And Functia Hetero Cat Ali Tic A)

1

ADN Functia heterocataliticaDOGMA CENTRALA este principiul fundamental al geneticii moleculare, care sintetizeaza modul in care informatia genetica din molecula de ADN este transcrisa in secventa de aminoacizi din catena polipeptidica, in timpul procesului de sinteza proteica. Retrovirusurile fac o exceptie de la dogma centrala a geneticii. Ele sunt virusuri cu ARN pe care il convertesc in ADN cu ajutorul unei enzime specifice reverstranscriptaza, care transcrie informatia genetica in sens invers, de la ARN-viral la ADN. Acest ADN se poate integra in ADN-ul celulei gazda. Cel mai cunoscut retrovirus este virusul HIV( virusul imunodeficientei umane), care provoaca boala SIDA. Reverstranscriptaza este o ADN-polimeraza care utilizeaza o matrita de ARN pentru sinteza unei catene de ADN. In prima etapa rezulta un hibrid molecular ARN ADN, dupa care este hidrolizat ARN-ul si ADN-ul complementar este trecut sub forma bicatenara. Descoperirea reverstranscriptazei a contribuit la intelegerea mecanismelor de transformare maligna- (carcinogeneza)si totodata a demonstrat ca informatia genetica nu circula intr-o directie unica ADNARNproteina (anii 1960)ci si de la ARN ADN :

Functia heterocatalitica a materialului genetic arata circuitul informatiei genetice in celula. Ea are loc in doua etape . In prima etapa secventa de nucleotide din molecula de ADN este transcrisa intr-o secventa complementara de nucleotide la nivelul acizilor ribonucleic. In cazul sintezei de ARNm, acesta este procesul de transcriptie, respectiv transcrierea informatiei genetice din secventa de nucleotide a ADN, intr-o secventa complementara de nucleotide. In cea de a doua etapa, procesul de translatie traducere- , secventa de nucleotide din molecula de ARNm este transcrisa in secventa de aminoacizi a unei catene polipeptidice, cu ajutorul codului genetic, avand loc sinteza proteica.

Colegiul NationalPetru RaresSuc eava Prof. Carmencita Obreja

2

In procesul de replicare are loc transferul informational de la ADN parental la ADN-ul fiu, acesta reprezentand primul nivel de transfer informational. El asigura continuitatea, si implicit conservarea , prin replicare, a informatiei genetice, de la o generatie la alta. Transcriptia realizeaza al doilea nivel de transfer informational, cel de la ADN la ARN si ea are, prin excelenta, un caracter functional, operational. In cadrul traducerii informatiei genetice translatia se realizeaza cel de al treilea nivel de transfer informational, acela de la ARNm la proteine. In procesul sintezei catenei polipeptidice devine functional codul genetic operational, adica cel transcris sub forma de mesaj genetic, in secventa de ribonucleotide a ARNm. Codul genetic informational ramane permanent in ADN, ca informative ereditara si este reprodus cu fiecare runda de replicare a ADN. Proteinele sunt macromolecule formate din aminoacizi. Polimerizarea aminoacizilor realizata la nivelul ribozomilor, presupune formarea de legaturi sau punti peptidice intre gruparea carboxil( COOH) a unui aminoacid si gruparea amino (NH2)a altui aminoacid cu eliminarea unei molecule de apa. Prin polimerizare rezulta catene polipeptidice care reprezinta structura primara a unei proteine. Unele proteine sunt alcatuite dintr-o singura catena polipeptidica, altele din mai multe catene polipeptidice identice, iar altele din mai multe catene polipeptidice diferite. La capatul procesului de decodificare nu se afla intotdeauna o proteina ci o parte a acesteia, adica o catena polipeptidica. De exemplu hemoglobina : contine doua tipuri de catene polipeptidice, doua si doua , fiecare codificata de o anumita gena, deci la capatul procesului de translatie va fi o catena polipeptidica si nu proteina completa, hemoglobina. Dupa sinteza catenei polipeptidice, prin interactiunea aminoacizilor sai ( in anumite conditii de tempertura, de pH) prin intermediul unor punti de hidrogen sau a unor punti


3

bisulfidice(-S-S) macromolecula proteica poate capata o structura secundara cu configuratii bi sau tridimensionale. Specificitatea proteinelor este data de :-

numarul de aminoacizi si succesiunea acestora in cadrul catenei polipeptidice ;-

numarul de catene polipeptidice si structura acesteia ;-

rolul fiziologic indeplinit etc.

