Curs 7_8 Nucleotide Biozinteza proteinelor PDF

Nucleotide, acizi nucleici, proteine Dr. Brînduşa-Alina Petre  Viaţa - flux continuu de informaţie Materialul genetic conţine informaţie pentru: formarea tuturor structurilor unei celule; pentru diferenţierea unor diverse tipuri de celule şi ţesutur...

Nucleotide, acizi nucleici, proteine Dr. Brînduşa-Alina Petre  Viaţa - flux continuu de informaţie Materialul genetic conţine informaţie pentru: formarea tuturor structurilor unei celule; pentru diferenţierea unor diverse tipuri de celule şi ţesuturi; pentru desfăşurarea tuturor reacţiilor biochimice şi, în final, fiziologice; multiplicarea celulelor şi pentru înmulţirea organismelor; pentru moartea celulară.  ADNul si ARNul- purtatori ai informatiei genetice Generalitati: - informatia genetica - forma stabila - informatia genetica - decodata - informatia accesibila atat proteinelor cat si acizilor nucleici - copiere fidela - defect genetic/mutatia unei sau a mai multor gene – patologii Istoric: - Friedrich Meischer a izolat ADNul in 1869 din icre de peste: - Compusul izolat - nucleina - acid nucleic - acid deoxiribonucleic (ADN). - 1914 R. Feulgen – fuxina* se leagă specific de ADN - contribuție importantă la dezvoltarea microscopiei și a biologiei celulare.  Procariote - Eucariote Celula procariotă Celula eucariotă - Nu există un nucleu bine diferențiat. - Are un nucleu bine diferențiat. - Există nucleoid lipsit de membrană nucleară ce contine o - Moleculele liniare de ADN care in prezenta anumitor proteine și moleculă inelară de ADN. molecule de ARN formează cromozomi în interiorul nucleului. - Organitele celulare puține(nici una nu conține membrană - Organite celulare multe:aparatul Golji, lizozomii, vacuole, reticul dublă). endoplasmatic. - Ribozomii sînt ceva mai mici decît la eucariote (70S). - Multe organite sînt acoperite cu membrană dublă(mitocondriile, cloroplastele). - Ribozomii sînt mai mari ca la procariote(80S). - Peretele cular rigid, fiind frecvent acoperit cu o capsulă de - Peretele celular conține polizaharidele:celuloza, chitina. mucilagiu. - Conține mureină(plasă din lanțuri polizaharidice unite între ele cu lanțuri peptidice-peptidoglucan). - Respirația are loc prin mezozomi, la algele albastre-verzi-în - Respirația are loc în mitocondrii. membranele plasmatice. - Fotosinteza are loc în membrană. - Fotosinteza are loc în cloroplaste. - Conține pigmenții bacterio-clorofilă, clorofilă, ficobilină. - Conține în special clorofilă. - Unele procariote au proprietatea de a fixa azotul. - Nu au proprietatea de a fixa azotul. - Forma unicelulară filamentoasă. - Unicelulare, filamentoase, pluricelulare. Nucleul celular  Structura nucleului Anvelopa nucleara: are rol de separare a materialului genetic de citoplasma ➔ Membrana externa – se continua cu membrana RE ➔ Membrana interna – se continua cu lumenul RE - intre ele – spatiul perinuclear (10-50 nm), Pori nucleari ➔ Structuri proteice complexe ➔ Proteinele din alcatuirea lor = nucleoporine ➔ Diametrul total » 100 nm; ➔ Roluri: - Difuzie pasiva a moleculelor mici, hidrosolubile - Transport activ al moleculelor mari (proteine, subunitati ribozomale, ARN) ➔ Proteinele transportoare = exportine / importine.  Structura nucleului Cromatina – materialul genetic celular ➔ contine ADN, proteine (histone), ARN ➔ Modul de organizare depinde de faza ciclului celular ➔ Tipuri de cromatina: - Eucromatina – zona mai putin compacta; contine gene exprimate frecvent de catre celula – Heterocromatina – zona mai compacta; gene exprimate rar. (1) ADN dublu spiralat. (2) Lant de cromatina (ADN + histone). (3) Cromatina in interfaza, cu centromer. (4) Cromatina condensata, in profaza (sunt prezente 2 copii ale moleculelor de ADN) (5) Cromozom in metafaza  Niveluri de baza de organizare a cromatinei ➔ ADN infasurat in jurul histonelor (modelul “sirului de margele”); nucleozomii sunt conectatii intre ei prin segmente de ADN de legatura (linker DNA) ➔ Fibre compacte de cromatina condensata ➔ Cromozomi (in metafaza) (23 de perechi; 46 crz); brat scurt (p) si brat lung (q) Definitii: Nucleozom = unitatea structurala a cromatinei; miez histonic + ADN infasurat Histone = proteinele care intra in alcatuirea cromatinei; histone care alcatuiesc miezul pe care se infasura ADN-ul Telomer = secvente repetitive de ADN, situate la capetele terminale ale cromozomilor liniari; compenseaza pentru replicarea semiconservativa incompleta a ADN-ului din zonele terminale ale cromozomilor. Centromer = zona de ADN situata spre mijlocul cromozomului, unde cele doua cromatide vin in contact; la nivelul lui se ataseaza kinetocorul, cu rol in separarea celor doua cromatide in timpul diviziunii celulare Cromatida = una din cele doua copii identice de ADN dintr-un cromozom; sunt atasate la nivelul centromerului Codul genetic Bazele azotate din structura nucleotidelor Purinele Pirimidinele  Sursa de nucleotide Conditii abiotice Conditii biotice Deoxyribonucleaze ADN Celula Ribonucleaze ARN Pancreasul Nucelotide  ADN – ARN 1953 – Watson si Crick : descriu prima data molecula de ADN. 1962 – Watson, Crick și Wilkins au fost răsplătiți cu premiul Nobel. 1953 – Dr. James D. Watson and Dr. Francis H.C. Crick propun pentru prima data structura dublu helix a AND-ului  Complementaritatea bazelor in structura ADN § Bazele sunt asezate fata in fata in interiorul helixului. § Principiul complementaritatii: - A – T prin doua legaturi de H - G – C prin trei legaturi de H § Formarea de perechi este mecanismul de la baza: - Cuplarii celor doua lanturi de ADN in structura de dublu helix; - Copierii ADN in ARN mesager. (in ARN (A - U)  Nucleozide si nucleotide Formarea nucleotidelor Bază azotată + pentoză = nucleosid de ex. A + pentoză = adenosina nucleosid + radical fosforic = nucleotid de ex. Adenosină + radical fosforic = acid adenilic  Structura acidului dezoxiribonucleic (ADN) - formata din doua catene polinucleotidice paralele si de polaritate opusa (adica una are polaritatea 3‘- 5‘ și una 5‘ – 3‘). - molecula este elicoidala, formand un dublu helix. - 1 nucleotid = 1 baza azotata + 1 molecula deoxiriboza + 1 grupare fosfat Structura acidului ribonucleic (ARN) Acizi ribonucleici  Priorităţi între biomolecule Care a fost prima molecula vie sau molecula primordiala: acizii nucleici sau proteinele ? R: Acizii nucleici – datorita criteriului necesar de replicare, singurele molecule ? capabile de autoreplicare sunt moleculele de acizi nucleici. Catenele polipeptidice(proteinele) nefiind autocomplementare, nu pot servi drept matrice pentru propria lor replicare. ARN sau ADN? R: ARN deoarece cercetarile de biologie moleculara au aratat ca numai ARN poseda cele doua proprietati obligatorii evolutiei: de replicator al informatiei genetice si de catalizator enzimatic (ARN replicaza). -Riboza (glucidul continut de ARN) se sintetizeaza mult mai usor decat deoxiriboza (glucidul continut de ADN). -Gruparea 2‘ –hidroxil a ribozei joca un rol catalitic de autoexcizie (splicing) a intronilor din ARN mitocondrial. In concluzie: cu molecula de ARN a inceput evolutia sistemelor vii pe pamant (acum cateva miliarde de ani), pentru ca mult mai tarziu ADN sa preia functiile ARN la nivelul celulei organizate. Aceasta schimbare a aparut atunci cand celula a devenit mai complexa necesitand o cantitate de informatii mai mare si mai stabila decat cea oferita de moleculele de ARN. ADN apare ca o adaptare la cresterea complexitatii sistemului celular si nu ca o parte componenta a celulei ancestrale.  