Genetica Moleculară - PDF

Capitolul 1 - GENETICA MOLECULARĂ Compoziția chimică a acizilor nucleici Acizii nucleici sunt substanțe chimice macromoleculare și reprezintă cei mai lungi polimeri cu rol în viața organismelor. Monomerii acestor polimeri sunt nucleotidele. Acizii nucleici sunt lanțuri polinucleotidice (catene)....

Capitolul 1 - GENETICA MOLECULARĂ Compoziția chimică a acizilor nucleici Acizii nucleici sunt substanțe chimice macromoleculare și reprezintă cei mai lungi polimeri cu rol în viața organismelor. Monomerii acestor polimeri sunt nucleotidele. Acizii nucleici sunt lanțuri polinucleotidice (catene). Tipuri de acizi nucleici ADN - acid dezoxiribonucleic - două lanțuri polinucleotidice (catene) ARN - acid ribonucleic - un singur lanț polinucleotidic (catenă) Nucleotida este unitatea de structură a acizilor nucleici. Fiecare nucleotidă este formată din: Bază azotată Zahăr Radical fosforic a) Bazele azotate Purinice: formate din două cicluri condensate, unul de 5C și unul de 4N: o Adenina - A o Guanina - G Pirimidinice: formate dintr-un ciclu cu 3C și 2N: o Citozina - C o Timina - T (doar în ADN) o Uracil - U (doar în ARN) b) Zahărul - un pentoză (5C): Dezoxiriboza - D - prezentă în ADN Riboza - R - prezentă în ARN c) Radicalul fosforic - P - leagă nucleotidele între ele ARN și ADN Bazele azotate:  o Purinice: A (adenină) și G (guanină) - structura cu două cicluri condensate. o Pirimidinice: C (citozină), T (timină, specifică ADN-ului) și U (uracil, specifică ARN-ului). Există patru tipuri de nucleotide corespunzătoare celor patru tipuri de baze azotate specifice fiecărui tip de acid nucleic. ARN ADN P-R-A P-D-A P-R-G P-D-G P-R-C P-D-C P-R-U P-D-T Legăturile dintre nucleotide Legături intracatenare - în cadrul aceleași catene: o Legături covalente - realizate prin gruparea fosfat, care leagă carbonul 3 al pentozei unui nucleotid de carbonul 5 al pentozei nucleotidului următor (legătură de tip C3 → C5). Legături intercatene - între cele două catene: o Legături de hidrogen - stabilite între o bază azotată purinică de pe o catenă și o bază azotată pirimidinică de pe cealaltă catenă. o Pot fi duble (A=T) sau triple (G≡C). ADN ARN A=T A=U G≡C G≡C Rolul acizilor nucleici Reprezintă substratul genetic, conținând informația genetică sub formă codificată. Transmit informația genetică de la o generație la alta, de la celula mama la celulele fiice prin procesul de diviziune celulara Structura primară și secundară a ADN-ului Structura ADN-ului este o dublă catenă formată din două lanțuri polinucleotidice care se înfășoară elicoidal în jurul unui ax comun. Dublul helix al ADN-ului este determinat de orientarea specifică a catenei și de răsucirea elicoidală. Structura ADN-ului este:  o Primară – determinată de secvența nucleotidelor dintr-o catena. o Secundară – determinată de aranjamentul în dublu helix. Caracteristicile catenelor de ADN Sunt antiparalele – legăturile dintre nucleotide în cele două catene au sens opus. Într-o catena, legăturile sunt orientate de tip 5'→3', iar în cealaltă catena sunt de tip 3'→5'. Sunt complementare – nucleotidele care conțin baze azotate purinice pe o catena (A și G) se leagă de nucleotidele cu baze azotate pirimidinice de pe cealaltă catena (T și C). Complementaritatea este astfel: o Adenina (A) se leagă cu timina (T) o Guanina (G) se leagă cu citozina (C) Legături de hidrogen între baze: o Legăturile de hidrogen duble (A=T) și triple (G≡C) sunt stabilite între bazele azotate de pe cele două catene. o Aceste legături se pot desface și reface ușor, fără consum suplimentar de