1

1

Catedra Biologie molecular i

Genetic uman

www.bimogeum.ucoz.com

2

Cursul Biologie molecular Semestrul I Prelegeri 34 ore

Lucrri practice 51 ore dou totalizri (lucrare scris + teste la calculator)

teste evaluri curente pe compartimente

Nota medie component a notei finale de la examen

Examen Admiterea studenilor

cu dou totalizri susinute

fr absene

Consultaii curente - tematice

Cerc tiinific studenesc

3

DORIN

MUNC SISTEMATIC

INSISTEN

NDRZNEAL

DISCIPLIN

CREATIVITATE

4

ORGANISMELOR VII = SISTEMELOR BIOLOGICE

funcia dezvoltarea structura rel. cu mediul

BIOLOGIA

TIINA DESPRE VIA

5

BIOLOGIA

Biologia

molecular

Anatomia

Citologia Histologia

Genetica

Biochimia

Imunologia Ecologia

Patologia

Fiziologia

6

Revoluia agricol sec. XVII-XVIII

Revoluia industrial sec. XIX

Revoluia informaional sec. XX

Revoluia genetic sec. XXI

http://www.bimogeum.ucoz.com/

2

7

Sisteme de

organe

Organe

esuturi

Celule

Macromolecule

Micromolecule

Obiectul

BIOLOGIEI

MOLECULARE

23 mol

ADN

23

ADN

46 mol

ADN

46 mol

ADN

46 mol

ADN

46 mol

ADN 46 mol

ADN

Celule limfatice 374

Celule endoteliale 1031

Glande salivare 17

Glanda tiroid 584

Glande paratiroide 46

Muchi netezi 127

Glande mamare 696

Pancreas 1094

Splina 1094

Suprarenale 658

Vezica biliar 788

Intestinul subire 297

Placenta 1290

Muchi striai 735

Prostata 1283

Leucocite 2164

Creier 3195 gene

Ochi 547 gene

Oase 904 gene

esut adipos 581 gene

Timus 261 gene

Esofag 76 gene

Plmni 1887 gene

Inima 1195 gene

Ficatul 2091 gene

Eritrocite 8 gene

Trombocite 22 gene

Intestinul gros 874 gene

Rinichi 712 gene

Testicul 370 gene

Ovar 504 gene

Uter 1859 gene

Embrion 1989 gene

Piele 620 Tunica sinovial 813 gene

Gene implicate n dezvoltarea i

funcionarea organelor i

esuturilor la om

11

Uniti de msur n BM De lungime

1 mm = 10-3 m

1 m = 10-6 m

1 nm = 10-9m

1 = 10-10 m

De greutate 1 Da = 1,66.. X10-24g (1uc)

kDa = 1000 Da

Dimensiuni AN 1 pb = 1pn

1 Kb = 1000 pn

1 Mb = 1 000 000 pn

Coeficient de sedimentare la centifugare S

3

13

Importana BM n medicin

Asigur nelegerea organizrii i funcionrii tuturor organismelor

St la baza altor tiine bio-medicale

Genetica

Biochimia

Fiziologia

Fiziopatologia

Farmacologia

Asigur nelegerea mecanismelor de apariie a maladiilor

St la baza metodelor contemporane de diagnostic

St la baza elaborrii medicamentelor de generaie nou

14

Unitatea structural, funcional a viului - celula

15

ORGANISM VIU

Sistem deschis cu schimb permanent cu mediul de: substane;

energie;

informaie.

Sistem caracterizat prin: autoreproducere

autoreglare

autorennoire

Sistem ce are un program: codificat n moleculele ADN

realizat prin sinteza ARN i proteine

16

CELULA

Compoziia chimic

Structura general

Diversitatea

Proprieti

Funcii

Integralitate

17

Compoziie chimic

18

Setul de componente necesare: Organizarea general a celulei

Membrana citoplasmatic

Citoplasma cu organite

Nucleul

Aparatul

metabolic

Sintez SO

Scindare SO

Detoxifiere

Energetic

Semnalizare

Aparatul

genetic Material genetic

Aparat de

replicare

Aparat de

reparare

Aparat de

transcripie

Aparatul

superficial

Barier

Transport

Recepie

Contacte cel.

