Sinteza proteinelor

Este activitatea fundamentala a celulelor din organism. Se desfasoara continuu, intr-un singur sens , de la structura ADN , trecand prin ARN cu variantele sale (ARN premesager si apoi mesager „matur”) pana la sinteza lanturilor polipeptidice. Datorita faptului ca se desfasoara in aceleasi etape in toata lumea vie acest proces este cunoscut sub denumirea de dogma centrala a biologiei moleculare. Aceasta este un proces format din transcriptie si translatie si duce la formarea proteinelor. Se desfasoara unidirectional (ADN ARN), dar poate fi si bidirectional (pentru transcriptie): unde secventele de ARNm sunt copiate in ADN (numit ADN complementar, ADNc) prin invers-transcriptie.

Fluxul informatiei genetice are urmatoarele etape:

a) formarea de ARN mesagerb) formarea nisei polizom unde se asambleaza specific aminoaciziic) edificarea unor molecule proteice,enzimatice , imunologiced) finalizarea fenotipica cu edificarea caracterelor anatomo-structurale

Teoria semantica a fluxului informatei genetice

Clasificarea biopolimerilor celulari dupa semnificatia genetica:

1. semantida primara- reprezentata de ADN celular2. semantida secundara – reprezentata de ARN CELULAR3. semantida tertiara- proteinele formate din lanturi polipeptidice4. moleculele episemantice- glucide si lipidele care se sinteza in urma unor reactii cu

enzime specifice

Trecerea informatiei din structura ADN in structura ARN

Codul genetic este un sistem de corespondenta intre o secventa de 3 nucleotide care repr. un codon si un anumit aminoacid.

Structura codului genetic a fost descrisa de Watson si Crick care in 1961 au introdus notiunea de codon. Initial exista un codon univoc apoi unul biunivoc descris de Nurenberg si Malthu. Dimensional, codonul este o succesiune de 3 nucleotide. Deci vom avea 43codoni deci 64 de codoni care acopera si chiar sunt in excess pentru cei 20 de aminoacizi esentiali.

AUG este codonul initiator/ START de la nivelul caruia incepe sinteza lantului polipeptidic si (codifica)sintetizeaza metionina. UAA, UAG, UGA (codonii STOP universali)care semnifica oprirea sintezei lantului polipeptidic. Ei sunt codoni stop sau nonsens sau codoni terminatori.

Caracteristicile codului genetic:

1.( ce este precedent mentionat)

2. unitatea de functie este codonul

3. codul genetic este degenerat

- 1 aa. poate fi specificat prim mai multi codoni ( pana la 6 codoni pentru arginina si leucina si 1 codon pentru metionina)

- este un aspect favorabil pentru ca impiedica expresia unor mutatii punctiforme

4. codul genetic din str. ADN este recunoscut in str. ARN pe baza complementaritatii bazelor azotate

5. codul genetic nu este ambiguu- un codon dat recunoaste un singur tip de aminoacid

6. codificarea este inepuizabila

7. intre codoni nu exista semne de separare sau o virgula

8. nu accepta suprapunere- bazele nu se suprapun intre codoni

9. codul genetic este universal

10. poate fi modificat prin mutatie

Principalele tipuri de mutatie care apar in codu gentic sunt INSERTIA (REPETITIVA), SUBSTITUTIA, DELETIA UNEI BAZE, REPETITIILE TRINUCLEOTIDICE ( sindromul X-fragil), MISSENSE ( schimbarea sensului- siclemia), NONSENSE ( codon codificator se transforma in codon stop- de ex. β talasemii,) frameshift

Din 2001 au fost sintetizati 40 de aminoacizi de sinteza. S-a descoperit codonul format din 4-5 baze si al 65-lea codon functional format, ambele descoperiri facandu-se in vitro de catre 2 japonezi.