Unele proteine au rol structural in viata celulei, iar altele au rol functional. Cele mai multe proteine functioneaza ca enzime. Fiecare enzima catalizeaza o anumita reactie biochimica. Aceste reactii se succed intr-o ordine stricta si formeaza cai metabolice. Prin transformari succesive celula poate produce substante- asa numitul produs finalcare satisfac nevoile celulei sau organismului si care confera organismelor anumite caractere fenotipice.

CODUL GENETIC In anul 1944,O.T.Avery si colaboratorii au demonstrat rolul ADN in transformarea genetica la bacterii. Imediat s-a emis ipoteza existentei unei relatii intre acizii nucleici si proteine, realizata prin functionarea unui cod genetic, unitatile de codificare fiind reprezentate de cele patru baze azotate(respective cele patru nucleotide) din constitutia ADN. Deoarece in molecula de ADN se afla patru tipuri de baze azotate, iar molecula proteica este constituita din 20 de aminoacizi proteici, rezulta ca un grup de trei baze azotate alaturate (trei nucleotide), constituie unitatea de codificare a unui aminoacid in molecula proteica. Relatia dintre numarul de baze azotate intr-un grup de determinism si numarul de aminoacizi proteici : Numarul de baze azotate(nucleotide) Numarul de combinatii posibile determinat Numarul de implicate in stabilirea pozitiei unui aa existenta a 4 tipuri de baze azotate aminoacizi (aa) de 1 2 3 41 = 4 42 = 16 43 = 64 20 20 20


4

Codonul reprezinta un grup de trei nucleotide alaturate din molecula de ARNm, care determina pozitia unui aminoacid in molecula de proteina sau sfarsitul sintezei proteice.

Codul genetic ARNm = este codul genetic operational


5

Codul genetic informational informatia ereditara este inscrisa in in secventa de baze azotate din ADN, la toate sistemele biologice, sau in ARN-ul viral, la ribovirusuri, sub forma de codificare biochimica, aceasta reprezentand modul cum se succed bazele azotate in secventa de nucleotide a ADN, mod care este caracteristic fiecarei specii. Codonul este unitatea functionala a codului genetic. Codul genetic este format din 64 de codoni. Acestia reprezinta totalitatea combinatiilor, in grupe de cate trei, a celor 4 tipuri de nucleotide. Primul codon a fost descifrat de Marshall Nirenberg. In 1961, in conditii de laborator. Nirenberg a demonstrat ca aminoacidul fenilalanina este specificat de tripleta de nucleotide UUU. Desi a fost necesara utilizarea mai multor tehnici ca sa descifreze tripletii micsti, precum AUA si CGA toti cei 64 de codoni au fost descifrati pana la mijlocul anilor 1960. Din cei 64 codoni ai codului genetic :-

61 codoni codifica diferitii aminoacizi (codonii sens) ;

din cei 61 de codoni, 2 codoni sunt ambigui : AUG si GUG , care dependent de pozitia lor in molecula de ARNm determina pozitia unor aminoacizi diferiti. Ambii codoni se pot gasi la inceputul moleculei de ARNm sau in interiorul acesteia dar nu terminal, unde se afla codonii stop. Situati in prima pozitie ambii codoni determina includerea aminoacidului metionina-formiata. Aflati in interiorul ARNm , codonul AUG determina includerea metioninei iar codonul GUG pe cea a valinei . in general, dupa terminarea sintezei proteice, primul aminoacid din catena polipeptica sintetizata este inlaturat; 3 sunt codonii nonsens, care nu codifica un aminoacid, dar joaca un rol important in citirea mesajului genetic purtat de ARNm, intrucat ei marcheaza sfarsitul acestui mesaj genetic. De aceea se numesc codoni STOP : UAA, UGA, UAG.-

