Meta-title: Metabolismul Acizilor Nucleici Și Proteine — Curs PDF

C1.1 METABOLISMUL ACIZILOR NUCLEICI ȘI PROTEINELOR Conf.univ.dr. CHESARU BIANCA IOANA  I. ACIZI NUCLEICI Ce sunt acizii nucleici? - acizii nucleici sunt polimeri liniari (polinucleotide) formați din monomeri (nucleotide) și au rol de stocare și transmitere a informa...

C1.1 METABOLISMUL ACIZILOR NUCLEICI ȘI PROTEINELOR Conf.univ.dr. CHESARU BIANCA IOANA  I. ACIZI NUCLEICI Ce sunt acizii nucleici? - acizii nucleici sunt polimeri liniari (polinucleotide) formați din monomeri (nucleotide) și au rol de stocare și transmitere a informației într-un sistem biologic reglabil. - o nucleotidă (unitatea monomerică a ac. nucleici) este compusă din: o bază azotată heterociclică, o pentoză, și o grupare fosfat. Nucleotidele: servesc pe de o parte la sinteza acizilor nucleici iar pe de altă parte îndeplinesc alte roluri funcționale: precursori ai acizilor nucleici (“cărămizi” pentru sinteza acizilor nucleici) rezervoare de legături macroergice (compuşi macroergici care furnizează energia necesară diferitelor procese biologice, prin transferul grupării fosfat - ex. ATP = adenozintrifosfatul – principalul compus macroergic din organism, GTP) structura unor co-enzime importante (nicotinamiddinucleotidele (NAD+ , NADH+H+ , NADP+ ) sau flavinadenindinucleotidele (FAD, FADH2 ) implicate în procesele oxidoreducătoare ale respirației celulare efectori (reglatori) alosterici ai diferitelor enzime mediatori în semnalizarea celulară (mesageri intracelulari ai hormonilor hidrofili - ex. AMPc = cel mai important mesager secund, GMCc ) servesc drept intermediari metabolici importanți în transferul unor grupări (ex. S-adenozil-metionina (SAM) servește ca donor de grupări metil) 5 baze azotate majore 3 baze azotate comune: A, G, C pt ADN/ARN 2 baze azotate unice: T pt ADN și U pt ARN - Bază azotată: purinică (A/G) Nucleozide pirimidinică (C/T/U) Nucleotide - Pentoză: riboză (ARN) sunt esteri fosfat dezoxiriboză (ADN) ai nucleozidelor - Acidul fosforic: NH2    N N Adenină O O O Adenozină 5` sau N N O P O - P O P O O Dezoxiadenozină O- O- O- 4` 1` (nucleozide) X=H Dezoxiriboză 3` 2` X=OH Riboză OH X AMP (adenozinmonofosfat) ADP (adenozindifosfat) ATP (adenozintrifosfat) Fig.5.5. Structura unor nucleotide de tip adenozin sau dezoxiadenozin mono-, di-, sau trifosfat MONONUCLEOTID  Baze azotate Generalități: Bazele azotate sub forma necombinată se găsesc în celule doar în urme, provenind de obicei din hidroliza enzimatică a acizilor nucleici şi a nucleotidelor. Bazele azotate libere sunt aproape insolubile în apă. Sunt compuşi slab bazici, care pot exista în două sau mai multe forme tautomere, în funcţie de pH. Detectarea şi analiza cantitativă a bazelor libere, are la bază proprietatea acestor baze de a absorbi puternic în UV. Bazele azotate se separă uşor prin metode cromatografice și electroforetice.  Bazele azotate care intră în alcătuirea acizilor nucleici au la bază doi Baze compuși heterociclici diferiți: purina și pirimidina În celulă sunt 5 baze azotate majore: azotate două sunt derivate de la purină: adenina (A) și guanina (G) și trei sunt derivate de la pirimidina: citozina (C), timina (T) și uracilul (U) Purina Pirimidina (imidazolpirimidină) (1,3-diazina) P U R I 6-aminopurina/C5H5N5 2-amino-6-oxipurina/C5H5N5O N E P I R I M I 5-metiluracil / 2-oxi-4-aminopirimidina 2,4-dioxipirimidină 5-metil-2,4-dioxipirimidina