unitatea 1 introducere

8/18/2019 unitatea 1 introducere

1/89

BAZELEBAZELEMOLECULARE ALEMOLECULARE ALE

EREDITATIIEREDITATII


2/89

Viata - “instructiuni defunctionare”

1953, James Watson si Francis Crick propunelegantul model al dublului helix, referitor lastructura acidului dezoxiribonucleic !"#

!"#ul, baza materiala a ereditatii, este ceamai celebra molecula a tuturor timpurilor

$nformatia ereditara, codi%cata in !"#, estereprodusa in %ecare celula a organismului

$nformatia inscrisa in !"# reprezinta unprogram ce directioneaza dez&oltarea tuturorcaracteristicilor biochimice, anatomice,%ziologice si 'in anumita masura(

comportamentale ale organismului


3/89


4/89

ADN-ul este materialulgenetic

$n zorii secolului )*, una dintre marilepro&ocari ale stiintei a fost identi%careanaturii chimice a moleculelorresponsabile de ereditate+


5/89

Cand grupul condus de +-+.organ a demonstratca genele sunt localizate in cromosomi, celedoua componente ale cromosomului eucariot /!"#ul si proteinele, au de&enit candidate larolul de material genetic

Factorul cheie in elucidarea acestei probleme afost alegerea corecta a organismuluiexperimental

!stfel, rolul !"#ului in ereditate a fost primadata descoperit prin studierea bacteriilor


6/89

"escoperirea rolului genetic al !"#ului incepecu cercetarile lui Frederick 0rith in 19)2

0rith lucra cu doua tulpini de bacterii, unapatogena / tulpina 4 si una nepatogena

tulpina 6 !tunci cand a amestecat resturi de bacterii

patogene distruse termic, cu celule &ii apartinandtulpinii nepatogene, o parte dintre celulele

acesteia au de&enit la randul lor patogene 0rith a denumit fenomenul transformare,

deci o schimbare a genotipului si a fenotipului, caurmare a asimilarii de !"# strain


7/89

Living S cells

(control)

Living R cells

(control)

Heat-killed

S cells (control)

Mixture of heat-killed

S cells and living

R cells

Mouse dies

Living S cells

are found in

blood sample

Mouse healthy Mouse healthy Mouse dies

RS!L"S


8/89

$n 1977, 8sald !&er:, .acl:n .cCart: siColin .ac;eod au do&edit ca substantaresponsabila de transformare este !"#ul

Concluzia celor trei cercetatori sa bazat pe

rezultate experimentale extrem decon&ingatoare, obtinute in urma folosiriiproteazelor si nucleazelor, in scopul puri%cariiextractului acelular folosit pentru

transformare+


9/89

#umeroase alte do&ezi ca !"#ulreprezinta materialul genetic au fostobtinute din studiile asupra bacteriofagilor,&irusuri care infecteaza bacteriile

!ceste &irusuri 'bacteriofagii, sau pe scurt,fagii( sunt si in prezent, folositi pe scaralarga in cercetarile de genetica moleculara


10/89

#acterialcell

$hage

head

"ail

"ail fiber

%&'

( ) ) n m


11/89

$n 195), !lfred -ershe: si .artha Chase aurealizat un experiment prin care au demonstratca !"#ul este materialul genetic al unuifagului)

Cei doi au conceput experimentul in asa fel incat

sa le permita sa determine care dintre cele douacomponente ale fagului / capsida proteica sau!"#ul, patrunde in celula de E. coli inmomentul infectiei

Concluzia la care sa a


12/89

#acterial cell

$hage

%&'

Radioactive

protein

mptyprotein shell

$hage%&'

Radioactivity

(phage protein)

in li*uid

#atch +

Sulfur (,S)

Radioactive%&'

.entrifugare

$ellet (bacterialcells and contents)

$ellet

Radioactivitate

('%& fagic)

in sediment

.entrifuge

#atch /+$hosphorus (,/$)


13/89

= 8 alta do&ada pri&ind rolul genetic al !"#pro&ine din cercetarile intreprinse in 197>de catre ?rin Charga@, care au aratat cadesi constituit din aceleasi elemente 'bazeazotate, radicali fosforici si pentoze(, !"#ul

pro&enit de la diferite specii are ocompozitie diferita in ceea ce pri&esteproportia celor patru baze azotate


14/89

Sugar0phosphatebackbone

end

&itrogenousbases

"hymine (")

'denine (')

.ytosine (.)