Nucleotide libere si derivati - Nucleotidele libere si derivatii lor detin functii metabolice numeroase fara nici o legatura cu stocarea sau transmiterea informatiei genetice. ADP ATP + HPO42- Adenosin difosfat Adenosin trifosfat este un nucleotid cu importanta fundamentala care transporta energie in toate organismele vii. Nu este o molecula de stocare a energiei, ci este un sistem de transport si de transfer energetic. ADP ATP - Respiratie si fotosinteza - Reactile de descompunere a carbohidratilor sau a acizilor grasi. Genome Proteom  Biosinteza proteinelor Proteinele : 109-1010 molecule / celula reprezentand ̴ 10.000 de tipuri diferite. Dogma centrala a biologiei moleculare (1960 – 1970) Transcriptie Translatie ADN ARN Proteine Mesager de transport ribozomal - 1970 - Termin si Baltimore au stabilit ca este posibila transmiterea informatiei si invers de la ARN la AND, proces realizat de o enzima denumita retrotranscriptaza. ARNm reprezinta matricea pentru molecula de AND, fenomen numit retrotranscriptia ARN contranzicand dogma centrala.  Unde are loc biosinteza proteinelor ? ARN m Ribozomii (Corpusculii lui Palade) (1912-2008) premiul Nobel (1974). § generați de nucleoli au dimensiuni de ~ 20 nm conțin o subunitate mică (40S) și o subunitate mare (60S) § sunt constituiți din 65%ARN si 35% din proteine ribozomale § se găsesc liberi în citoplasma celulară sau atașați reticulului endoplasmatic reticulul endoplasmatic rugos. § sediul biosintezei proteinelor specifice; decodeaza ARN mesager pentru construcția lanțurilor polipeptidice din aminoacizi aduși de ARNt. § In prezenta ionilor de magneziu cele 2 subunitati se mentin asociate(concentratie 0.001 moli/molecula). Sub aceasta concentratie, disociaza reversibil. La concentratii mai mari de 0.1 M si pH=7. § poliribozomi = asociari de 5 – 40 ribozomii pe cate pe o molecula de ARN mesager.  ADN – ARN ADN = deoxiribonucleotide: adenina (A), citidina(C), guanina (G) si timidina (T). ARN = ribonucleotide : adenina (A), citidina(C), guanina (G) si uracil (U). Cum poate un „limbaj“ de 4 baze din secventa ARNm sa codifice cei 20 aa din secventa proteinelor ? Raspuns : Algoritmul a fost simplu 1 nucleotida ar codifica un aa (4 baze = 4 aminoacizi) 2 nucleotide codifica 1 aa (42 = 16 aminoacizi ar putea fi introdusi in secventa unei molecule proteice) 3 nucleotide codifica 1 aa (43 = 64 aminoacizi ??? Teoretic exista 64 codoni - fiecare aminoacid este specificat de un triplet nucleotidic. Genome Proteom  Transcriptia Gena: o regiune din molecula de AND care cand este activata transcrie un ARNm pentru o proteina data (specifica). Secventa genelor din genomul celulelor procariote corespunde in intregime secventei de aminoacizi din proteina pe care a codificat-o, ceea ce nu se intampla la celulele eucariote. Transcriptia se face intotdeauna in directia 5’ – 3’, deci se va copia catena ADN 3’ – 5‘.  Transcriptia Transcriptia AND: necesita un aparat de transcriptie foarte complex: ARN polimeraze si factori de transcriptie (proteine auxiliare). Procesul de transcriptie catalizat de ARN polimeraza prezinta trei etape: 1. Etapa de initiere: de recunostere a genei care trebuie transcrisa (gena tinta) si a punctului de initiere unde are loc desfacerea helixului AND pentru generarea unei regiuni monocatenare scurte; si de incorporare a primelor nucleotide care formeaza lantul de ARN. Secvenata la care are loc acest start se numeste promotor. 2. Etapa de elongatie: nucleotidele sunt legate covalent la capatul 3’ al lantului deja initiat. Sinteza continua si polimeraza aluneca de-a lungul AND-ului desfacand dublu helix pentru a expune un nou segment al matricei monocatenare. 3. Etapa de terminare: punctul unde sinteza lantului ARN se termina iar hibridul AND-ARN format se separa. AND se reface sub forma de dublu helix, ARN polimeraza si molecula de ARN sintetizata se desprind si devin libere in mediu celular. Terminarea sintezei este determinata de o secventa specifica din structura genei: terminator.  