Codul genetic are urmatoarele caracteristici :

Este nesuprapus - doi codoni vecini nu au nucleotide comune ;

Este fara virgule intre doi codoni succesivi nu exista semne de punctuatie biochimica reprezentate de nucleotide fara sens, citirea informatiei genetice realizandu-se continuu ;


6

Este degenerat( redundant) fiind mai multi codoni decat aminoacizi, acelasi aminoacid poate fi codificat de mai multi codoni; exemplu serina care poate fi codificata de 6 codoni (numiti sinonimi) . cu toate acestea in codul genetic nu exista ambiguitate. De exemplu , desi codonii GAA si GAG specifica acidul glutamic, niciunul dintre ei nu codifica vreun alt aminoacid. Redundanta din cod nu este intamplatoare. In multe cazuri, codonii care sunt sinonimi pentru un aminoacid difera doar a treia baza a tripletului. Se considera ca primele doua nucleotide dintr-un codon sunt importante, a treia nucleotida putand fi inlocuita cu oricare dintre cele patru tipuri. Exceptie de la aceasta regula fac tripletele de nucleotide care codifica aminoacizii leucina si arginina ;

Semnificatia biologica a redundantei(degenerare) codului genetic este minimalizarea efectului daunator al mutatiei.

Este universal in toata lumea vie aceiasi codoni codifica acelasi aminoacid; de exemplu codonul UUU codifica fenilalanina atat la procariote cat si la eucariote.

Geneticienii au descoperit unele exceptii de la universalitatea codului genetic, datorate probabil unor mutatii. Aceste exceptii sunt dovada evolutiei codului genetic ; ele se refera in special la codonii tip stop care initial au avut rol in determinismul unui aminoacid. Astfel :

codonul UGA are rolul de stop in genomul nuclear, dar in mitocondrii codifica aminoacidul triptofan.

Codonul AUA care codifica aminoacidul izoleucina in genomul nuclear, in mitocondrii codifica aminoacidul metionina. La procariotul Mycoplasma capricolum , codonul UGA determina pozitia triptofanului. La unele ciliate Tetrahymena thermophila, Euplotes octocarinatus sau Paramoecium sp. , codonii UUA si UAG determina pozitia glutaminei. BIOSINTEZA PROTEICA


7

Biosinteza proteinelor are loc in doua etape principale: transcriptia si translatia . dupa ce a fost sintetizata, catena polipeptidica( care prezinta structura primara), parcurge o serie de modificari post-translationale, in urma carora va deveni activa metabolic. Transcriptia informatiei genetice consta in transferul informatiei genetice din secventa de nucleotide a uneia din catenele de ADN (de obicei din catena 3 5) sau din catena de ARN viral in catena de ARNm. Deci, informatia genetica se transcrie dintro secventa de nucleotide in alta secventa de nucleotida. In transcriptie , transferul informational de la ADN la ARN are la baza functionarea principiului unic si definitoriu pentru acizii nucleici si anume principiul complementaritatii de baze azotate. Procesul de transcriptie se realizeaza cu ajutorul holoenzimelor* ARN- polimeraze. Codonul de initiere a sintezei unei unitati de transcriptie (a unei molecule de ARNm ?) se afla in general pe catena 3-5, fiind de obicei TAC (mai rar CAC). Codonul care indica sfarsitul procesului de transcriptie este un codon complementar codonilor stop din codul genetic al ARNm, respectiv ACT, ATT si ATC. Enzimele ARNpolimerazele dezrasucesc si desfac puntile de hidrogen din ADN, recruteaza ribonucleotidele si le potrivesc pe baza de complementaritate cu bazele azotate perechi din secventa de ADN. La eucariotele contin trei tipuri de ARN polimeraza (I, II, III) in loc de una singura cum au procariotele. *holoenzima este enzima completa ; in cazul ARN polimerazei este formata din 2 subunitati , o subunitate , o subunitate si o subunitate sigma. Cu termenul de miez enzimatic( core enzyme ) se descrie holoenzima lipsita de subunitatea sigma.Functia factorului sigma este acela de a asigura ca ARNpolimeraza sa se lege stabil la ADN, numai la nivelul promotorului, nu si al altor situsuri.(L. Gavrila) La procariote transcriptia se desfasoara in citoplasma ; este transcris odata 80-100 % din tot genomul bacterian. La eucariote transcriptia are loc in nucleu . Unitatea de transcriptie este o portiune din molecula de acid nucleic care contine informatia genetica pentru sinteza unei molecule de ARNm (L.Gavrila - este portiunea din ADN transcrisa sub actiunea catalitica a ARN polimerazei ; este delimitata de un promotor - urmat de un punct start reprezentand prima pereche de baze din ADN, aflata imediat inapoia promotorului si care este transcrisa si de un terminator, la nivelul caruia inceteaza procesul de transcriere). Intre doua unitati de transcriptie alaturate, se afla secvente de ADN non-informational. Marimea unei unitati de transcriptie difera la procariote de eucariote.