Etapele sintezei de proteine si polipeptide:

1. Transcriptia Procesul de copierei a inf. genetice sub forma codificata, complementara si antiparalela intr-o molecula de ADN. Are 3 etape: initierea , elongatia, terminarea. Are loc in nucleu si in mitocondrii. Elementul central este reprezentat de ARNpolimeraza( ARNpol) ADN dependenta. Pentru functionarea corecta a acesteia avem nevoie de o secventa de ADN dublu

catenar, de cele 4 nucleozide 5’ si 3’ trifosforilate NTP ( ATP, GTP, CTP, TTP) si ionii de mg. ARN-polimeraza te tip 1 codifica sinteza ARN-ului ribozomal, ARN- POLIMERAZA de tip 2 CODIFICA SINTEZA arn- MITOCONDRIALARNpol de tip 3 codifica sinteza ARNt si alte variante de ARN nuclear sau smallnuclear (sn)

Faza de initiere a transcriptiei– sunt implicate 2 casete cu structura cunoscuta: caseta -35 situata in pozitia -35 fata de situsul initial de transcriptie (adica fata de AUG) cu secventa de consens TTGACA si cea din pozitia -10 fata de situsul initial de transcriptie numita caseta PRIBNOW BOX cu secventa de TATAAT. ARN-polimeraza care va recunoaste acest situs promotor , este formata din 6 subunitati : 2 α, 1 β, 1 β’, 1 Ω, 1 σ ( cu rol foarte important deoarece creste afinitatea ARN –pol pentru situsul promotor de pe catena matrita si scade afinitatea pentru catena nonmatrita). Sinteza ARN-ului mesager se face din directia 5’ la 3’ pe baza unei catene matrite (anti-sens)cu directia 3’ la 5’; iar catena (pe imagini desenata de obicei ca superioara) 5’ - 3’a ADN-ului este catena nonmatrita (codificatoare), catena sens la care se face referire si atunci cand discutam despre structura promotorului (adica situsul 35 si resp 10). Complexul de elongare cuprinde ARNpol fara subunitatea σ , catena de ADN matrita, ARN-UL in crestere si topoizomeraza , o enzima care are rolul de a reface structura de dublu helix in urma transcriptiei.

Etapa de terminare a transcriptiei se realiz. prin 2 mec. : 1. mec. Ro dependent : Ro este o helicaza cu rolu de a desface duplexul ADN-ARN datorita unor zone bogate in GC de pe catena matrita care incetinesc rata transcriptiei. In acest caz proteina Ro ajuta arn-pol si disociaza ADN de ARN.

2. mecanismul ro independent: se bazeaza pe formarea in zona in care transcriptia este incetitinita a unor complexe palindromice care indeparteaza spatial ARN-ul mesager de catena matrita si permite eliberarea lantului de ADN.

Transcriptia la eucariote se desfasoara in aceleasi 3 etape dar aici avem nevoie si de prelucrarea ARN-ului mesager .

Promotorul la EK are o structura speciala: este format din mai multe casete : secventa situata in pozitia -25 este TATAAA iar in pozitia -80 se gaseste secventa CAAT box , inconjurata in amonte (spre 5’)si in aval (spre 3’) de secvente repetitive de GC. Aceste casete au rolul de a modifica expresia genica prin controlul transcriptiei. La -125 perechi de baze fata de situsul initial de transcriptie incep secventele ENHANCERS care au rolul de a stimula transcriptia ca elemente transreglatoare.

La EK avem nevoie, petru atasarea ARNpol de 2 de factori de transcriptie= proteine ce recunosc specific secventa promotorului: factorul 2D/ proteina TATA. Urmeaza atasarea factorului de transcritpie 2B, 2F, ARNpol de tip 2 dupa care este initiata transcriptia .

La EK avem nevoie de 3 enzime de transcriptie.

O alta diferenta intre transcriptia la eucariote fata de procariote este maturarea ARN-ULUI mesager. Se realizeaza prin :

1. prelucrarea capetelor care duce la cresterea stabilitatiii impotriva nucleazalor- consta in adaugarea la capatul 5’ a unui nucleozid 7-metilguaninat care face ca numai codonul initiator care are acest nucleotid sa fie considerat codon start. Inainte de finalizarea transcriptului primar, la extremitatea 3’ se aduga o serie de 50-250 nucleotide de adenina reprezentand coada poli-A cu rol de a facilita exportul in citoplasma si protejarea de nucleaze.

