Sinteza proteinelor si codul genetic

SINTEZA PROTEINELOR SI CODUL GENETIC

Sinteza proteinelor este activitatea principala a celulei, fiind reglata de fluxul informatiei gentice inscrise in ADN si ARN

Intre informatia genetica si caracterul final al acesteia se interpune o serie de etape compartimentare care definesc caracterele ereditare finale.

Aceste 4 etape au fost definite de Ruffie

1.     In prima etapa se produce transferul ADN-ului cromozomial in citoplasma prin intermediul ADNm pe baza complementaritatii

2.     Formarea polisomului /poliribozomului, a corpusculului unde se asambleaza specific AA in lanturi polipeptidice; participa 3 tipuri de ARN: ARN m, ARN r, ARNt.

3.     Proteinele care se constituie in caractere morfologice moleculare specifice individului

4.     Realizarea caracterelor morfologice ale organismului, realizare ce este rezultatul interactiunii factorilor genetici si ecologici => caractere particulare, specifice fiecarui individ

1.     In functie de semnificatia genetica si participarea la edificarea unui caracte, procesul se realizeaza conform unei legi a semantidelor de catre Zuckerkandl si Pauling → defineste nivelul de semnificatie a fiecarei etape in parte conform compartimentarii anterior expuse.

prima semantida (molecula primara - cu semnificatie biologica) e reprezentata de ADN cromozomial ce contine informatia genetica primara, cantonata la nivelul genelor

a II a molecula cu semnificatie genetica - semnatida secundara este ARN cu rol de mesager al informatiei din nucleu in citoplasma

a III a molecula cu semnificatie genetica - semnatida tertiara = lantul peptidic

a IV a molecula cu semnificatie genetica - semnatida cuaternara = molecula episemantida – realizarea lor se face sub controlul semantidei tertiare; sunt lipide, glucide, polizaharide; controlul sintezei lor este realizat de enzime-proteine; in final nu exprima in totalitate informatia din moleculele cu semnificatie I,II, sau III

Informatia genetica este codificata in acizi nucleici prin ordonarea nucleotidelor din ADN. Ea este data de secventa polinucleotidica din structura ADN si ARN

Informatia este reprezentata conventional prin simboluri - alfabet genetic-. Asocierea simbolurilor duce la obtinerea unor fraze logice care determina caracterul fenotipic final, deci:

Modalitatea de expresie logica a informatiei genetice formeaza CODUL GENETIC

Unitatea de functionare a Codului Genetic se numeste CODON Codonul este o succesiune de baze azotate care codifica un aa (aminoacid? sau duble alele?)

Cei 20 Aa (aminoacizi?) sunt codificati de codoni triunivoci(3 nucleotide)

Deci CODONUL este un triplet de nucleotide care codifica un Aa. Posibilitatea de combinare este de 64 combinatii.

Codul este degenerat   deoarece sunt 64 combinatii specifice pentru doar 20Aa. Rezulta ca exista codoni diferiti care codifica acelasi Aa. Din cei 64 codoni 61 sunt codoni sens (pentru codificare) si 3 codoni nonsens ( cu rolde punctuatie in fraza genetica: UAA, UAG, UGA (de pe ARN)) Codonul AUG este un codon cu functie speciala . El este metionina, dar daca este la inceputul mesajului genetic este permisiv pentru initierea mesajului genetic (START); oriunde altundeva se afla pe parcursul mesajului semnifica metionina.

La nivelul unei molecule ARNm un cistrom va avea ca minima structura codonulAUG, apoi mesajul, informatia codificata (proteina?) si codonul nonsens (UAA,UAG,UGA)

La procariote aceasta structura este absolut necesara pentru ca moleculele ARNm sunt policistronice (o molecula ARNm codifica sinteza mai multor proteine specifice ( un CISTRON este unitatea fundamentala de functionare agenei)

Cei 60 (+AUG) de codoni pentru 20AA arata redundanta mare a codului genetic. Existenta unei proteine mutante care difera de forma initiala are ca sursa substitutia unui segment nucleotidic intre codonii corespunzatori a 2 AA

ex. substituirea prolinei cu serina: serina = CCC, CCA, CCU, CCG => prin substituirea primului nucleotid C cu nucleotidul U rezulta prolina = UCC, UCA, UCU, UCG . Substituirea este relativ frecventa si este produsa prin mutatia unei secvente baza

In componenta fiecarui codon primele 2 baze sunt fie purinice (A-G) fie pirimidinice (C-U); A treia baza poate fi de orice tip. Majoritatea aminoacizilor au pentru codificare primele 2 baze aceleasi iar ultima difera. Ex. valina: GU si leucina CU . Rezulta ca in cursul sintezei proteice rolul primar apartine primelor 2 baze di triplet.