8

La procariote, o unitate de transcriptie contine informatia genetica a mai multor gene, fiind deci implicata in sinteza mai multor catene polipeptidice. In acelasi timp, unitatea de transcriptie de la procariote contine numai secvente informationale. La eucariote, o unitate de transcriptie contine informatia genetica a unei singure gene, fiind deci implicata in sinteza unei singure catene polipeptidice. La nivelul moleculei de ADN , intr-o unitate de transcriptie se afla atat secvente informationale- exoni, cat si secvente non-informationale- introni. Astfel , in urma procesului de transcriptie, la eucariote rezulta un ARN-precursor care contine atat exoni si introni. Inainte de a doua etapa a sintezei proteice este necesara maturarea ARNm. Procesul de maturare a ARNm are loc prin eliminarea intronilor si asamblarea exonilor, cu ajutorul unor enzime, dintre care fac parte endonucleazele si ARN ligazele(procesul se numeste SPLINCING Crick,1979). Precesul prezinta importanta in reglajul genetic al sintezei proteice la eucariote. Transcriptia se deruleaza in trei etape : Initierea transcriptiei incepe cand ARNpolimeraza recunoaste inceputul unei gene astfel incat sa poata identifica unde incepe sinteza unui ARNm. ARN polimeraza este directionata spre locul de start al transcriptiei de una din subunitatile (sigma)sale care are afinitate pentru o secventa specifica de ADN situata la inceputul unei gene care se numeste promotor. Promotorul determina unde sa inceapa si in ce directie sa se realizeze sinteza de ARNm. O mica proteina numita factorul sigma se ataseaza de ARN-polimeraza si o stabilizeaza, legand-o de catena de ADN care este transcrisa. Apoi ARN-polimeraza rupe puntile de hidrogen din ADN, separa catenele acestuia, determina formarea buclei = ochiul de transcriptie, permitand imperecherea primei ribonucleotide cu o dezoxiribonucleotida complementara dintr-o singura catena de ADN, catena numita antisens , iar cealalta catena a buclei de ADN care nu se copiaza se numeste catena sens.

In faza de alungire se realizeaza cresterea catenei de ARNm prin formarea legaturilor fosfodiesterice succesive in sensul 5-3. Elongatia are loc la nivelul ochiului de transcriptie, pe cand acesta se deplaseaza pe duplexul de ADN. Alungirea catenei de ARNm este catalizata de miezul enzimei ARN polimeraza ( miezul enzimei este enzima lipsita de subunitatea sigma; eliberarea factorului sigma modifica conformatia ARN polimerazei, permitandu-se tranzitia de la procesul de initiere la cel de elongatie ; miezul enzimatic acopera doar 60 perechi de baze) si se realizeaza cu o viteza de 60 nucleotide/s (L. Gavrila- rata reactiei de polimerizare la bacterii este de 40 nucleotide/s la 370C). Deoarece este sintetizata o singura catena si numai intr-un sens, nu se formeaza fragmente Okazaki. Colegiul NationalPetru RaresSuc eava Prof. Carmencita Obreja

9

Incheierea transcriptiei difera la procariote fata de eucariote.