%&' nucleotide$hosphate

, end1uanine (1)

Sugar (deoxyribose)


15/89

Construirea modelului de structura alADN "upa ce ma


16/89

2ranklin3s 4-ray diffraction

photograph of %&'

Rosalind 2ranklin


17/89

$maginile de cristalogra%e cu raze A ale !"#uluiobtinute de Franklin iau permis lui Watson sapresupuna ca macromolecula de !"# are structurahelicala

ot prin studii de cristalogra%e in raze A a putut %

masurat si diametrul macromoleculei cat si distanteledintre bazele azotate

"iametrul apreciat de cercetatori a sugerat camacromolecula !"# are in alcatuirea sa doua catene,

care impreuna formeaza un dubluhelix


18/89

end

, end

end

, end

Space-filling model$artial chemical structure

Hydrogen bond

5ey features of %&' structure

6,7 nm

,67 nm

nm


19/89

Watson si Crick au elaborat modelul dublului helix pebaza cercetarilor de chimie si cristalogra%e cu raze Aintreprinse asupra !"#ului

Franklin a precizat faptul ca exista doua scheleteglucidofosforice antiparalele, iar bazele azotate suntpozitionate spre interiorul helixului

$nitial, Watson and Crick au crezut ca bazele azotate se

imperecheaza %ecare cu o baza identica '! cu ! si asamai departe(, dar in cazul unei astfel de imperecheri nuputea % explicata uniformitatea de grosime a helixului

Cercetarile lor au aratat insa ca perechile care seformeaza sunt doar de tip purina cu pirimidina, ceea ce

duce la o grosime uniforma a dublului helix, calculelecon%rmand astfel imagine cristalogra%ce obtinute


20/89

$urina 8 purina+ prea mari siprea apropiate

$irimidina 8 pirimidina+ prea mici siprea indepartate

$urina 8 pirimidina+ grosimea helixului

este in concordanta cu datele obtinute

prin cristalografie cu ra9e 4


21/89

Watson si Crick au precizat ca imperechereaeste foarte speci%ca, dictata %ind de structurabazelor azotate

4ingurele perechi posibile sunt adenina cu

timina si guanina cu citozina


22/89

'denine (') "hymine (")

1uanine (1) .ytosine (.)

Sugar

Sugar

Sugar

Sugar


23/89

Principiul de baza al replicarii:imperecherea bazelor azotate se face infunctie de o catena matrita

"eoarece cele doua catene ale !"# suntcomplementare, %ecare ser&este ca matrita pentrusinteza unei catene noi, in timpul replicarii

$n replicare, cele doua catene polinucleotidiceparentale se separa una de alta si ser&esc camatrite pentru sinteza a doua catene %ice, inconformitate cu regula imperecherii bazelor azotate


24/89

Molecula parentala are douacatene complementare intre ele62iecare ba9a a9otata estecuplata cu partenera saspecifica: prin intermediullegaturilor de H (' cu " si 1 cu.)

$rima etapa a replicarii constain separarea celor doua catene'%&


25/89

Molecula parentala aredoua catene complementareintre ele6 2iecare ba9aa9otata este cuplata cupartenera sa specifica: prin

intermediul legaturilor de H(' cu " si 1 cu .)

$rima etapa a replicariiconsta in separarea celordoua catene '%&

2iecare catena parentalaserveste acum ca matrita sidetermina ordinea ba9elora9otate in noua catenacomplementara care se

sinteti9ea9a6


26/89

Molecula parentala are douacatene complementare intreele6 2iecare ba9a a9otata estecuplata cu partenera saspecifica: prin intermediullegaturilor de H (' cu " si 1cu .)

$rima etapa a replicariiconsta in separarea celordoua catene '%&

2iecare catena parentalaserveste acum ca matrita sidetermina ordinea ba9elora9otate in noua catenacomplementara care sesinteti9ea9a

&ucleotidele sunt conectatepentru a forma si scheletulglucido-fosforic al noilorcatene6 2iecaremacromolecula fiica vacontine astfel: o catena vechesi una nou sinteti9ata


27/89

.odelul propus de Watson si Crickpresupune replicarea semiconser&ati&a adublului helix+

$n epoca au fost propuse si alte modele alereplicariiB modelul conser&ati& si modeluldispersi&