C5H5N3O D C5H6N2O2 I N E Bazele azotate prezintă fenomenul de tautomerie care reprezintă proprietatea unor substanțe organice izomere de a trece cu ușurință dintr-o formă structurală în alta (interconversie structurală), în anumite condiții, prin rearanjarea unor atomi sau grupe de atomi din molecula lor. NH NH2 NH2 C C N N NH NH O forma amino forma imino Citozina Formele mai stabile: C C Forma lactam este mai stabilă decît forma lactim HN O N OH Forma amino este mai stabilă decît forma imino forma lactim forma lactam La pH-ul fiziologic predomină forma lactam În acizii nucleici - formele lactam şi amino Pentoze un singur atom de oxigen face toată diferența între ADN și ARN  beta alfa D vs. L α vs. ß gruparea hidroxil gruparea anomerică hidroxil dreapta/stânga sus/jos serie sterică anomerie Grupare fosfat Nucleozide și nucleotide Bazele purinice și pirimidinice sunt legate de riboză sau 2-dezoxiriboza printr-o legătură N-glicozidică la atomul de azot 1(N1) din structura pirimidinei și la atomul de azot 9 (N9) din structura purinei → nucleozid Nucleozidele se găsesc în celulă sub formă fosforilată compuși sunt numiti nucleotide mono-, di-sau trifosforilate (în funcție de numărul grupărilor fosfat conținute în moleculă) Terminologie comparativă Nucleotide naturale libere adenina AMPc 3’,5’adenozin monofosfatul ciclic (AMPc)se formează din ATP sub acţiunea adenilat ciclazei, o enzimă din membrana celulară stimulată de anumiţi hormoni aduşi pe cale riboza sanguină este mesager secund implicat în transmiterea mesajului hormonal din mediul extracelular în interiorul celulei ATP alt nucleotid cu rol energetic, prin capacitatea de a ceda gruparea fosfat este adenozin- trifosfatul S-adenozin-metionina îndeplinește rolul de donor de grupări metil în reacțiile de metilare din organism ADN O Guanine HN N Structura primară/covalentă = lanțul polinucleotidic al ADN H2N N N 5' end HO CH2 O NH2 1’ Cytosine arată înșiruirea bazelor azotate pe scheletul N format din pentoze unite prin punți O N O fosfodiesterice 3’linkage ADN este un polidezoxiribonucleotid în care O P O CH2 gruparea 3’OH a unui dezoxiriobonucleotid O este legată la gruparea 5’OH a O dezoxiriobonu-cleotidului vecin printr-o legătură fosfat diesterică 5’linkage O lanţul polinucleotidic este polar − prezintă două capete distincte O P O O capătul 3’este cel cu gruparea 3’-OH liberă O Thymine capătul 5’este cel cu gruparea 5’-OH liberă H3C sau fosforilată NH lanţul polinucleotidic al ADN este încărcat negativ la pH-ul fiziologic NH O partea variabilă este reprezentată de bazele O P O CH2 azotate: adenina (A), timina (T), citozina (C) O O și guanina (G) Prin convenţie o catenă de ADN se scrie în direcţia 5’- 3’ OH ex. GCT înseamnă 5’GCT 3’ 3' end Reprezentare simplificată a catenei de ADN O ADN Guanine HN N Pentoza: linie orizontală H2N N N Baza: litera corespondentă 5' end HO CH2 Leg. fosfodiesterică: O NH2 Cytosine linie oblică şi P la mijloc N O N O O P O CH2 O O ! Prin convenţie o catenă de ADN se scrie în direcţia 5’- 3’ ex. GCT înseamnă 5’GCT 3’ O O P O O O Thymine H3C NH NH O O P O CH2 O O OH 3' end Sensul de "citire" al informaţiei genetice este determinat de polaritatea 5' -> 3' a catenei de ADN Informaţia NU poate fi citită corect decât într-un singur sens ADN Exemplu de secvenţă nucleotidică 1 gggcccggat catggcagtg cactccagcc tgagcaagag agtaagcctc tgactctatt 61 tttaaaaatg tgtgtgtgtg tgtataagtg atttgataac