinate sunt ulterior recunoscute de un complex proteolitic

multiproteic, de dimensiuni mari, cunoscut ca i proteasom.

d. Proteasomul degradeaz proteinele n peptide mici, care ulterior sunt degradate n precursori de aminoacizi sau prezentai pe suprafaa celular n calitate de peptide mici pentru recunoaterea imun.

Alternativ unele proteine sunt degradate ntr-o manier dependent de secvenele PEST. Proteinele care au secvene PEST la captul N (P prolin, E-glutamt, S-serin, T treonin) sunt direcionate spre degradare rapid de ctre proteaze nespecifice imediat dup sintez.

4.4 Clasificarea proteinelor

n funcie de localizare proteinele se clasific n:

- intracelulare:membranare, citoplasmatice, ribozomale, lizozomale, nucleare, etc. - extracelulare: din matricea extracelular, din lichidul cefalorahidian, din plasm. n funcie de compoziie proteinele se clasific n:

- simple (holoproteide)

- conjugate (heteroproteide).

Proteinele simple sunt formate doar din lanuri polipeptidice de aminoacizi i se clasific n funcie de solubilitatea n ap:

- Globulare (intracelulare, plasmatice) - sunt de regul solubile n ap sau n soluii saline: protaminele, histonele, prolaminele, gluteinele, globulinele, albuminele.

- Fibrilare (extracelulare) sunt insolubile n ap i au rol de susinere, protecie i rezisten

mecanic: colagenul, cheratina i elastina.

Figura 4.10 Etapele degradrii proteinelor pe calea ubiquitin-proteasom

Figura 4.9 Mecanismul de producere a bolii prionice


34

Proteinele conjugate conin pe lng proteinele simple i alte molecule denumite grupe

prostetice. n funcie de natura gruprii prostetice se cunosc urmtoarele tipuri de proteine

conjugate:

- Nucleoproteide formate din proteine legate de acizi nucleici ADN, ARN (exemplu

cromatina este un DNP - dezoxiribonucleoproteid, ribozomii sunt RNP -

ribonucleoproteide).

- Glicoproteide proteine legate de monozaharide sau oligozaharide (proteine

membranare, colagen, - globuline).

- Fosfoproteide n care grupa prostetic este acidul fosforic (exemplu: enzime alosterice

reglate prin fosforilare, cazeina din lapte)

- Lipoproteide - formate din lipide neutre, fosfolipide sau colesterol (se gsesc n plasma

sangvin i au rol de transport al lipidelor n organism: VLDL, HDL, LDL, etc)

- Hemoproteide n care grupa prostetic este un complex al fierului bivalent cu un colorant

porfirinic (hemul); se gsete n hemoglobin i citocromi i are rolul de a transporta

oxigenul de la plmni la esuturi.

- Metaloproteide n care grupa prostetic este un metal (Fe, Ca, Zn) care este cofactor

pentru multe enzime (alcool dehidrogenaza, citocrom oxidaza, etc.)

4.5 Rolul biologic al proteinelor

Proteinele sunt molecule foarte importante deoarece reprezint substratul molecular al tuturor structurilor, funciilor i nsuirilor organismului viu. Ele ndeplinesc diferite roluri cum ar fi:

- catalitic - accelerarea reaciilor chimice: enzimele care variaz, de obicei, n numr i compoziie, n funcie de tipul de celule; o celul medie de exemplu conine aproximativ 3000de enzime.

- recepie recunoaterea i fixarea hormonilor, mediatorilor la suprafaa membranei celulare sau n interiorul celulei: glicoforina;

- transport de micromolecule: hemoglobina (Hb) transport O2, transferina - Fe, albumina - acizi grai, citocromii opereaz n lanul de transport de electroni ca proteinele transportoare de electroni etc.

- reglare i control prin transmitere de mesaje ntre celule (hormoni): insulina, hormonul de cretere (GH), interleukinele, etc.

- locomotor prin contracie muscular: miozina, actina etc. - structural prin rezistena i elasticitate a esuturilor i organelor: colagen, elastin etc. - de protecie sau imunologic (anticorpi): imunoglobuline cu rol mpotriva unor proteine

strine organismului; - homeostatic formarea trombilor n procesul coagulrii sngelui: fibrinogenul; - depozitare a micromoleculelor: mioglobina (Mb) pentru O2, feritina pentru Fe, etc.; - de substrat energetic - la scindarea a 1g proteine se degaj 17,1 kJ de energie.

4.6 Rolul medical al proteinelor

Proteinele sunt constitueni eseniali ai organismelor vii de o mare complexitate structural si funcional. Fiecare protein din corpul uman are o funcie specific.

Hemoglobina este o protein globular ce transport oxigenul de la plmni ctre esuturi. Diferite tipuri de mutaii produc alterarea structurii hemoglobinei. Cea mai frecvent

mutaie este nlocuirea Glutaminei cu Valina n poziia 6 a lanului de -globin ceea ce duce la anemia cu celule n form de secer (HbS).


35

Mioglobina este o heteroprotein monomeric (cu structur teriar) alctuita din hem si un lan polipeptidic numit globin. Ea este prezent n muchiul cardiac i scheletic i are rol n stocarea i transportul oxigenului la acest nivel. Bolile asociate cu mioglobina includ anuria i anumite tumori maligne.