28/89

Modelul

conservativ6 .ele

doua catene

parentale care au

servit ca matrita se

reasocia9a intre

ele6 .ele douacatene nou

sinteti9ate se

asocia9a intre ele la

randul lor

Modelul

semiconservativ6

.ele doua catene

parentalefunctionea9a ca

matrite pentru

sinte9a de noi

catene:

complementare

Modelul dispersiv6

2iecare catenacontine un amestec

de regiuni vechi si

regiuni nou

sinteti9ate

.elula parentala$rimareplicare

' douareplicare


29/89

?xperimentele lui .eselson si 4tahl con%rma&aliditatea modelului semiconser&ati&

Cei doi au marcat catenele matrita initiale cu izotopulgreu al azotului, in timp ce orice catena nousintetizata a continut exclusi& izotopul usor al

azotului

$n urma primei runde de replicare sa obtinut o bandade !"# mixt 'greuusor(, ceea ce a eliminat modelulconser&ati& de replicare

$n urma inca a unei runde de replicare sa obtinutatat !"# usor cat si !"# mixt 'greuusor(, ceea cea eliminat si modelul dispersi& al replicarii,constituinduse intrun argument solid in spri


30/89

#acteria

cultured in

medium

containing&

%&' sample

centrifuged

after / min

(after first

replication)

%&' sample

centrifuged

after 7 min

(after second

replication)

#acteria

transferred to

medium

containing7&

Less

dense

More

dense

.onservative

model

2irst replication

Semiconservative

model

Second replication

%ispersive

model

li l i


31/89

Replicarea ADN-ului

Drocesul replicarii !"# se remarca prin&iteza sa si prin deosebita sa acuratete

$n proces sunt implicate numeroaseenzime si proteine

l i i d


32/89

Inceputul: originea dereplicare

6eplicarea debuteaza la ni&elul unor regiunispecializate numite origini de replicare, la ni&elulcarora cele doua catene se separa, formandochiul sau bula de replicare

;a ni&elul unui cromosom eucariot exista sute sauchiar mii de astfel de regiuni de origine a replicarii

6eplicarea debuteaza in ambele directii, de lani&elul %ecarei origini, a&ansand pana ce intreagamacromolecula este replicata

;a ni&elul %ecarei bule de replicare se gasesteasa numita furca de replicare, o regiune cu formaliterei E, la ni&elul careia noile catene !"# suntelongate


33/89

;n eukaryotes: %&' replication begins at may sitesalong the giant %&' molecule of each chromosome6

"


34/89

Elongarea noii catene ADN

!"# polimerazele catalizeaza elongarea noilorcatene de !"# la ni&elul furcilor de replicare

Fiecare nucleotida este adaugata la o catena!"# in crestere, sub forma de nucleosid

trifosfat 6ata de elongare este de circa 5**

nucleotides la bacterii si 5* nucleotides incelulele mamiferelor


35/89

&e< strand

end

$hosphate#ase

Sugar

"emplate strand

, end end , end

end

, end

end

,

end

&ucleoside

triphosphate

%&' polymerase

$yrophosphate


36/89

Elongarea antiparalela

4tructura antiparalela a dublului helix 'douacatene paralele, dar orientate in directii opuse(confera particularitati procesului de replicare

!"# polimeraza adauga nucleotide numai la uncapat 3′ liber al unei catene in crestere dinacest moti&, o noua catena de !"# se &a

elonga exclusi& in directie 5′

spre 3

′


37/89

$n lungul uneia dintre catenele !"#, numita catenaconducatoare, !"# polimeraza poate sintetiza o

catena noua, complementara, continuu,deplasanduse inainte, pe masura ce se produceinaintarea furcii de replicare

Dentru a elonga si cealalta catena, catena

intarziata, !"# polimeraza ar trebui sa sedeplaseze in directia opusa directiei de deplasare afurcii de replicare

"in acest moti&, catena intarziata &a % sintetizata

sub forma unei serii de mici fragmente, numitefragmente 8kazaki, care &or % ulterior reunite prininter&entia unei alte enzime, !"# ligaza+

,


38/89

$arental %&'

,

Leading strand

,

,

>ka9aki

fragments

Lagging strand

%&' pol ;;;

"emplate

strand

Leading strand

Lagging strand

%&' ligase"emplate

strand

>verall direction of replication

P i ii i li ADN


39/89

Primerii in replicarea ADN

!"# polimeraza nu poate initia sinteza unei

polinucleotide aceasta enzima poate doar adauganucleotide la un capat 3′ liber al unei catene

Dentru initierea procesului, este ne&oie de un micfragment de cate&a nucleotide lungime, care sa oferecapatul liber de la ni&elul caruia !"# polimeraza poate sainceapa elongarea+ !cest mic fragment poarta denumireade primer si are in constitutie ribonucleotide, deci este denatura !6#