caaatcaaaa ttttacataa 121 tctttgacct agtagttcca cttccagaaa tttaacctta ggaaataaac atgaatatga 181 ataaagaggt atctataggc agcatgtgta taaaaacaag gggaaaagct gggaggccaa 241 catttttcca aaaataaggg gtggggagaa aatagaaaat aaagtaggca cattaatagg 301 ataaagaact atgaatccat gaaagtaatg atgtaaaaga atatttaaag acatggagag 361 atgtttacat gatgttacta aattgaaaaa taaaaaatat ggtctaattt tagttttata 421 aaagatacac atacatacac acagtgaaaa aggattataa acttaagcac atcataaatg 481 tgattacctg tggatactag gactagaatg aaatatttca tttatttatt tggagacgga 541 gtcttgctct gtcaaccctg gctagagtgc agtggcacaa tctcggttca ctgcaacctc 601 cacctcccgg gttcaagcaa ttcttgcacc tcagcctccc gcgtagctgg gattacaggt........... STOCAREA INFORMAŢIEI ADN Structura secundară = Dublul helix al ADN Watson şi Crick au decoperit că structura secundară a ADN este un dublu helix –formată din două catene de ADN asociate prin împerecherea bazelor Structura secundară arată forma de dublă elice stabilizată de punțile de hidrogen dintre bazele azotate complementare Inelele glucidice legate prin resturi fosfat constituie scheletul extern al dublu helixului, în timp ce bazele azotate hidrofobe sunt orientate spre interior şi perpendicular pe axa helixului. ADN-ul uman conţine aproximativ 3,5 x 109 “perechi de baze”. ADN Structura secundară = Dublul helix al ADN Stabilitatea ADNdc este asigurată de: - interacţiunile hidrofobe dintre bazele azotate suprapuse (stivuite) de pe aceeaşi catenă - legăturile de hidrogen ce se stabilesc între bazele azotate de pe o catenă şi cele complementare de pe cealaltă catenă. Cele două catene de ADN sunt complementare și antiparalele. ADN Structura secundară = Dublul helix al ADN G-C are 3 legături de H A-T are 2 legături de H Cele două catene sunt complementare G e complementară C A e complementară T nr. A = nr. T nr. G = nr. C complementaritatea împerecherii bazelor azotate dată de către legăturile de hidrogen este una dintre forțele majore care stabilizează structura helixului de ADN-B.  Structura secundară ADN = Dublul helix al ADN Există mai multe confomaţii ale ADN: - Conformaţia B: descrisă de Watson şi Crick are orientare dreaptă, pasul dublu helixului este 34 Å (3,4 nm), diametrul de 2nm, iar nr. perechi baze per tur este 10; cea mai răspândită - Conformaţia A: dublu helix de dreapta dar mai compact, pasul elicei este de 2,8 nm, nr. perechi baze per tur este 11. - Conformaţia Z: dublu helix de stânga, pasul elicei 4,56 nm şi nr. perechi baze per tur este 12.  Formele majore ale ADN ca un dublu helix. ADN forma B forma A forma Z forma A forma B forma Z  Structura terțiară Cum se împachetează 2 metri de ADN = în cromozomii metafazici? de la ADN la cromozomi ADN In eucariote ADN-ul este stocat în nucleu. Deoarece nu este suficient spaţiu iar molecula ADN-ului este extrem de mare (lungimea ADN de la o singură celulă umană e 2 m!!!), ADN-ul trebuie compactat. 6 nivele de impachetare: 1. NUCLEOSOMUL 2. FIBRA DE CROMATINĂ 10 nm 3. FIBRA DE CROMATINĂ 30 nm 4. FIBRA DE CROMATINĂ 300 nm 5. FIBRA DE CROMATINĂ 700 nm 6. CROMOZOMUL (1400 nm) În urma împachetării, o moleculă de ADN - se îngroaşă de 700 de ori - se scurtează de 10 000 de ori  NIVELE DE ÎMPACHETARE ALE ADN ADN ADN Nucleosom fibra de 10 nm fibra de 30 nm Fibra de 300 nm fibra de 700 nm cromozom metafazic ARN Structura Molecula de ARN este monocatenară (este alcătuită dintr-un singur lanț polinucleotidic). Este un complex macromolecular similar, structural