La procariote transcriptia se deruleaza pana la intalnirea unei secvente de incheiere din ADN(terminator), moment in care se detaseaza ARN-polimeraza de catena de ADN transcrisa si ARNm sintetizat este eliberat, fiind astfel disponibil pentru utilizarea imediata de celula. La eucariote, ARN-polimeraza continua sa functioneze in timp ce ARNm se desprinde prin interventia unor substante cu rol de semnal. Proaspatul ARNm nu poate fi utilizat imediat, fiind inactiv. El va suferi procese de maturare prin care se asigura cresterea stabilitatii sale si transformarea intr-o molecula activa. Translatia informatiei genetice consta in transferul informatiei genetice din secventa de nucleotide a ARNm in secventa de aminoacizi din catena polipeptidica. Are loc traducerea mesajului genetic , dintr-o secventa de nucleotide intr-o secventa de aminoacizi. In acest proces au loc trei reactii principale, sub actiunea a doua enzime : E1 = aminoacil-sintetaza si E2 = peptid-polimeraza.

a activarea aminoacizilor ; b legarea aminoacizilor activati de ARNt specific ; cprimul dipeptid Translatia are loc in trei etape : Initierea sintezei proteice. In citoplasma se afla molecule de ATP, numeroase tipuri de ARNt, cele 20 de tipuri de aminoacizi, enzime, ARNm si ribozomi. Cat timp ribozomii nu sunt angajati in realizarea sintezei proteice, ei exista ca subunitati separate, nefunctionale, in celula. Ribozomul angajat in initierea translatiei incepe miscarea de translatie de la capatul 5 spre capatul 3 al molecule de ARNm.

Subunitatea mica a ribozomului leaga ARNm si un ARNt specific, care transporta aminoacidul metionina formiata, numit initiatorul ARNt. Subunitatea mica se misca in josul molecule ARNm, pana la codonul AUG care semnalizeaza inceperea traducerii. Legarea ARNm cu initiatorul ARNt si cu subunitatea mica ribozomala este urmata de atasarea subunitatii mari ribozomale , completand complexul de initiere a traducerii.Formarea complexului de initiere este mediate de factori deColegiul NationalPetru RaresSuc eava Prof. Carmencita Obreja

10

initiere si se bazeaza pe energia eliberata prin hidroliza GTP(guanozintrifosfatul) din citoplasma. ARNm se ataseaza pe suprafata ribozomului, primul codon, respectiv codonul de initiere AUG sau GUG fiind pozitionat in dreptul locusului A de pe ribozom. In citoplasma se produc relativ concomitent primele doua reactii (a- activarea aminoacizilor si b legarea AA activati de un ARNt specific), sub actiunea enzimei E1- aminoacil-sintetaza, rezultand complexul aminoacil-ARNt. In dreptul codonului de initiere AUG din molecula de ARNm, situat in dreptul locusului A, va veni complexul ARNt1-AA1 cu secventa anticodon UAC care poarta aminoacidul metionina-formiata. Imediat are loc deplasarea relativa a ARNm fata de ribozom cu o distanta de un codon. In acest fel , primul complex aminoacil- ARNt1 ajunge in locusul P de pe suprafata ribozomului, locusul A devenind liber.

Formarea si elongarea catenei. Formarea primului dipeptid este precedata de deplasarea complexului aminoacil-ARNt1 in dreptul locusului P de pe suprafata ribozomului, locusul A devenind liber. Aici va veni acel complex ARNt2- AA2, al carui anticodon este complementar codonului ARNm din locusul A. Dupa aducerea unui nou aminoacid in locusul A, se formeaza o legatura dipeptidica intre primii doi aminoacizi, sub actiunea celei de a doua enzime, peptid-polimeraza(E2), utilizand energia rezultata din hidroliza GTP(guanozintrifosfat). Dupa formarea legaturii dipeptidice, ribozomul se misca relativ fata de ARNm cu o distanta de un codon si locusul A devine liber