Aprare

4

19

Celula procariot

Celula eucariot

Celula procatiot

Fr nucleu

Membrana celular glico-lipo-

proteic

Citoplasma

necompartimentalizat

Materilalul genetic:

Nucleoidul molecula ADN

inelar, fixat de membrana

plasmatic

Plasmide mol ADN mici

inelare

Expresia IG

Transcripie

Translaie

Transmiterea IG

Replicarea ADN

Diviziunea direct a cel

(amitoza)

Mod de organizare:

Organisme monocelulare

Celula eucatiot Cu nucleu bine difereniat

Membrana celular glico-lipo-proteic

Citoplasma compartimentalizat n mai multe organite membranare

Materilalul genetic:

mol ADN lineare compactizate sub form de cromatina sau cromozomi

mol ADN mitocondrial, mici inelare

Expresia IG

Transcripie

Processing ARN

Transfer ARN din nucleu n citoplasma

Translaie

Conformaia proteinelor

Transmiterea IG

Replicarea ADN

Diviziune indirect a cel (mitoza, meioza)

Mod de organizare:

Organisme monocelulare

Organisme pluricelulare

21

Diversitatea celulelor organismului uman

Organismul uman alctuit din ~200 tipuri celule

Celulele conin material genetic identic

Celulele au structur asemntoare, dar form diferit

Celulele au proprieti i funcii diferite, determinate de

expresia difereniat a informaiei genetice

22

Diversitatea celulelor organismului uman

Diferite celule ale organismului au

genom identic + proteinom diferit

23

Tema 1 Macromoleculele = biopolimerii

Tipuri

Structur

Biogenez

Proprieti

Funcii

Localizare

Interaciuni

24

STRUCTURA PROPRIETILE

FUNCIILE celulei

bazate pe un substrat molecular

ADN conine informaia

ARN asigur sinteza proteinelor

Proteinele asigur vitalitatea

5

25 26

Relaiile macromoleculelor n celul

ADN ARN Proteine

Hidrai de carbon

Lipide

Transcripie Translaie

Cataliz - sintez

27

Funciile principale ale macromoleculelor

ADN ?

ARN ?

Proteine ?

Hidraii de carbon (glucide) ?

Lipide ?

Complexe supramoleculare

ADN + proteine = DNP

(dezoxiribonucleooproteide)

ex.: cromosomii

ARN + proteine = RNP (ribonucleooproteide)

ex.: ribosomii

Lipide + proteine = lipoproteide

ex.: membrana plasmatic

Glucide + proteine = glicoproteide

ex.: acidul glucuronic

DNP RNP

6

Membrane Localizarea macromoleculelor n celulele umane

ADN

Localizat .

Sintetizat .

ARN

Localizat ..

Sintetizat

Proteine

Localizate ..

Sintetizate

Lipide

Localizate ..

Sintetizate ..

Glucide

Localizate ..

Sintetizate ..

33

Structura macromoleculelor Structura primar

lan de mai muli monomeri

unii prin legturi covalente

Structura secundar

Plicaturarea lanului polimeric

legturi de hidrogen

Structura teriar

Configuraia tridimensional funcional

legturi de hidrogen, ionice, electrostatice

Structura cuaternar, supramolecular

Combinaia mai multor polimeri

legturi de hidrogen, ionice, electrostatice

34

Monomer Dimer Trimer

Tetramer Pentamer

Polimer

dN

N

a.a.

dN dN dN dN dN

dN

N N N N

N N

a.a. a.a.

a.a. a.a. a.a. a.a.

dezoxiribonucleotid

ribonucleotid

aminoacid

MONOMER POLIMER

Caten ADN

Caten ARN

Caten polipeptidic =

protein

Structura macromoleculelor Monomeri ADN (acid dezoxiribonucleic):

4 tipuri de dezoxiribonucleotide (dNTPdNMP) dATP (deoxi-adenozin-trifosfat) dAMP (deoxi-adenozin-monofosfat) dGTP (deoxi-guanozin-trifosfat) dGMP (deoxi-guanozin-monofosfat) dCTP (deoxi-cimitidin-trifosfat) dCMP (deoxi-cimitidin-monofosfat) dTTP (deoxi-timitidin-trifosfat) dTMP (deoxi-timitidin-monofosfat)

Monomeri ARN acid ribonucleic:

4 tipuri de ribonucleotide (NTPNMP) ATP (adenozin-trifosfat) AMP (adenozin-monofosfat) GTP (guanozin-trifosfat) GMP (guanozin-monofosfat) CTP (cimitidin-trifosfat) CMP (cimitidin-monofosfat) UTP (uridin-trifosfat) UMP (uridin-monofosfat)

Monomeri ai proteinelor:

20 tipuri de aminoacizi (bazici, acizi, neutri)

Ala

Val

Ser

His

Pro

....

