Funcția heterocatalitică este modul în care ADN-ul controlează dezvoltarea corpului, adică modul în care ADN-ul decodifică informațiile genetice și le transformă în proteine specifice prin transcriere și traducere.
Transcrierea ADN-ului
Atât la procariote, cât și la eucariote, a doua funcție a ADN-ului este de a furniza informațiile genetice necesare pentru fabricarea proteinelor de care are nevoie o celulă pentru a-și îndeplini funcțiile ei de bază. Pentru a realiza acest lucru, ADN-ul este mai întâi „citit” sau transcris într-o moleculă de ARNm. Apoi, ARNm-ul furnizează „codul” sau „rețeta” pentru a forma o proteină specifică, proces care se numește traducere. Prin procesele de transcriere și traducere, o proteină este construită ca o secvență specifică de aminoacizi pe baza unei „rețete” stocate inițial în ADN.
Dogma centrală: ADN-ul codifică ARN-ul, ARN-ul codifică proteinele.
Circuitul fluxului de informații genetice celulare de la ADN la ARNm la proteine este descris de dogma centrală (Figura 7.1), care afirmă că genele specifică secvențele ARNm, care la rândul lor specifică secvențele proteice.
Figura 7.1: Dogma centrală afirmă că ADN codifică ARN, care la rândul său codifică proteina.
Copierea ADN-ului în ARNm este relativ simplă: pentru fiecare nucleotidă complementară citită din catena de ADN se adaugă o nucleotidă la catena de ARNm. Translația în proteine a catenei de ARNm este un proces complex și sistematic care se face astfel: nucleotidelor 1, 2 și 3 le corespunde aminoacidul 1, nucleotidelor 4, 5 și 6 le corespunde aminoacidul 2, șamd. Altfel spus, fiecare grup de trei nucleotide este tradus într-un aminoacid din secvența proteică.
Transcrierea de la ADN la ARNm
În mod fundamental procariotele și eucariotele efectuează același proces de transcriere, cu diferența importantă că eucariotele au nuclee înconjurate de membrană. Datorită faptului că genele eucariote sunt conținute în compartimentul nuclear, transcrierea are loc în nucleul celulei și „rețeta” ARNm trebuie apoi transportată în citoplasmă. Procariotele, printre care se numără bacteriile și arheele, nu au nici nuclee înconjurate de membrană, nici organite, iar transcrierea are loc în citoplasma celulei. Transcrierea, atât la procariote cât și la eucariote, se desfășoară în trei etape: inițierea, alungirea și terminarea.
Iniţierea
Procesul de transcriere este inițiat prin deschiderea parțială a elicei duble de ADN în regiunea în care se va petrece sinteza ARNm. O asemenea regiune se numește bulă de transcriere. Inițierea continuă cu legarea proteinelor și enzimelor implicate în acest proces de o secvență de ADN numită promotor. Cel mai adesea promotorii sunt plasați în amonte de genele pe care le reglează. Secvența specifică a unui promotor este foarte importantă deoarece ea determină cât timp este transcrisă gena corespunzătoare: tot timpul, uneori, sau aproape niciodată (Figura 7.2).
Figura 7.2: Faza de inițiere a transcrierei începe cu deschiderea ADN-ului, formând astfel o bulă de transcriere, după care enzimele și alte proteine implicate în transcriere se leagă de promotor.
Alungirea
Transcrierea pornește întotdeauna de la una dintre cele două catene de ADN numită catenă șablon. Molecula de ARNm este complementară catenei șablon și este aproape identică cu cealaltă catenă de ADN, numită catenă non-șablon, cu excepția faptului că ARN-ul conține uracil (U) în locul timinei (T) din ADN. În timpul alungirii, o enzimă numită ARN–polimerază acționează de-a lungul șablonului de ADN și adaugă catenei de ARNm nucleotide asociate cu bazele din șablon, într-un mod similar replicării ADN-ului. Există, totuși, o diferență între aceste doua procese: șuvița (catena) de ARNm sintetizată în timpul transcrierii nu rămâne legată de șablonul de ADN. Pe măsură ce se desfășoară alungirea, ADN-ul este derulat continuu în fața ARN–polimerazei și răsucit în spatele acesteia (Figura 7.3).
Figura 7.3: În timpul fazei de alungire, ARN-polimeraza urmărește șablonul de ADN, sintetizează ARNm pe direcția 5′ – 3′, închide și apoi redeschide ADN-ul pe măsură ce îl citește.