și funcțional, în multe privințe ADN-ului. ARN-ul rezultă din copolimerizarea ribonucleotidelor, care determină formarea unor lanțuri lungi, monocatenare. Tipuri de ARN În celule se găsesc diferite tipuri de ARN: ARN ribozomal (ARNr), ARN mesager (ARNm), ARN de transport (ARNt). Proporția lor este diferită: o mare cantitate este reprezentată de ARNr (80-90% din ARN-ul celular), ARNt în proporție de 10-15% și doar o cantitate mică de ARNm (mai puțin de 5%). Tipuri de ARN celular  Care sunt funcțiile acizilor nucleici? ADN-ul reprezintă substratul molecular al eredităţii: stochează și codifică informaţia la nivelul secvenţei nucleotidice = deține informația genetică codificată pentru realizarea caracterelor specifice unui organism (și ARN-ul) exprimă informaţia prin sinteza de proteine (TRANSCRIPŢIE și TRANSLAȚIE) – servește ca matriță pt ARN → ARN-ul joacă un rol important în sinteza proteinelor și reglează expresia informațiilor stocate în ADN pentru a produce aceste proteine. tipuri diferite de ARN cu diferite funcții, astfel: ARN-mesager (ARNm): rol în transcripția informației genetice și copiază informația genetică de pe ADN, ARN de transport/transfer (ARNt): decodifică informația genetică, transformând o secvență de aminoacizi în molecula proteinelor -ARN ribozomal (ARNr): funcție structurală - intră în alcătuirea ribozomilor (structurile celulare responsabile pentru sinteza proteinelor), având rol în sinteza proteinelor. El joacă un rol esențial în procesul de translație, deoarece transferă aminoacizii la locul de sinteză a proteinelor. În natură există 20 de aminoacizi, fiecare având propriul său ARNt. transmite informaţia în descendenţă prin REPLICARE urmată de DIVIZIUNE CELULARĂ (presupune dublarea informației în nucleu și apoi împărțirea ei) II. PROTEINE  + H2O LEGĂTURA PEPTIDICĂ PROTEINELE/POLIPEPTIDELE SUNT POLIMERI LINIARI AI AMINOACIZILOR LEGĂTURA PEPTIDICĂ (C-N) APARE ÎN URMA UNEI REACȚII DE CONDENSARE LEGĂTURA PEPTIDICĂ = LEGĂTURĂ DE TIP AMIDĂ GRUPAREA CARBOXIL DE LA PRIMUL AMINOACID PIERDE O GRUPARE HIDROXIL, IAR GRUPAREA AMINO DE LA AMINOACIDUL URMĂTOR PIERDE UN HIDROGEN. PROTEINELE reprezintă cea mai mare parte din organismul uman 50% din masa uscată a celulei sunt expresia informației genetice Clasificarea proteinelor A. Proteine simple (holoproteine) − alcătuite numai din L-alfa aminoacizi 1. Proteine fibroase – sunt numite și scleroproteine și au funcție de suport sau protectoare și sunt insolubile în apă. Din aceasta categorie de proteine fac parte: Colagenul: principala proteină de susținere din structura pielii, tendoanelor și măduvei. Conține o cantitate mare de hidroxiprolină. Elastina: se găsește în țesutul elastic de la nivelul tendoanelor și arterelor. Keratina: predomină la nivelul tegumentelor, unghiilor, părului. Conține o cantitate mare de cistină 2. Proteine globulare – sunt proteine solubile cu masa moleculară bine definită. Fiecare moleculă conține unul sau mai multe lanțuri peptidice legate între ele prin punți disulfidice sau prin alte tipuri de legături. Ele au formă globulară cu părțile hidrofile orientate spre exterior și cele hidrofobe dispuse spre interior. Această categorie de proteine cuprinde: Albumine: include ovalbumina (din ou), lactalbumina (din lapte), albumina serică, hemoglobina, insulina, enzime și anticorpi. Globuline: includ globulinele serice, lactoglobulinele din lapte și tireoglobulina din