energie. Efectele structurii bicatenare a ADN-ului: Oferă stabilitate fizică verticală, determinată de legăturile fosfodiester intracatenare. Oferă stabilitate orizontală, datorată legăturilor de hidrogen intercatene. Structura este importantă pentru procesele de: o Denaturare – separarea catenelor ADN-ului. o Renaturare – refacerea structurii dublu-catenare. o Replicare – sinteza unei noi molecule de ADN. Denaturarea și renaturarea ADN-ului: Dacă o soluție care conține ADN bicatenar este încălzită, legăturile de hidrogen dintre cele două catene se rup, iar ADN-ul devine monocatenar. Acest proces se numește denaturare. Dacă soluția este răcită treptat, legăturile de hidrogen dintre catene se refac, ADN- ul redevenind bicatenar; acest proces se numește renaturare. Replicarea ADN-ului Replicarea (sinteza ADN-ului) urmează modelul semiconservativ, în care fiecare catena veche servește ca matriță pentru sinteza unei noi catene. Procesul are loc în prezența enzimei ADN polimeraza, care facilitează formarea noului lanț de ADN. o În procesul de replicare a ADN-ului, cele două catene de ADN se separă prin ruperea legăturilor de hidrogen dintre nucleotide. o Separarea catenei are loc treptat, pornind de la un punct inițial până la un punct terminus, astfel că, în plin proces de replicare, molecula de ADN capătă forma literei „Y” (punctul de separare al celor două catene este numit bifurcație de replicare). o Fiecare catena veche de ADN servește ca matriță (model) pentru sinteza unei noi catene de ADN. o Noua catena de ADN se formează prin atașarea nucleotidelor libere din citoplasmă, care conțin dezoxiriboză. Astfel, rezultă două molecule de ADN, fiecare având o catena veche și o catena nou-sintetizată. Tipuri de ARN Structura și funcțiile ARN-ului: o ARN-ul este o moleculă monocatenară (are un singur lanț polinucleotidic). o Unele tipuri de ARN prezintă secțiuni bicatenare datorită împerecherii parțiale a bazelor azotate din aceeași catenă. Compoziția chimică a acizilor nucleici 1. Baze azotate: a. Baze purinice: adenina (A) și guanina (G). b. Baze pirimidinice: citozina (C), timina (T) (în ADN), și uracilul (U) (în ARN). 2. Zahărul: a. Riboza (R) – prezentă în structura ARN-ului. b. Dezoxiriboza (D) – prezentă în structura ADN-ului. 3. Radicalul fosforic – conferă stabilitate și polaritate moleculei de acizi nucleici. Sinteza ARN-ului – Transcripția Transcripția este procesul de sinteză a ARN-ului și se desfășoară în prezența enzimei ARN polimerază. Etapele transcripției: Cele două catene de ADN se separă prin ruperea legăturilor de hidrogen. O catena de ADN, numită catena-sens, servește ca matriță pentru sinteza catenei de ARN. Catena de ARN se formează din nucleotidele libere din citoplasmă, care conțin riboză. Sinteza se realizează pe baza complementarității bazelor, astfel încât în dreptul adeninei (A) din catena de ADN se află uracilul (U) din catena de ARN. Tipuri de ARN 1. ARN viral (ARNv) – reprezintă materialul genetic pentru: a. Ribovirusuri: ex. unii bacteriofagi (virusuri care infectează bacteriile). b. Virusuri vegetale: ex. virusul mozaicului tutunului (VMT). c. Virusuri animale: ex. virusul gripal. 2. Viroizi – molecule mici de ARN care nu au înveliș proteic. 3. Retrovirusuri – conțin ARN și necesită enzima reverstranscriptază pentru a copia ARN-ul în ADN. Etapele sintezei la retrovirusuri: O catena de ARN servește ca matriță pentru sinteza unei catene complementare de ADN. Se formează un hibrid ARN-ADN. Ulterior, ARN-ul este hidrolizat, iar ADN-ul nou format servește ca matriță pentru sinteza celei de-a doua catene de ADN, rezultând o moleculă dublu-catenară de ADN. Tipuri de ARN celular 1. ARN mesager (ARNm): a. Copiază informația genetică din catena de ADN și o transmite sub forma unui mesaj la ribozomi (locul sintezei proteinelor).  