Terminarea
Odată ce o genă este transcrisă, ARN–polimeraza procariotă trebuie instruită să se disocieze de șablonul de ADN și să elibereze catena de ARNm-ul nou creată. În funcție de gena care este transcrisă, există două tipuri de semnale de terminare; ambele semnale implică prezența în șablonul de ADN a unor secvențe repetate de nucleotide care conduc la blocarea ARN–polimerazei, părăsirea șablonului de ADN și eliberarea „rețetei” ARNm. Procesul de transcriere este complet o dată ce faza de terminare este completă.
Într-o celulă procariotă, în timp ce faza de terminare este în curs, transcrierea putea să fi fost deja utilizată pentru sintetizarea parțială a numeroase copii ale proteinei codificate; aceasta se datorează faptului că aceste procese pot avea loc simultan folosind mai mulți ribozomi (poliribozomi) (Figura 7.4). În contrast, prezența unui nucleu într-o celulă eucariotă exclude posibilitatea ca transcrierea și traducerea să se desfășoare simultan.
Figura 7.4: Polimeraze multiple pot transcrie o singură genă bacteriană, în timp ce numeroși ribozomi traduc simultan „rețetele” ARNm în polipeptide. În acest fel, o proteină specifică poate ajunge rapid la o concentrație ridicată într-o celulă bacteriană.
Procesarea ARN-ului eucariot
La eucariote, molecula de ARNm nou transcrisă trebuie să treacă prin mai multe etape de procesare înainte de a fi transferată din nucleu în citoplasmă, acolo unde urmează a fi tradusă într-o proteină. Etapele suplimentare implicate în maturarea ARNm-ului eucariot au ca rezultat o moleculă mult mai stabilă decât cea de ARNm procariot. De exemplu, molecula de ARNm eucariot durează câteva ore, în timp ce molecula de ARNm procariot nu durează tipic mai mult de cinci secunde.
„Rețeta” ARNm este mai întâi căptuşită cu proteine capabile să stabilizeze ARN-ul pentru a preveni degradarea acestuia pe durata procesării și exportului ei din nucleu. Acest lucru se întâmplă în timp ce precursorul de ARNm (pre-ARNm) este în curs de sintetizare și constă în adăugarea unui „cap” special de nucleotide la capătul 5′ al „rețetei” în creștere. Pe lângă prevenirea degradării, factorii implicați în sinteza proteinelor recunosc capul drept locul unde ribozomii inițiază traducerea. Odată ce alungirea este completă, o enzimă adaugă un șir de aproximativ 200 de reziduuri de adenină la capătul 3′ al „rețetei”, formând așa-numita „coadă” poly-A. Această modificare protejează suplimentar pre-ARNm-ul de degradare și semnalează către factorii celulari că „rețeta” este gata de export în citoplasmă.
Genele eucariote sunt compuse din secvențe de codificare a proteinelor numite exoni (expressed region) și secvențe intermediare numite introni (intragenic region). Pe lângă secvențele propriu-zise de codificare a proteinelor, exonii conțin, în general, ambele capete ale ARNm – regiunile netraduse 5’ și 3’ – care, la rândul lor, conțin codonii de pornire și de oprire. Secvențele de introni din ARNm nu codifică proteine funcționale. Dimensiunea unui intron poate varia de la zeci până la mii de perechi de baze. Intronii pot fi găsiți într-o mare varietate de gene generatoare de ARN ale majorității organismelor vii și ale virusurilor.
Intronii sunt îndepărtați și degradați din pre-ARNm în timpul procesării, mai exact când pre-ARNm se află încă în nucleu. Este vital ca, înainte de începerea sintezei proteinelor, toți intronii pre-ARNm să fie îndepărtați complet (fără nucleotide de intron rămase în urmă) și precis (fără nucleotide de exon șterse accidental), astfel încât unirea exonilor cu scopul de a codifica un aminoacid să se realizeze corect. Dacă procesarea greșește chiar și cu o singură nucleotidă, secvența exonilor reuniți este deplasată iar proteina rezultată este nefuncțională. Procesul de eliminare a intronilor și reconectarea exonilor se numește matisare (Figura 7.5).
Figura 7.5: ARNm-ul eucariot conține introni care trebuie să fie eliminați. Se adaugă, de asemenea, un cap la 5′ și o coadă la 3′.