7

37

Structura macromoleculelor

Structura primar ADN Catena polinucleotidic

nucleotidele polimerizeaz prin legturi covalente fosfodiesterice;

ordinea nucleotidelor este aleatorie = codul genetic;

5' AGTGCATACGTACGGACATT ... 3

Structura primar ARN Catena polinucleotidic

nucleotidele polimerizeaz prin legturi covalente fosfodiesterice;

ordinea nucleotidelor este copia ADNului;

5' AGUGCAUACGUACGGACAUU ... 3

Structura primar a proteinelor Lan polipeptidic

Aminoacizii polimerizeaz prin legturi covalente peptidice

Ordinea aminoacizilor este determinat de ordinea codonilor n ARNm (copia unei secvene din ADN)

NH2.Ser-Ala-Tyr-Val-Arg-Thr...

8

Structura macromoleculelor Structura secundar ADN

Dou catene unite prin puni de H: Complementare AT i G C;

Antiparalele;

Dubluspiralate;

Structura secundar ARN Plierea catenei poliribonucleotidice:

bucle prin unirea (puni de H) complementar a b.a. (AU i G C)

Fiecare bucl = situs funcional:

Conformaia buclelor, numrul lor este specific fiecrui ARN n parte.

Structura secundar a proteinelor Plierea catenei polipeptidice (puni de H)

-spirale

-structuri

5' A T G C A T A C G T A C G A T 3

3 T A C G T A T G C A T G C T A 5'

Structura macromoleculelor

Structura teriar a ADN

ADN+proteine histone+proteine non-histone

Cromatina

cromozomul

Structura teriar a ARN

ARN+proteine

ARNr+proteine ribozomale ???

ARNt+proteine

ARNm+proteine

Structura teriar a proteinelor

Plierea -spiralelor i -structurilor prin puni biS

Forma globular

Structura macromoleculelor Structura cuaternar a proteinelor

Combinarea funcional a mai multor polipeptide

Ex:

2 -globine + 2 -globine = Hb

2 -peptide + 2 -peptide = receptor insulinic

2 catene L (light) + 2 catene H (heavy) = Ig (Ac)

(-tubulia + -tubulina)n = microtubuli

..

47

Acizii nucleici

ADN:

molecule bicatenare;

deine informaia genetic codificat

despre....

ARN molecule monocatenare:

ARNm copia IG, matria pentru sinteza proteinelor

ARNt transport aminoacizi, translatori ai codului genetic

ARNr component al ribozomilor, controlul translaiei

microARN reglarea expresiei IG

48

9

49

ADN acid dezoxiribonucleic

Monomeri

Structura

Primar

Secundar

Teriar

Localizare

Proprieti

Funcii

Sintez

Particularitile ADN uman

Metode de studiu

Momomerul ADN

N

P P P

3

C

C C

C

C

O

2

4

5

1

dNTP nucleotid nucleozid trifosfat

nucleozid

N baza azotat

-Pu Adenina

Guanina

-Py Timina

Citozina

51

dNMP = monomeri ADN

Monomer nucleotidele (dNMP)

Structura primar:

catena polinucleotidic

Structura secundar:

bicatenar

54

Structura ADN

I catena polinucleotidic

II dublul helix = dou catene spiralizate

unite prin legturi de hidrogen

III DNP = dezoxiribonucleoproteid

10

55

Structura primar a ADN

5' GCGT ... 3 56

57

James Watson i Francis Crick

alturi de modelul structurii

secundare a ADN.

Rosalind Franklin Maurice Wilkins

58

Complementaritatea ADN asigur:

stabilitatea moleculei ADN;

mecanismul replicrii;

mecanismul transcripiei;

mecanismul recombinrii;

mecanismul reparrii leziunilor ADN

59

Conformaia spaial a moleculelor de ADN liniar Tip Lungimea spirei Baze/tur

nclinarea fa

de ax

A 24,6 ~11 +19

B 33,2 ~10 -1,2

Z 45,6 ~ 12 -9

60

Structura teriar ADN + proteine = DNP

ADN + proteine situs-specifice= complex funcional

ADN nuclear + proteine histone = cromatina cromozomii

11

Proprietile ADN Replicare

dublarea IG Reparaie

Identificarea, nlturarea greelilor Denaturare

ruperea legturilor de H Renaturare

refacerea dublului helix Heterogenitate

varietatea secv. nucleotidice Flexibilitate

ABZ Fragilitate

sensibilitate la factori mutageni Migrare n cmpul electric (ADN are )

