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 15

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 Cromozomial - nucleoid Extra-cromozomial continuă din punct de vedere chimic. Segmentată- funcţional = genă. structurale reglatoare secvenţe semnal. Cromozomial - nucleoid Extra-cromozomial Plasmide Bacteriofagi (fagi) Transpozoni Repliconi: Nucleoid, plasmide, fagi

Portiuni mici de ADN dublu catenare, circulare A. Plasmide Portiuni mici de ADN dublu catenare, circulare Repliconi (independent de cz) 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

structura bacteriofagi Structure of phage T4

1. ØXl74 – primul secventializat 2. litic => bacterioliza 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 24

REPARAREA LEZIUNILOR ADN erori de replicare ADN polimeraza funcţie de corectare şi exonucleazică verifică complementaritatea bazelor inserate şi îndepărtează bazele incorect inserate 29

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) 30

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 31

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. 34

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 35

TRADUCEREA INFORMAŢIEI GENETICE = sinteza proteinelor, la nivelul ribozomilor. Etape: Iniţierea Alungirea Terminarea 36

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 38

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. 40

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) 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=T9Wszg7FhxE

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/SiOAQ-VjQQY" frameborder="0" allowfullscreen></iframe>