Transcript genetica bacteriana 1

GENETICĂ BACTERIANĂ I
Dr. Carmen Costache
Planul capitolului
• Ereditatea = Metabolismul ADN-ului bacterian
• Variabilitatea
– Mutaţia
– Transfer de material genetic
• Rolul materialulul genetic extracromozomial
Planul cursului
EREDITATEA - Metabolismul ADN-ului
• Introducere - Dogma centrala
• Structura ADN
• Codul genetic
– Genotip
– Fenotip
• Materialul genetic la bacterii
– Cromozomial
– Extracromozomial (Plasmide, Bacteriofagi)
• Replicarea ADN
•
•
•
•
– Repararea leziunilor ADN
Transcriere
Traducere
Gene
Operoni
INTRODUCERE
• Toate organismsmele
– au materialul genetic reprezentat de
ADN si ARN (Avery,1944, pneumococ)
– folosesc aceleasi nucleotide
• purine:
– Adenina (A),
– Guanina (G);
• pirimidinice:
– Citozina (C),
– Timina (T)
– Uracil (U)
Genetica= Ereditate + variabilitate
• Ereditatea
– Conservarea şi transmiterea fidelă a caracterelor unei
specii la descendenţi
– Stabilitatea f (ADN ) ~ metabolismul ADN
•
•
•
•
replicarea semiconservativă
repararea leziunilor ADN, restricţie şi modificare
transcrierea
traducerea informaţiei genetice în proteine.
• Genotipul = totalitatea informaţiei genetice
• Exprimarea fenotipică:
• informaţie genetice-ADN => ARN => proteine
reproducere
asexuala:
Fiziune
binara
Dogma centrala
• ADN-ul este depozitarul informatiei genetice transcrisa in
ARN si apoi in proteine la nivelul ribozomilor
(Avery 1944, pneumococ)
• Exceptie: retrovirusurile - Reverse Transcriptaza: ARN => ADN
Variabilitatea
•
Modificare caractere fenotipice microorganism
–
•
•
•
•
deosebesc
descendenţii de parental
descendenţii între ei.
Stă la baza evoluţiei
Se produce prin modificări în genotip,
–
–
–
•
•
•
•
la nivel molecular.
Verticale: Mutatie
Transferului orizontal al ADN-ului:
transformare,
transpozitie,
transductie,
conjugare
STRUCTURA ADN
şi modelul replicării semiconservative
(Watson &Crick 1953)
• Chimic = acid nucleic
– schelet zahăr - fosfat,
• 2 catene polinucleotidice => dublu-helix
– 5’ -> 3’
– 3’-> 5’
– baze azotate
•
•
•
•
• purinice adenină, guanină
• pirimidinice (timină, citozină )
• legături de H, pe baza complementarităţi: (A=T; C=G).
Perechile de baze succesive => dublu helix
ARN
Zahar: riboza
Uracil <= Timina
STRUCTURA ADN
ADN
• Functional (unitati de informatie genetica)
– codon (ex. CCA) => gene => loci => Genom
• Uman: perechi de baze 3.3 x 109 ~ 21.000 gene
• Bacterii ~
– perechi de baze: ½ mil-5 mil
– 1000-5000 gene
STRUCTURA ADN - Codul genetic
• Ordinea bazelor azotate în molecula de ADN
• Codon
• secvenţă de 3 baze azotate-nucleotide (ex.CCA),
• specifică un anumit amino acid.
• 4 nucleotide, (4 3) = 64 codoni,
•
– 61 specifică aminoacizi
– 3 = codoni stop TAA, TAG
Degenerat
– Ex. Prolina (Pro) CCA, CCC, CCG, CCT
Exprimare fenotipica a informatiei
genetice:
• ADN => ARN => AA - proteine
Genotip => Fenotip
• Genotip = informatia codificata
stocata in ADN , mostenita, transmisa
descendentilor
– “instructiuni” Limbaj codificat = codul genetic
– copiat – diviziune celulara
– control
• Formare de macromolecule proteice,
• Reglarea metabolismului.
• Fenotip = manifestarea fizica a acestei
informatii
STRUCTURA ADN
• Molecula de ADN
–
–
continuă din punct de vedere chimic.
Segmentată- funcţional = genă.
• structurale
• reglatoare
• secvenţe semnal.
A) Cromozomial - nucleoid
B) Extra-cromozomial
•
•
•
Plasmide
Bacteriofagi (fagi)
Transpozoni
• Repliconi: Nucleoid, plasmide, fagi
A. Plasmide
1. Portiuni mici de ADN dublu catenare,
circulare
2. Repliconi (independent de cz)
3. 2 - 30 gene
• Plasmide conjugante
– F factor – pilul de sex
– R factor - multiple drug resistance (MDR
plasmid);
– Hfr – integrate in cz = recombinare
frecventa => prin conjugare => raspandire
• The above is from
http://www.biosci.uga.edu/almanac/bio_103/notes/may_30.html.
structura bacteriofagi
• Structure of phage T4
B. Bacteriofagi
• 1. ØXl74 – primul secventializat
• 2. litic => bacterioliza
– Fara incorporarea ADN-ului exogen
• 3. lizogenic => profag - persistenta
– Trigger => bacterioliza
REPLICAREA ADN
• diviziunea
• etape: iniţiere, alungire, terminare.
• despiralizarea moleculei superhelicoidale
•
•
•
•
de ADN,
• realizată de ADN giraza (topoizomeraza 2).
punct de origine - zona „ori”,
1-2 furci de replicare.
direcţia 5' - 3'.
„ter”, 180°, faţă de punctul „ori”.