?nzima care sintetizeaza primerii este numita primaza si

poate initia sinteza unei catene, asa cum pot so facatoate !6# polimerazele, care sintetizeaza !6# mesager

$n cazul catenei conducatoare este ne&oie de un unicprimer, in timp ce, in cazul catenei intarziate, %ecarefragment 8kazaki &a a&ea propriul sau primer

$rimase ?oins R&'


40/89

,

$rimase ?oins R&'

nucleotides into a primer6

"emplate

strand

,


$rimase ?oins R&'


41/89

,

$rimase ?oins R&'


"emplate

strand

,


R&' primer,

,

%&' pol ;;; adds%&' nucleotides tothe primer: formingan >ka9aki fragment6

$rimase ?oins R&'


42/89

,

$rimase ?oins R&'


"emplate

strand

,


R&' primer,

,


>ka9aki

fragment,

,

'fter reaching thenext R&' primer (not

sho


43/89

,

?


"emplate

strand

,


R&' primer,

,


>ka9aki

fragment,

,


sho


44/89

,

?


"emplate

strand

,


R&' primer,

,


>ka9aki

fragment,

,


sho


45/89

,


"emplate

strand

,


R&' primer,

,


>ka9aki

fragment,

,


sho


46/89

Alte proteine implicate inreplicarea ADN -elicazele / pro&oaca despiralizarea dublului helix

si separa cele doua catene matrita la ni&elul furciide replicare

Droteine de legare la catena 'singlestrand binding

protein( stabilizeaza !"#ul in formamonocatenara, pentru a % utilizat ca matrita

opoizomerazele corecteaza e&entualelesuprarasuciri care se produc in fata furcii dereplicare, cli&and, dezrasucind si ligand catenele


47/89

Drimaza sintetizeaza un primer !6# la capatul 5′ alcatenei conducatoare, precum si al %ecarui

fragment 8kazaki !"# pol $$$ executa sinteza continuaa catenei

conducatoare, precum si elongarea fragmentelor8kazaki

"#! pol $ indeparteaza primerii inlocuindui cu micifragmente !"#, adaugandule la capetele 3′ adiacente, de&enite disponibile

!"# ligaza reuneste capetele 3′ ale !"#ului care a

inlocuit primerul cu restul catenei de


48/89

,

$arental %&'

,


%&' pol ;;;

Replication fork

Leadingstrand

%&' ligase

$rimase

>@R@;A

$rimer%&' pol ;;;

%&' pol ;

Lagging

strand

Lagging

strand

Leading

strand

Leading

strand

Lagging

strand>rigin of replication


49/89

= Droteinele care participa la replicarea !"#formeaza un complex de mari dimensiuni,numit masina de replicare !"#

= 4e presupune ca masina de sinteza ramanestationare pe parcursul sintezei

= 4tudii recente aduc argumente in spri


50/89

Corectia si repararea ADN-ului !"# polimeraza are capacitatea de a &eri%ca daca

nucleotidele au fost atasate corect, inlocuindule pe celeincorporate gresit

$n cazul in care la ni&elul !"# apar erori de imperecherea bazelor azotate, se acti&eaza enzimele implicate in