b. Este monocatenar, iar lungimea catenei de ARN este egală cu lungimea genei transcrise din ADN. 2. ARN de transfer (ARNt): a. Transportă aminoacizii din citoplasmă în ribozomi, unde aceștia sunt folosiți pentru sinteza proteinelor. b. Este monocatenar, dar prezintă regiuni bicatenare, având o formă asemănătoare cu o frunză de trifoi. c. Este format din 40-90 de nucleotide și are doi poli funcționali: i. La un capăt se fixează aminoacidul transportat. ii. La celălalt capăt se află anticodonul – o secvență de trei nucleotide complementare codonului din ARN mesager, corespunzătoare aminoacidului transportat. 3. ARN ribozomal (ARNr): a. Este prezent atât la procariote, cât și la eucariote. b. Se găsește în ribozomi, alături de proteinele ribozomale. c. Este monocatenar, dar conține regiuni bicatenare. Funcțiile materialului genetic 1. Funcția autocatalitică: a. Reprezintă capacitatea moleculelor de ADN de a se autorereproduce în mod fidel, conform modelului semiconservativ. Acest proces are loc în interfaza ciclului celular și se referă la replicarea ADN-ului. 2. Funcția heterocatalitică: a. Se referă la sinteza proteinelor. Moleculele de ADN determină sinteza sistemelor de proteine specifice, cu o anumită succesiune de aminoacizi. Dogma centrală a geneticii Informația genetică se reproduce prin replicare și este decodată prin transcriere în ARN și ulterior tradusă în proteine specifice. Procesul de replicare: Replicare ADN → se produce copia ADN-ului. Procesul de transcriere: Transcriere ARN → informația este copiată din ADN în ARN. Procesul de traducere: Traducerea → ARN-ul este folosit pentru a sintetiza produse proteice. Detalii suplimentare 1. Funcția autocatalitică: a. Se referă la capacitatea moleculei de ADN de a se autorereproduce cu o fidelitate ridicată, printr-un model semiconservativ, proces care are loc în interfaza ciclului celular. 2. Funcția heterocatalitică: a. Capacitatea moleculelor de ADN de a determina sinteza proteinelor specifice, folosind o anumită secvență de aminoacizi. 3. Proteinele: a. Sunt substanțe chimice macromoleculare formate din aminoacizi. b. Aminoacizii se leagă pentru a forma polipeptide, prin legături între gruparea carboxil a unui aminoacid și gruparea amino a altui aminoacid, eliberând o moleculă de apă. Tipuri de proteine Proteine simple: constau dintr-un singur lanț polipeptidic. Proteine complexe: sunt formate din două sau mai multe lanțuri polipeptidice. Rolul proteinelor Proteinele: Acestea pot avea roluri structurale (plastic) în alcătuirea unor structuri celulare sau funcționale, cum ar fi enzimele, care catalizează reacțiile biochimice. Codul genetic Codul genetic stabilește relația dintre secvența de nucleotide și succesiunea de aminoacizi din moleculele proteice.  Este format din codoni, care reprezintă unități de codificare ale codului genetic, fiecare codon având o structură de 3 nucleotide. Numărul total de codoni este 64, generat de cele 4 tipuri de nucleotide (A, U, C, G) combinate în grupuri de câte 3. o Dintre aceștia, 61 codoni codifică aminoacizi. o AUG este codonul de start, care marchează începutul sintezei proteinelor. o Există 3 codoni care sunt considerați codoni de stop (UAA, UAG, UGA), care marchează sfârșitul sintezei proteice. Caracteristicile codului genetic Nesuprapus: Doi codoni vecini nu au nucleotide comune; citirea