• Replicarea ADN cromozomial şi plasmidic:
• bidirecţională
• semiconservativă
• catenă parentală + catenă progenă
REPARAREA LEZIUNILOR ADN
• erori de replicare
• ADN polimeraza
– funcţie de corectare şi exonucleazică
– verifică complementaritatea bazelor inserate şi îndepărtează
bazele incorect inserate
REPARAREA LEZIUNILOR ADN
• Există sisteme de reparare:
–
–
–
–
–
constituitive sau inductibile (SOS)
prerepliactive, replicative, postreplicative
fidele, infidele (ex.SOS)
directe ( act. direct pe leziune),
indirecte (prin excizie)
REPARAREA LEZIUNILOR ADN
•
•
•
•
Sistemul S.O.S (save our sequence)
codificat de un complex de gene, normal
represate.
leziuni ADN necorectate => se activează.
infidel
supravieţuirea bacteriilor modificate morfologic şi
funcţional
Sistemul de modificare si restrictie
• 2 enzime complementare
– E de moficare => metilarea nucleotidelor
– Endonucleaze de restrictie: taie materialul
nerecunoscut
• Prezervarea ADN-ului original
• Folosite in ingineria genetica
• Gena insulinei umaneHuman insulin gene
• Gena hormonului de crestere
• Prepararea antigenelor
Sistemul de modificare si restrictie
Metilarea
Marcarea catenei parentale
Gruparile metil adougate dupa replicare
 Endonucleazele de restrictie
Taie ADN-ul in fragmente
Actiune site-specifica fiecarei endonucleaze in
parte
Molecule santinela => distrug ADN (ex. Viral)
ADN-ul metilat este rezistent la restrictie
TRANSCRIEREA INFORMAŢIEI GENETICE
• gene structurale => mARN
• tradusă => lanţ polipeptidic
– aproape concomitent
– la nivelul ribozomilor
• Etape:
– iniţierea,
– alungirea mARN-ului
– terminarea transcrierii.
TRANSCRIEREA INFORMAŢIEI GENETICE
• Etape:
– iniţierea,
– alungirea mARN-ului
– terminarea transcrierii.
• Iniţierea transcrierii:
– ARN polimeraza,
– recunoaşterea
promoterului: ataşează,
despiralizează ADN.
• Alungirea m ARN-ului:
• copiată o singură catenă a
ADN-ului: catena pozitivă
sau catena sens
TRADUCEREA INFORMAŢIEI GENETICE
= sinteza proteinelor, la nivelul ribozomilor.
• Etape:
– Iniţierea
– Alungirea
– Terminarea
TRADUCEREA INFORMAŢIEI GENETICE
• operonul = unitatea de transcriere a informaţiei genetice
Structura operonului
• gene structurale
• alăturate,
• codifică protein - enzime, implicate în aceaşi cale metabolică.
• secvenţe semnal:
– promoter, operator, activator;
•
• Promoterul-dispus înaintea genelor structurale
• secvenţa semnal de care se prinde ARN polimeraza.
gena reglatoare:
– la distanţă faţă de genele structurale
– nu face parte din operon, dar codifică proteina reglatoare
TRADUCEREA INFORMAŢIEI GENETICE
• operoni
– constitutivi
– inductibili: operonii catabolici, pentru enzimele căilor degradative,
– represibili: operonii anabolici, pentru enzimele căilor anabolice
• Reglaţi prin mecanisme de control pozitiv şi negativ.
• Biosinteza protein - enzimelor la bacterii este reglată prin:
– inducţie,
– represie.
Operon model
Francois Jacob and Jacques Monod
•
Structure of a typical operon. Image from Purves et al., Life: The Science of Biology, 4th Edition, by
Sinauer Associates (www.sinauer.com) and WH Freeman (www.whfreeman.com)
Operonul lactozei
• Gene structurale
– β-Galactozidaza ( Gal => Glu + Lac
– β-Galactozid permeaza (transport activ Lac)
– β-Galactozid transacetilaza
Operonul lactozei
• Gena reglatoare => proteina reglatoare
• Allosterica
• Locus activ
– recunoaste secvente semnal
– Interactioneaza cu ADN
• Locus efector - leaga efectori (zaharuri, aa)
modificare allosterica
Modificarea afinitatii pentru operator
 Se prinde pe ADN
 Se desprinde de pe ADN
 codifica proteina represoare
Operonul lactozei (catabolic, inductibil).
Gene exprimate doar in prezenta lactozei (inductor)
• Represor: legat de operator
( regiune adiacenta genelor structurale)
Nu se realizeaza transcrierea - control negativ
• Inductor = Lac: se leaga de repressor =>
“il tine ocupat”
• Are loc transcrierea
 inductie prin control negativ (inductibil)
Operonul lactozei
Operonul lactozei
• Control pozitiv prin proteina CAP
– Dependenta de cAMP
– fenomenul de diauxie Monod
• Glu – represie catabolica operon Lac
– http://www.youtube.com/watch?v=T9Wszg7F
hxE
Operoni Biosintetici (represibili)
Operonul Triptofanului
• Gene structurale: 5 => 3 enzime
• Secvente semnal
– promoter
– operator
• Gena reglatoare => represor
• Control
– Negativ
– Atenuare
Operonul Triptofanului
• Control negativ
– Nu Trp
• => represorul nu represeaza operatorul
• => operatorul transcrie genele structurale
• => se sintetizeaza Trp
– Trp in mediu = co-repressor
• Trp legat de represor => modificare conformatie
• Se leaga de operator
• Impiedica functionarea ARN polimerazei => stop
sinteza
Operonul Triptofanului
• Control prin atenuare = atenuarea
transcrierii in functie de cantitatea de Trp
din mediu
• <iframe width="420" height="315"
src="http://www.youtube.com/embed/SiO
AQ-VjQQY" frameborder="0"
allowfullscreen></iframe>