Colagenul este component al esuturilor conjunctive fiind prezent n oase, dini, cartilaje, tendoane, ligamente, tegument i vasele sangvine. n cantitate mic, se gsete practic n orice esut. Este format din 3 lanuri care se mpletesc pentru a forma un triplu helix. Colagenul conine aproape 1000 de aminoacizi dintre care o treime sunt glicina. Secvena de aminoacizi este regulat, aproape fiecare al treilea aminoacid este reprezentat de glicin.

La sinteza defect a colagenului tip I, bolnavii sufer de Osteogeneza imperfect, acetia au multiple probleme clinice: fragilitate osoas (cu o predispoziie la fracturi multiple din copilrie), pierdere de auz, i sclera distinctiv albastr.

Un alt grup de anomalii determinate de sinteza sau structura defect a colagenului tip V se ntlnesc n cazul sindromului Ehlers-Danlos. Unul dintre subtipurile acestuia, Ehlers-Danlos tip VI, rezult prin defectul enzimei lisil-hidroxilaza. n rezultat defectul sintezei de colagen se manifest prin piele hiperextensibil, laxitate a articulaiilor, i defecte n vasele sangvine.

Cheratina este o protein structural a celulelor epiteliale din straturile exterioare ale pielii, pr, unghii, este foarte stabil, bogat n resturi de cistein, care permit formarea legturilor disulfidice ntre lanurile polipeptidice adiacente. Compoziia de aminoacizi din cheratin difer de cea a colagenului. Lanurile peptidice ale cheratinei sunt aranjate n cantiti aproximativ egale de foi plisate antiparalele i paralele. Bolile asociate cu cheratina 14 tip I: epidermoliza buloas simplex i dermatopatia pigmentoas reticular. Epidemoliza buloas se manifest prin apariia de vezicule la traumatisme fizice ca urmare a citolizei celulelor epidermice bazale. Simptomele dermatopatiei pigmentoas reticular includ lipsa de glande sudoripare, pr subire, unghii casante, piele pestri, i lipsa amprentelor digitale.

Elastina constituie esutul fibros, cu o elasticitate comparabil cu a cauciucului. Ca si colagenul, fibrele de elastin sunt compuse din aminoacizi simpli, mai ales leucin, glicin i prolin. Boli asociate cu elastina includ sindromul Williams-Beuren. Copiii afectai de sindromul Williams-Beuren au nite caracteristice specifice, precum o voce rguit, sunt subdezvoltai, sensibili la zgomot i au probleme de vedere. De obicei au un retard intelectual i o dezvoltare ntrziat.

Insulina este un hormon polipeptidic care este produs de celulele ale pancreasului. Forma matur are 51 de aminoacizi. Insulina regleaz metabolismul glucozei prin controlul concentraiei de glucoz din snge. Diabetul zaharat tip2 i hiperproinsulinemia sunt unele din bolile asociate cu mutaia n gena insulinei.

Spectrina este o protein periferic (endoprotein); form de bastona; echivalent n alte celule - fodrina. Funcioneaz n stabilitatea membranelor eritrocitare, mutaiile n aceast gen au fost asociate cu diferite tipuri de sferocitoz (pierderea formei eritrocitelor) ceea ce duce la liza eritrocitelor, ca rezultat apare anemia hemolitic i hepatomegalia.

Fibrinogenul este o protein din plasma sngelui. Fibrinogenul este convertit n fibrin, protein insolubil n timpul procesului de coagulare. Procesul de coagulare este iniiat de enzima trombina, prin scindarea a cteva legturi peptidice ale fibrinogenului; Coagularea are loc numai n prezena ionilor de calciu. Din cauza fibrinogenului defect se pot asocia urmtoarele boli: amiloidoza visceral familial, disfibrinogenemia i afibrinogenemia.


36

Miozina catalizeaz scindarea hidrolitic a ATP (adenozintrifosfat) i are lungimea de aproximativ 160 nanometri. Cu proprieti similare cu cele ale miozinei este tropomiozina. Mai mult de 90 la sut din lanurile peptidice sunt prezente sub form -helix. Miozina se combinuorcuo alt protein muscular numitactina. Actomiozina este o molecul complex format prin o molecul de miozin i una sau dou molecule de actin. n esutul muscular, filamentele de actin i miozin sunt orientate paralel unul de altul de-a lungul muchiului. Patologii asociate cu mutaiile n gena pentru miozin pot fi cardiomiopatia, miopatia, defect de sept atrial etc.

Fibrilina este componentul principal al microfibrelor din matricea extracelular. Aceste microfibrile ofer vigoare avnd suport structural n esutul conjunctiv elastic i neelastic din tot organismul. Mutaiile n gena fibrilina 1 (FBN1) sunt asociate cu sindromul Marfan. Pacienii au defect de esut, ce formeaz ligamentele i aorta. Ei prezint degete i extremiti lungi, arahnodactilie i o predispoziie la disecaia aortei, anevrisme i valvulopatii. Bibliografie

www.nobelprize.org/educational/medicine/dna/

https://www.dnalc.org

www.bioinformatics.org

www.science-explained.com

www.nature.com

https://www.genome.gov

www.ncbi.nlm.nih.gov

www.ghr.nlm.nih.gov

Macromolecule ADN ARN Proteine 2015

Documents

Transcript of Macromolecule ADN ARN Proteine 2015