11

pentru a primi un nou aminoacid. Procesul are loc in acest fel, cu decodificarea informatiei genetice din molecula de ARNm, pana ce se ajunge la ultimul codon, unul din codonii stop. In acest caz, nu mai este adus niciun aminoacid la catena polipeptidica sintetizata. Elongarea sau faza de alungire consta in adaugarea aminoacizilor in catena polipeptidica ce se sintetizeaza. Fiecare aditie de aminoacid este catalizata de factori de elongatie si se desfasoara in 3 etape cu consum de energie in prima si ultima dintre ele. Aceste etape sunt : 1. Recunoasterea codonului- un complex ARNt-aminoacid nou venit se leaga prin anticodonul ARNt cu un codon complementar de ARNm in pozitia A ;

2. Formarea legaturii peptidice molecula ARNr a subunitatii mari catalizeaza formarea legaturii peptidice intre gruparea amino a noului aminoacid in locusul A si gruparea carboxil terminala a catenei polipeptidice aflata in sinteza si situata in locusul P ; 3. Translocarea ribozomul inainteaza cu un pas de lungimea unui codon, trecand la urmatorul locus A. Astfel , ARNt cu catena polipeptidica din locusul A anterior este translocat in locusul P, iar ARNt ramas fara aminoacizi trece in locusul Ex de unde este eliberat. Sistarea sintezei proteice . Atunci cand codonul stop ajunge in dreptul locusului A, pe suprafata ribozomului se va atasa un factor RF factor de eliberare. Codonii UAA,UAG sau UGA sunt recunoscuti de catre factorii de eliberare. Factorii de eliberare interactionand cu ribozomul si codonul de terminare constituie complexul de terminare. Acesta actionand enzimatic la nivelul situsului P, separa grupul carboxil al aminoacidului terminal de legatura sa cu un ARNt, in urma unei reactii de hidroliza. Ajunsa apoi in dreptul locusului Ex, catena polipeptidica sintetizata si factorul RF se desprind de pe suprafata ribozomului. Astfel , polipeptidul format se desprinde de ARNt din locusul P si toate componentele implicate in sinteza se dezasambleaza. Ulterior are loc desprinderea primului aminoacid metionina-formiata si formarea structurii secundare a moleculei de proteina.

Pe suprafata unei molecule de ARNm se ataseaza de obicei mai multi ribozomi, care formeaza asa-numitii poliribozomi sau polizomi, avand astfel loc sinteza mai multor catene polipeptidice pe baza aceleiasi informatii genetice.

Modificari post-translationale


12

In urma sintezei proteice, rezulta o catena polipeptidica, in care aminoacizii se afla intro succesiune caracteristica. Aceasta reprezinta structura primara a catenei polipeptidice, forma in care proteina este de obicei inactiva. Catenele polipeptidice se pot rasuci in spirala sau se pot plia, formand structura secundara. Forma tridimensionala a polipeptidelor rasucite sau pliate constituie structura tertiara iar structura cuaternara este determinata de relatiile structurale dintre catenele polipeptidice componente ale unei proteine. Pentru a deveni activa, catena polipeptidica poate fi modificata prin parcurgerea uneia sau a mai multor cai specifice, aceasta fiind fosforilata(implica adaugarea uneia sau mai multor gupari fosfat) sau glicozilata enzimatic(implica aditia uneia sau a mai multor grupari carbohidrat), ori digerata partial sub actiunea enzimelor peptidaze s.a. Exemplu in celulele beta ale pancreasului endocrin, in urma sintezei proteice rezulta pre-proinsulina. Conversia acesteia in insulina activa are loc in doua etape : 1.are loc eliminarea secventei semnal situata la capatul catenei B, rezutand proinsulina, alcatuita din trei catene polipeptidice (A, B si C) ; 2.are loc eliminarea catenei polipeptidice C si formarea a doua legaturi disulfurice (A7B7 , respective A20-B19 si una intracatenara (A6-A11) si va rezulta insulina activa, alcatuita din 51 de aminoacizi.


13

EF - 1 = factor de elongatie; sunt proteine ribozomale care asigura interactia cu ribozomul a ARNt incarcat cu aminoacidul specific, pe de o parte, si deplasarea ribozomului pe ARMm, pe de alta parte. GTP = guanozin trifosfatul ; GDP = guanozindifosfat


14

Modificari post-translationale


15

Structura unei proteine


Documents

And Functia Hetero Cat Ali Tic A)