Translatia ARN ARNm contine un singur codon pentru initierea sintezei proteice (AUG). - atât la procariote cât și al eucariote sinteza proteinelor începe cu acest codon care specifică Metionina. - contine 3 codoni STOP ( UAA, UGA,UAG); acesti codoni nu specifica nici un aa in secventa proteinei. - multi aminoacizi au mai mult decat un codon care-i specifica.  ARNm Dupa transcriptie si splicing ARNm sufera doua procese post-transcriptionale: 1. Capare- se adauga la prima guanidina o grupare metil (-CH3) in pozitia 5’. 2. Se adauga o coada poli (A) la capatul 3’- OH terminal moleculei sub actiunea poli polimerazei (A). ARNm generat din AND in nucleu, exportat in citoplasma si folosit pentru sinteza proteinelor functionale. ARNm contine urmatoarele secvente importante: 1. o secventa specifica (5-10 nucleotide) care asigura legarea ARNm de subunitatea mica a ribozomului. RBS –ribosome binding sequence. 2. urmata de codonul de initiere a translatiei AUG. 3. Secventa de nucleotide (codoni) pentru sinteza proteinei si 4. O secventa terminator (stop) reprezentata de unul din codonii stop, codoni care nu reprezinta nici un aminoacizi.  Cum se citeste/decodifica informatia ARNm? Crick a sugerat ca translatia trebuie sa fie mediata de o molecula ADAPTOR: 31 moleculele de ARNt su ~ 75-85 baze). ARNm = mesager - sintetizat în timpul transcripţiei mesajului genetic de pe o catenă de ADN şi serveşte ca tipar pentru sinteza proteinelor. ARNt(s) = transfer/solubil - similar ca structură cu orice acid ribonucleic - are rolul de a activa ARNt sintetaza - reacţionează cu aminoacizii corespunzatori anticodonului –prin formarea grupărilor aminoacil - ARNt care sunt transferaţi la locul de biosinteză a proteinelor. ARNr = ribozomal - apare întotdeauna legat de proteine si contine peste 1000 de nucleotide  Translatia ARN Translaţia care constă în migrarea mARN în citoplasmă şi asocierea mARN cu ribozomii activi în sinteza proteică. Catena de mARN se fixează simultan prin absorbţie pe mai mulţi ribozomi formând poliribozomi. Activarea aminoacizilor: Enzima + aminoacid + ATP Enzima-(aminoacil-AMP) + Pirofosfat ARNt + Enzima-(aminoacil-AMP) aminoacil –ARNt + AMP + Enzima Pe catena mARN din polizom, se vor amplasa, la nivelul fiecărui ribozom, numai acele complexe aminoacil-tARN care, pe bucla centrală, reprezentând anticodonul, posedă o secvenţă de trei ribonucleotizi complementară codonilor mARN din complexul polizomului. Polimerizarea sau asamblarea aminoacizilor se realizează între gruparea COOH a primului aminoacid care reprezintă punctul activ al biosintezei progresive, cu gruparea NH2, a celui de al doilea aminoacid, în prezenţa enzimei peptid-polimeraza, care catalizează formarea legăturilor peptidice între aminoacizi; încorporarea aminoacizilor este ireversibilă.  Decodificarea codonilor în proteine Decodificaţi secvenţa peptidică din secvenţa nucleotidelor de mai jos. 5’-UAACCAGUAAUGAGUGCACGGGCCCCUGAGACACGAGAAUGAAUGAAC-3’ Movie http://biologie12d.blogspot.ro/2011/01/bazele-geneticii-de-brinzei- alexandra.html Curiozitati Viteza de sinteza a unei proteine, la E.coli, este de 15 aa/secunda si la eucariote de 2 aa/secunda. Eroarea posibila este estimata la 1 aa incorporat incorect la 104 aa incorporati. Abundenta diferitelor molecule de ARN/ celula se estimeaza urmatoarele valori: 2500 molecule ARNm, 160.000 ARNr si 20.000 ARNt…variind in functie de tipul celular, gradul se diferentiere, varsta, activitatea metabolica a celulei, etc. Efectul antibioticelor asupra translatiei: Tetraciclina : blocheaza legarea aminoacil –ARNt la situsul A al ribozomului. Streptomicina: impiedica trecerea de la initiere la elongatia lantului polipeptidic. Eritromicina: blocheaza translocatia pe ribozom.