Hibridizare

molecule de diferit origine formeaz noi molecule

62

Replicarea

= dublarea ADN = dublarea IG = transmiterea IG

63

Funciile ADN

Deine IG codificat:

succesiunea b.a. n ADN determin succesiunea aminoacizilor n protein

Pstreaz IG:

de aciunea nucleazelor

de citirea neautorizat

de mutaii

Transmite IG prin dublare=replicare:

1ADN replicare 2ADN

Realizeaz IG

ADN transcripie ARN translaie protein

globina

globina

Insulina

actina

miozina

Imunoglobulina

Exemple

Hb

Regleaz nivelul

glucozei

Aprare imun

Asigur

contraciile

musculare

Concluzii:

ADN are secvene codante = gene: Gene p/u proteine ARNm ~ 30 000

Gene preARNr ~ 250

Gene ARNr 5S ~ 2000

Gene ARNt ~ 1300

Gene p/u microARN

ADN are secvene necodante Secv. reglatoare

Secv. spaiatori

Secv. satelit (cen, t)

Secv. minisatelit (markeri crs)

Secv. microsatelit (markeri individuali)

66

Localizarea ADN

n nucleu 95 - 98%

molecule mari liniare de ADN

asociate cu proteine histone

sub form de cromatin cromozomi

n mitocondrii 2-5%

molecule mici inelare

12

67

Particularitile ADN uman ADN nuclear (nucleul celulei somatice, diploid)

cu o lungime de ~ 6,4x109p.n.; 7 picograme

fragmentat n 46 de molecule;

asociat cu proteine histone;

extrem de eterogen: secvene codificatoare i necodificatoare;

secvene repetitive i unice;

secvene active transcripional i inactive;

secvene stabile i instabile mutaional;

conine ~ 30000 perechi de gene;

se replic numai n perioada S a ciclului celular;

50% este de origine matern i 50% de origine patern.

68

69

Anemia cu hematii falciforme

AT 17

70

Indivizii homozigoi recesivi

Hemoglobin anomal

Hematii falciforme (n form de secer)

Distrugerea rapid a

celulelor falciforme

Lipirea celulelor i

blocarea circulaiei

sanguine

Acumularea celulelor

falciforme n splin

Anemie Dereglri locale n alimentare sanguin

Supraactivitatea

mduvei osoase

Defecte

cardiace

Defecte n

activitatea

muscular

Defecte n

tractul

gastrointestinal

Creterea cantitii

mduvei osoase

Dilatarea

cordului Afectarea

plmnilor

Dereglri

cerebrale

Defecte

renale

Deformri

scheletice

Diminuarea

activitii

mintale

Dereglri

cardiace

Pneumonie Paralizie

Dureri

nespecifice

Dereglri

renale

Fibroza

splinei

71

ADN mitocondrial

Are o lungime de 16,6 kb

Este inelar

Numrul moleculelor este variabil (2-10)

Conine 37 de gene

Genele sunt dispuse compact

Se replic n dependen de metabolismul

celular

Este de origine matern

Particularitile ADN uman

72

Particularitile genomului uman

Genomul nuclear

n=3,2 Gb / 2n=6,4 Gb

(~ 30000 gene/perechi)

Genomul mitocondrial

16,6 kb

37 de gene

ADN genic

25%

ADN extragenic

75%

ADN

codant

10%

ADN

necodant

90%

Secvene unice

sau n numr

mic de copii

60%

Secvene

moderat sau

nalt repetitive

40%

13

73

Genomul nuclear

SECVENE OBLIGATORII SECVENE FACULTATIVE

-Gene structurale

(codificatoare de proteine)

-Gene pentru ARNt, ARNr;

-Palindromi;

- ADN satelit (c,t)

Elemente mobile

Pseudogene

ADN viral

74

Secvenele necodificatoare ale genomului uman

SINEs transpozoni; situsuri de iniiere a replicrii

LINEs retrotranspozoni; situsuri de mperechere

corect a crs n timpul meiozei I

ADN minisatelit markeri genetici ai crs

ADN satelit rol structural, formeaz regiunile de

heterocromatin constitutiv (c, t, h, s)