CODUL GENETIC

nu este ambiguu ; un codon corespunde unui singur AA (aminoacid?)

Posibilitatile de combinare sunt nelimitate ex. la 10 baze => 1000000 combinatii .

In mesajul genetic, intre codoni nu exista semne de separare (fara virgule) - Translatia se face continuu AUG de initiere, codoni sens, codon nonsens –STOP-

nu este suprapus: bazele azotate dintr-un codon nu participa in acelasi timp si la formarea altui codon

codul genetic se modifica prin mutatii determinate de : substitutie de baza (modifica doar un singur aa), insertie de baza (baza noua), deletia de baza; insertia si deletia reprogrameaza tot mesajul1

este universal pentru toate formele de viata vcunoscute => cunoscand cadrul se poate studia sinteza proteinelor

PROTEINELE sunt molecule cu rol FUNCTIONAL (STRUCTURAL si METABOLIC). Ordonarea si pozitionarea fiecarui aa in preteine determina specificitatea proteica

Intre gene, (mai exact cistroni) si lanturile polipeptidice corespondente exista relatii de coliniaritate => corespondenta stricta intre secvente de ADN (informatie genetica) si polipeptide

Coliniaritatea exprima si ordinea mutatiilor care se produc intr-un cistron = aceeasi cu ordinea aa afectati din lantul polipeptidic corespunzator.

Inte ADN ca forma de depozitare a informatiei genetice si proteina se interpune ARN ARN are rol in toate fazele sintezei proteice prin cele trei tipuri: m(mesager), r(ribozomal), t(de transfer)

In sinteza proteinelor exista foua faze: TRANSCRIPTIA (transcrie ingormatia de pe ADN pe ARNm) si TRANSLATIA (traducerea informatiei de pe ARNt in structura polipeptidica)

1.     TRANSCRIPTIA

dpdv chimic, caracteristica esentiala a acestei faze o reprezinta formarea moleculei de ARN care se realizeaza asemanator sintezei ADN in care precursorii sunt tot nucleotide 5’- trifosfat, glucidul fiind ribaza U<=>T.

In formarea ARN, gruparea - OH din 3; reactioneaza cu trifosfstul din 5’ urmator si elimina difosfat in urma realizarii legaturii glucidofosforice . Procesul este asemanator cu sinteza ADN dar este alta enzima.

Secventa de baze din ARN este determinata prin complementaritate de secventa de baze de pe catena sens/codificatoare din ADN(catena lider) pe baza careia se va realiza sinteza ARNm. Pe baza strictei complementaritati(?) pentru A din ADN pe ARN apare U

Nucleotidele se aditioneaza doar la extremitatea 3’ deci directia de crestere este 5’-3’, identica cu directia de sinteza a lantului ADN => catena sens este catena 5’-3’ . Diferenta este intre enzime ; ARN polimeraza este capabila sa initieze cresterea lantului polinucleotidic in absenta polimerului specific spre deosebire de ADN-ul polimeraza

desi molecula de ADN este dublu catenara, doar o catena serveste ca tipar

Etapele SINTEZEI ARNm (sunt 4 etape)

a)     Recunoasterea promotorului

b)     Initierea sintezei lantului polinucleotidic ARN

c)     Elongatia lantului ARn

d)     Terminarea lantului ARN

a)     ARN polimeraza se leaga de ADN in afara unei secvente specifice de baze care are o lungime variabila (20-200 perechi de baze) = secventa promotor. Acest situs de legare este reprezentat de caseta TATA sau asemanatoare ei (ex. la procariote TATAAT). In cadrul acestei secvente a promotorului , secventa consens este TATA pentru ca apare si la eucatiote. Prin recunoasterea acestei secvente a promotorului este posibila orientarea ARN polimerazei la situsul de incepere a sintezei.. S-a observat ca exista o variabilitate a intensitatii de legare a ARN polimerazei de secventa de legare (una din exprimarile variabilitatii genice)

b)     Dupa cuplarea ARN polomeraza, situsul de inceput al polimerizarii este foarte aproape de locul de cuplare, ceea ce permite plasarea primului nucleotid trifosfat . Acesta este momentul de declansare a sintezei

c)     ARN polimeraza se deplaseaza de-a lungul catenei codificatoare a ADN aditionand nucleotid dupa nucleotid

d)     Cand ARN polimeraza atinge secventa terminala, lantul de ARN si ARN polimeraza se decupleaza de ADN . Exista mai multe posibilitati de terminare a sintzei lantului de ARN: prin intermediul unor factori proteici numiti proteine ribozomale cu actiune catalitica, fie prin autodeterminare care se produce in momentul in care este intalnita o secventa poliadeninica pe catena codificatoare(existenta ei va determina decuplarea de catena codificatoare). Aceasta secventa adeninica este asociata unui polindrom (zona de complementatitate)