glanda tiroidă. Protamine și histone care intră în structura acizilor nucleici Clasificarea proteinelor B. Proteine conjugate sau heteroproteine − conţin, pe lângă compuşi proteici, diverse grupe neproteice (grupe prostetice) nucleoproteine cromoproteine (hemoglobina) glicoproteine - în care partea prostetică este reprezentată de carbohidrati sau derivați ai acestora fosfoproteine – gruparea prostetică este reprezen tată de un rest fosfat metaloproteine – ce conțin metale drept grupare prostetică (cupru, mangan, magneziu, zinc, molibden) lipoproteine – în care gruparea prostetică este reprezentată de lipide (colesterol, fosfolipide, trigliceride)  Structura proteinelor − Proteinele în stare naturala au o structura tridimensionala unica ce se exprima prin conformatie care ii dicteaza si functia − Structura proteinelor poate fi descrisa sub forma a patru nivele diferite: primara, secundara, tertiara cuaternara Structura primară ca nivel de organizare reprezintă structura de bază sau coloana vertebrală a oricărei proteine organizarea intracatenară este determinată de: numărul, natura, fercvenţa şi ordinea (modul de orânduire), care diferă de la o proteină la alta şi formează secvenţa proteică. reprezintă simpla înșiruire a aminoacizilor în lanțul proteic prin legătura peptidică = secvența liniară a aminoacizilor unei peptide/proteine de la capătul N-terminal până la capătul C-terminal (spațiu unidimensional). secvența aminoacizilor fiind dictată de codul genetic și este expresia mesajului genetic înscris în ADN este importantă cunoașterea structurii primare a proteinelor (secvenţei proteice) deoarece aceasta stă la baza activității lor biologice Structura secundară se datoreaza orientarii in spatiu a lantului proteic sub forma unui α-helix sau foi beta-pliate fortele fizice care determina aceasta structura sunt legaturi de hidrogen realizate intre atomii de oxigen si hidrogen implicati in legatura peptidica  Structura proteinelor Structura terțiară este asigurată de aranjamentul in spatiu al diferitelor regiuni cu structura secundara a lantului proteic determinat de legaturi hidrofobe, ionice, prin forte van der Waals sau prin legatura depinde de modul in care lanturile peptidice interactioneaza intre ele, deci de natura legaturii intercatenară molecula se pliaza asa fel incat sa formeze structura cea mai stabila: radicalii hidrofobi se plaseaza la exterior iar radicalii hidrofili se plaseaza la interior Structura cuaternară Defineste maniera de asociere prin legaturi necovalente a doua sau mai multe catene proteice descrie numărul și aranjarea spațială a subunităților individuale ale unui complex macromolecular, deja pliate în conformația lor nativă (spațiu tridimensional)  Funcția proteinelor Structurala: arhitectura celulara Catalitica: enzime, coagulare Reglatoare: hormoni, receptori Transport: transport gaze sangvine Sistemul imun: anticorpi, imunoglobuline Motilitate celulara Fizico-chimica: menţinerea presiunii osmotice şi a echilibrului acido-bazic Energetica: proteine de rezervă (caseina, ovalbumina pentru creşterea embrionului) sau eliberare de energie in reactii de oxidare Relația structură- funcție Structura proteinelor determina functia acestora in organism Proteine cu diferite functii: hemoglobina (transporta oxigenul), anticorpii (reactioneaza cu antigene pentru a combate infectiile), colagenul (confera rezistenta multor structuri ale organismului)