ADN microsatelit markeri genetici individuali

SINEs (Short interspersed elements) 11%

LINEs (Long interspersed elements) 16%

75

Stabilirea structurii genelor normale i

mutante

Depistarea mutaiilor

Diagnosticul bolilor genice

Analiza polimorfismului individual

Studiul ADN pentru:

76

ARN acid ribonucleic

Monomeri NTP (ATP, GTP, CTP, UTP);

Structura primar catena polinucleotidic;

Structura secundar bucle;

Structura teriar RNP (ARN+proteine)

77 78

Monomeri ARN - NTP

14

ARNm ARNr ARNt ARNm

!!! Toate tipurile de ARN sunt transcrise de pe ADN

!!! ARN - este complementar unei catene de ADN

- este identic cu cealalt caten

Transcripie

Processing

1 2 3 4

ARNm ARNr ARNt

Transcripie

Processing

1 2 3

ADN

ARN precursor

ARNt ARNr ARNm

ARNr + proteine

ribozomale =

ribozomi

Copia codului genetic

despre structura proteinei

Matri pentru sinteza

proteinei n timpul

translaiei

Sediul sintezei

proteinelor

Transport

aminoacizi spre

ribozomi

Transleaz

codul genetic

din ARNm

transcripie

processing

preARNm

preARNr

preARNt ARNhn

f

u

n

c

i

e

f

u

n

c

i

e

ARNm ARN mesager (informaional, matricial)

Molecule monocatenare, heterogene

Se obin prin transcrierea catenei anticodogene a genei structurale i processing-ului

pre-ARNm

Conine informaia despre un polipeptid i servete ca matri p/u sinteza polipeptidului

Molecule monocatenare; Forma 3 bucle funcionale (anticodon, D, ); Se sintetizeaz prin transcripia genelor ARNt, Conin nucleotide cu baze azotate obinuite i

minore (timina, pseudouracil, dihidrouridina) Asigur transportarea aminoacizilor spre locul de sintez a proteinelor Reprezint translatori ai codului genetic n celul se conin 61 tipuri

ARNt

Structura secundar a ARNr

15

ARNr ARN ribozomal

Molecule monocatenare

ARNr se sintetizeaz prin transcripia genelor ARNr, n regiunea nucleolului

Intr n componena ribozomilor

18S + 33 proteine = 40S

5S + 5,8S + 28S + 49 proteine = 60S

Asigur interaciunea dintre subunitile ribozomale, ribozom-ARNm, ribozom-ARNt.

86

ARNr

Tipul celulelor Coeficientul de sedimentare

Procariote

5S

16S

23S

Eucariote,

nucleu

5S

5,8S

18S

28S

Eucariote, mitocondrii 12S

16S

87

microARN

ARNsn

ARN-primer

ARN-telomerazic

ARN din componena spliceosomei

ARNsc

Ribozime

ARN de interferen

Structura proteinelor

Monomeri 20 tipuri de aminoacizi

Primar lanul polipeptidic de

aminoacizi (ordinea a-a controlat de codul genetic ADN)

Secundar -spirale i -structuri

Teriar globular

Cuaternar - mai multe polipeptide formeaz o protein complex

!!! pot forma complexe cu alte proteine sau alte molecule (AN, glucide, lipide)

Formarea legturilor peptidice Formarea polipeptidului

16

Structura proteinelor

Structura primar a ribonucleazei A (RNase A)

Structura secundar a ribonucleazei A (RNase A)

Arhitectura proteinelor

Tranzitii conformationale ale hexokinazei

Domeniu: regiune compacta de 100-400 AA, specificata de un exon al genei, care determin o funcie

Functii ale proteinelor

Clasa Functia Exemple

Proteine

dinamice

enzime Proteaze, lipaze,

nucleaze,

polimeraze....

transport Hb, transferina

contractia musculara actina, miozina

semnale, hormoni insulina, STH

protectie Ig, IFN

reglarea exprimarii

genelor

factori de

transcripie

Proteine

structurale

matricea tisulara elastina,colagen

17

Proprietile majore ale proteinelor

Heterogenitate;

Pot fi bazice, acide sau neutre;

Interacioneaz specific cu alte molecule;

Catalizatori eficieni;

Adaptabilitate....

!!! Substratul moilecular al tuturor structurilor,

fuciilor i nsuirilor organisnului viu

Factorii de mediu to, pH, P, h, cofactori, etc.

Structura chimic primar

Configuraia spaial Conformaia (forma moleculei)

Proprietile moleculei

Funciile moleculei

Relaia: structur mediu funcie

99