Initierea unei a doua transcriptii NU necesita terminarea completa a primei transcriptii ; promotorul este capabil sa cupleze o noua molecula ARN polimeraza, dupa ce prima molecula de ARN polimeraza sintetizeza aprox. 50-60% nucleotide. In cazul genelor transcrise in cantitate mare(reinitiere foarte rapida), acestea pot aparea”coafate” de molecule de ARN mesager care sunt cuplate pe parcursul genei respective la distante mai mari de 50-60 nucleotide. In acest fel apar mutatii care afecteaza zonele transcriptiei. Aceste mutatii noi secvente care, desi nu modifica structural lantul ARNm, modifica sau elimina expresia unor gene adiacente. Mutatiile pot fi : mutatii promotor care afecteaza initierea si mutatii polare care aferteaza terminarea transcriptiei

O data sintetizat ARN m va fi utilizat pentru sinteza polipeptidica. La procariote utilizarea lui este directa, fara etape intermediare si este posibil ca pe aceeasi molecula ARNm sa existe cistroni diferiti (ARNm policistronic); este caracteristic la procariote faptul ca ARNm este utilizat direct la sinteza polinucleotidelor

La eucariote molecula initiala de ARNm sufera o etapa intermediara de maturare, adica de eliminare a secventelor noninformationale care reprezinta structura exoni – introni a genelor eucariote (ARNm la eucariote este monocistronic).

S-a observat ca translocarea unei molecule ARNm incepe rareori la extremitatea initiala a ARNm. De obicei translatia incepe la o distanta de cateva sute de nucleotide fata de extremitatea 5’ a ARNm . Sectiunea transcrisa dar netranslatata de ARNm dinaintea primului codon care semnifica un aa (aminoacid?) constituie o secventa lider initiala (secventa conducatoare). Ea se constituie intr-o secventa reglatoare a rate de sinteza proteica. S-a observat existenta unor secvente reglatoare si la extremitatea 3’ a lantului ARNm => molecula de ARNm, care in medie contine aprox. 300-2500 nucleotide structurale(codificatoare) impreuna cu secventele accesorii ajunge laun lant polipeptidica de lungime de cca. 20000 baze.. Fiecare terminatie a ARNm se modifica in maturare . 5’ se altereaza prin aditia unei molecule de guanina, dar de aceasta dat modificata , care realizeaza o legatura anormala 5’-5’; aceasta structura a terminatiei 5’ modificata prin guanazina 5’-5’ a fost numita secventa cap →c-5’-5’, iar secventa terminala se modifica prin aditia unei secvente poliadeninice (de minim 6 adenine dar care poate ajunge si la 200 adenine)

Semnificatia modificarilor terminale. Se considera ca exista secvente care: echilibreaza (stabilizeaza) molecula de ARNm , participa la orientara moleculelor de ARNm pentru translatie, care contribuie la   clivarea moleculei ARNm (clivare = proprietate ARN folosita in tehnicile de analiza moleculara - ex. PRC). Secventa poliadeninica este folosita ca secventa de clivare a lantului de acid nucleic in procesul de multiplicare din PRC.

Adoua mare modificare(?) pe care o sufera ARNm este mecanismul de excizie-alipire a secventelor exonice si intronice.

2.     TRANSLATIA

Este procesul de conversie a informatiei genetice din ARNm in proteina Conversia implica evenimete:

a)     Etapa de transfer a informatiei prin care secvente de baze de la ARNm determina secvente aa

b)     procesul prin care aa sunt cuplati in lantul polipeptidic

Pentru realizarea acestor etape sunt necesare 4 elemete :

1)     ribozomi ( la nivelul lor are loc sinteza proteinelor);

2)     ARNt sunt molecule de ARN cu rol de adaptor ce vor realiza ordinea in care aa vor fi secventializati conform succesiunii de baze din moleculea de ARNt; ARNt citeste ARNm si traduce limbajul genetic in limbaj proteic

3)     aminoacil ARNt sintetaza AcARNt = enzima ca catalizeaza cuplarea unui aa de molecula ARNt specifica; la proces participa factori de initiere, elongare, terminnare a lanturilor polipeptidice; la procariote aceste elemente sunt prezente in toata celula; la eucariote sunt prezente doar in citoplasma