2. procesarea / splicing-ul ARNm. reprezentat de eliminarea secventelor noninformationale urmata de reasocierea secventelor informationale ( unirea exonilor). Matisarea se realizeaza prin transesterificarea cu situsul donor 5’ GU urmata de situsul acceptor AG 3’ (eliminarea intronilor) si reasocierea intre cei 2 exoni prin intermediul unor proteine codificate la nivelul ARN-ului smallnuclear.Matisarea alternativa este un fenomen care explica formarea unor proteine diferite din acelasi ARN-mesager datorita faptului ca in cel. diferite sunt retinuti exoni diferiti (ex : gena calcitoninei care produce calcitonina in cel tiroidiene dar produce un neuromediator in cel. sistemului nervos)

3. Translatia- elemente implicate: ARNm, ARNt, ARNr,poliribozomi. Prezinta 3 faze: initiere, elongare si terminare.

Reglarea sintezei proteice: Jacob si Monot au descris operonul lactoza care este necesar pentru transportul si metabolizarea lactozei la E-coli (o bacterie, procariot). Operonul lactoza este format din 3 gene structurale: z, y, a ce codifica enzime necesare pentru metabolizarea lactozei la E-coli.; si din genele promotor si operator Elementele principale ale reglarii a metabolismului lac: . Daca ARN-pol nu se va mai atasa la promotor atunci cele 3 gene nu vor mai fi transcrise. Evident cele 3 proteine necesare pentru metabolizarea lactozei nu vor mai fi sintetizate=> scaderea lactozei in mediu devenind un inductor pt initerea trasncriptiei Prezenta lactozei in mediu modifica forma proteinei represoare astfel incat ea nu se mai cupleaza la regiunea operatoare si lasa liber promotorul care va putea fi citit iar cele 3 gene structurale vor putea fi transcrise.

Operonul triptofan (operon Trp)- 5 gene structurale care codifica enzimele necesare sintezei Trp- este un corepresor- gena reglatoare codifica o proteina inactiva

Prezenta Trp in mediu va modifica proteina represoare a. i. ea se cupleaza cu regiunea operatoare, blocheaza promotorul iar genele nu vor mai fi transcrise. Deci exista niste bucle de feed-back.

Reglarea sintezei proteice la eucariote

Se centreaza pe controlul transcriptiei – pre si post transcriptional

Controlul pretranscriptional se refera la pozitia in spatiu a genelor in diferite celule, tesuturi, sau organe. (ex. transformare formei B in forma Z a ADN)

Mecanisme epigenetice

1. hipermetilarea ADN ducand la represia transcriptiei2. amprentarea genetica (sindrom Angleman)3. inactivarea aleatorie crz X4. schimbarea pozitiei nucleozomilor5. modificarea histonelor nucleozomale

CONTROLUL TRANSCRIPTIONAL se bazeaza pe controlul activitatii ARN-polimerazei II. Activitatea ei este controlata de:

- elemente cis-reglatoare- factori de transcriptie trans reglatori- controlul la distanta al expresiei genice prin enhancers sau silencers- reglarea ca raspuns la semnalele extracelulare-liganzi

Controlul postranscriptional cuprinde:

- controlul procesarii ARN- controlul translational- controlul degradarii ARN mesager- controlul activitatii proteice

Controlul procesarii ARN determina cum si cand este procesat ARNm.

Controlul translational determina care ARNm va fi translatat in proteine si cand. Se realizeaza prin mecanismele de maturare a ARN sau printr-un proces de editare a ARNm la virusuri.

Controlul degradarii ARNm- ex: ARNm al β-globulinei cu timp de injumatatire foarte lung.

CONTROLUL ACTIVITATII PROTEICE este activarea si inactivarea selectiva, modificarea moleculelor proteice specifice dintr-o celula sau un anumit tip de celula, influentand cum si cand actioneaza o proteina.