corectarea erorilor $n cadrul procesului de reparare prin excizie, aceste

enzime cli&eaza si inlocuiesc segmentele de !"# cudefecte


51/89


52/89


53/89

Dogma centrala a

geneticii !"#ul contine informatia genetica ranscriptiaB procesul prin care

informatia de la ni&elul !"# estecopiata in !6#

ranslatiaB procesul prin careinformatia din !6# este con&ertita

intro sec&enta de aminoacizi


54/89

ARN

!cid ribonucleic alcatuit din nucleotide ce contin riboza, iar

timina este inlocuita de uracil

de cele mai multe ori are structura

monocatenara anumite tipuri de !6# au capacitatea de a

cataliza reactii chimice

rei tipuri principale de !6# mesager

ribosomal

de transfer


55/89

!6#m poarta informatia necesara asamblarii

proteinelor

%ecare trei nucleotide formeaza un codon

%ecare codon speci%ca un aminoacid !6#ribosomal

alaturi de proteine formeaza ribosomii

!6#t se cupleaza atat cu !6#m cat si cu

aminoacidul speci%c


56/89


57/89

ranscriptia

Copierea !"# in !6#m 'de regulainfomatia unei gene(

Drocesul necesita decondensarea !"#

ului 4e produce in interfaza, la ni&elul

nucleului

"ecurge tot pe baza complementaritatiibazelor

!re loc in trei faze $nitierea, elongarea, terminarea


58/89

$nitierea !"#ul este despiralizat, una dintre catene

ser&este ca matrita !6# polimeraza se cupleaza la regiunea

promotor

?longarea !6# polimeraza ataseaza baze azotate, pe baza

de complementaritate cu matrita !"#

erminarea !6# polimeraza a


59/89


60/89

!odificarile post-transcriptionale ale ARNm

!tasarea la capatul 5G a unei sec&entepoliadenilate 'poli!( cu o lungime de 1**)**nucleotide

$ndepartarea intronilor

6easamblarea exonilor intro catena de !6#mmatura


61/89


62/89

ranslatia

Codul genetic a fost elucidat in 19H*

exista )* de aminoacizi %ecare tripleta de nucleotide speci%ca un

aminoacid ?xista H7 de combinatii ale celor 7 baze

azotate, astfel incat, %ecare aminoacid

este codi%cat, de regula, de mai multdecat un codon exista 1 codon 4!6 si 3 codoni 48D


63/89


64/89


65/89

Participantii la

translatie !6#m contine instructiunile pri&ind natura si

ordinea aminoacizilor

!6#t Fiecare se cupleaza la un aminoacid

speci%c 4e cupleaza cu !6#m, in functie de

informatia de la ni&elul codonului 6ibosomii

isi cupleaza cele doua subunitati la !6#m


66/89


67/89


68/89

ranslatia

$nitierea !6#m se leaga la

subunitatea mica aribosomului

are loc deplasareapana la ni&elulcodonului 4tart

la !6#m se cupleaza

!6#t al metioninei'speci%cata decodonul !I0(


69/89


70/89


71/89

erminarea Cand ribozomul a


72/89


73/89

Droteina &a suferi modi%cari posttranslationale, dobandeste o structura3", pentru asi exercita functia speci%ca

Inele proteine sunt scurtate, altelecuplate cu alte proteine


74/89

Reglarea sintezeiproteinelor

C t l l i i


75/89

;a procariote, genele inrudite sunt organizate inoperoni

operonul este un grup de gene, plus sec&entelepromotor si operator

promotorul si operatorul controleaza trascriptiaintregului grup de gene

promotorul este regiunea unde se cupleaza !6#polimeraza

operatorul este regiunea plasata intre promotor sigena ce urmeaza a % transcrisa

daca un represor se cupleaza la operator,transcriptia nu &a a&ea loc

Controlul e"presieigenelor la procariote

#$peronul lac


76/89

#$peronul lac


77/89

Regla%ul e"presiei

genelor la eucariote 8rganismele multicelulare exprima diferite

gene, in functie de tipul celular

0enele sunt precedate de promotori, la ni&elulcarora se cupleaza factori de transcriptie

Factorii de transcriptie alcatuiesc structuricare ghideaza !6# polimeraza pentru aincepe transcriptia unei gene speci%ce

DE CE GENETICADE CE GENETICA


78/89

.icroorganismele au fost primele forme de&iata pe planeta

.icroorganismele au produs biosfera ce apermis organismelor multicelulare sa e&olueze

.icroorganismele unicelulare sunt stramosiiorganismelor multicelulare

5*K din biomasa de pe planeta estealcatuita din microorganisme

.icrooganismele &or exista pe planeta pana ladisparitia acesteia

DE CE GENETICADE CE GENETICA

MICROORGANISMELORMICROORGANISMELOR??


79/89


80/89

8 mare parte din cunostintele noastredespre lumea &ie si mecanismele &ietiipro&in din studii asupra microoganismelor'cercetari biochimice si genetice(

4tudierea microorganismelor continua saofere calea spre intelegerea aprofundata aproceselor fundamentale ale &iului

$nca stim foarte putin despremicroorganismelor care populeaza Damantul

' t t


81/89

&anatate

Agricultura

!ediu

#'mportantamicroorganismelor


82/89


83/89

Celulele procarote s eucarote


84/89

p

Cea ma mare


85/89

Cea ma mare!actere cunoscuta"# $ % &m' (

Heliobacteriummodesticaldum

Dro)*a *e !ere "+ &m *ametru' ( Saccharomyces


86/89


87/89

=&irusurile "#, nm *ametru'


88/89

Cele trei domenii ale


89/89

Cele trei domenii ale

viului

unitatea 1 introducere

Documents