informației genetice este continuă, fără semne de punctuație între codoni. Degenerat: Numărul de codoni (61) este mai mare decât numărul de aminoacizi (20), astfel mai mulți codoni pot codifica același aminoacid. Universal: Aceeași codoni codifică același aminoacid în majoritatea organismelor. Etapele sintezei proteinelor 1. Transcriptia ARN mesager (ARNm) captează informația genetică dintr-o catena de ADN. Acest proces are loc în prezența enzimei ARN-polimerază. Etapele transcriptiei: Inițiere: o ARN-polimeraza, activată de un factor specific, se asociază cu o secvență de ADN numită promotor. Alungire: o Catena de ARNm se alungește prin adăugarea de nucleotide. Încheiere: o Are loc în prezența unui codon de STOP, în fața căruia un factor proteic încheie procesul de transcriptie. a) Transcriptia la celulele eucariote: ARN-ul copiază informația genetică din mai multe gene, permițând sinteza mai multor proteine necesare în acel moment. b) Transcriptia la celulele procarie: ARN mesager (ARNm) codifică informația genetică dintr-o singură genă, iar procesul duce la sinteza unei singure proteine. Definiție: Genă: fragment de ADN care codifică o proteină. o Exon: secvențe informative de ADN care conțin informația genetică. o Introni: secvențe neinformative de ADN, care nu codifică proteine. Etapele sintezei proteinelor 1. Transcriptia ARN mesager (ARNm) copiează toată gena, atât exoni cât și introni, formând ARN m precursor. ARN m precursor este secționat cu ajutorul unor enzime specifice; intronii sunt eliminați, iar exoni se leagă între ei, formând ARN m matur. 2. Traducerea (Translation) Are loc decodificarea informației genetice și utilizarea acesteia pentru sinteza proteinelor. Se desfășoară în ribozomi. Etapele traducerii: a) ARN transmite informația genetică copiată la ribozomi (locul sintezei proteinelor). o ARN ribozomal (ARNr) conține secvența de informație formată dintr-o succesiune de 3 nucleotide. o La nivelul ribozomului, secvența de nucleotide determină cuplarea celor 2 subunități ale acestuia, care se leagă secvențial. b) Aminoacizii din citoplasmă sunt pregătiți pentru sinteza proteinelor. o Aminoacidul (AA) este activat printr-o reacție în care ATP-ul furnizează energie în prezența enzimei aminoacil-sintetază: AA+ATP→AA-AMP+PPi\text{AA} + \text{ATP} \rightarrow \text{AA-AMP} + \text{PPi}AA+ATP→AA-AMP+PPi  o Aminoacidul activat se leagă de o moleculă de ARN de transport (ARNt) care prezintă la capătul opus anticodonele corespunzătoare aminoacidului respectiv, în prezența aceleași enzime aminoacil-sintetază: AA-AMP+ARNt→AA-ARNt\text{AA-AMP} + \text{ARNt} \rightarrow \text{AA-ARNt}AA- AMP+ARNt→AA-ARNt+AMP Refacerea ATP-ului AMP + P-P → ATP c) Locul sintezei propriu-zise a proteinelor În ribozomi, aminoacizii se leagă între ei conform informației genetice decodificate în prezența enzimelor specifice, formând molecule proteice. Secvența de integrare a ARNm a cuplat cele două subunități ale ribozomului. La eucariote, secvența de inițiere este reprezentată de codonul AUG, care codifică metionina. Dacă proteina ce urmează a fi sintetizată nu conține acest aminoacid, acesta va fi eliminat. ARN-ul mesager (ARNm) se derulează între cele două subunități ale ribozomului, iar codonii sunt citiți unul câte unul și decodificați. Conform informației genetice decodificate, aminoacizii se leagă între ei și formează moleculele proteice. Procesul se oprește când apare un codon STOP. ARN-ul mesager se cuplează succesiv la mai mulți ribozomi (poliribozomi), astfel încât se formează simultan mai multe copii ale aceleași proteine.