Partea a VII-a: Funcția heterocatalitică a acizilor nucleici

Traducerea ARN-ului

Procesul de traducere sau sinteză a proteinelor este unul dintre cele mai consumatoare procese metabolice ale unei celule. La rândul lor, proteinele au mai multă masă decât orice altă componentă a organismelor vii (cu excepția apei) iar proteinele îndeplinesc o varietate de funcții ale celulei. Procesul de traducere înseamnă decodarea unui mesaj ARNm într-un produs polipeptidic. Aminoacizii sunt legați împreună prin legaturi covalente în serii sau secvențe a căror lungime variază între 50 și 1000 de aminoacizi (aproximativ).

Instalația de sinteză a proteinelor

Pe lângă „rețeta” ARNm, la procesul de traducere participă un număr mare de molecule. Compoziția fiecărei componente implicate în traducere poate varia în funcție de specie; astfel, numărul de molecule de ARN ribozomal (ARNr) și de polipeptide din ribozomi variază de la organism la organism. Cu toate acestea, structura generală și funcțiile instalației de sinteză a proteinelor rămân comparabile de la bacterii până la celule umane. Traducerea necesită prezența următoarelor elemente: o „rețetă” ARN mesager, ribozomi, ARN de transport și mai mulți factori enzimatici (Figura 7.6).

Codul genetic

Informația necesară sintezei proteice este stocată în macromoleculele de ADN, al căror limbaj este codificat cu ajutorul a 4 simboluri (A, T, C și G) corespunzătoare celor 4 baze azotate (adenina, timina, citozina, guanina). Procesul celular de transcriere generează ARN mesager (ARNm), care este o copie moleculară mobilă a uneia sau mai multor gene ADN, alcătuită cu ajutorul alfabetului A, U (uracil), C și G. Traducerea „rețetei” ARNm înseamnă transformarea informațiilor genetice din nucleotidele ARNm într-un produs proteic. Secvențele de proteine din natură conțin 20 de aminoacizi ordonați și aranjați în nenumărate moduri (Figura 7.7). Varietatea remarcabilă a structurii și funcțiilor proteinelor dintr-un organism este o consecință a varietății configurațiilor celor 20 de aminoacizi în cadrul catenelor polipeptidice.

Deoarece ADN-ul este format din 4 tipuri de nucleotide iar proteinele sunt alcătuite din 20 de tipuri de aminoacizi, nu este posibil să se facă o corespondență între o nucleotidă și un aminoacid. Matematicianul George Gamow a demonstrat că pentru codificarea celor 20 de tipuri de aminoacizi sunt necesare 3 nucleotide. Raționamentul său este exprimat de următoarea inegalitate:

16 = 4² < 20 <= 64 = 4³

Astfel, fiecărui aminoacid din catena polipeptidică îi corespunde o succesiune de 3 nucleotide sau baze azotate, care sunt cunoscute sub numele de codon triplet sau simplu codon (Figura 7.8).

Conținutul în aminoacizi (inclusiv ordinea acestora) al secvenței proteice rezultată prin traducere este determinat indirect, via ARNm, de ordinea bazelor azotate din structura ADN-ului. Traducerea informaţiei genetice din ADN / ARNm (limbaj bazat pe nucleotide) într-o catenă polipeptidică (limbaj bazat pe aminoacizi) se realizează după un set strict de reguli ce alcătuiesc codul genetic Codul genetic este sistemul biochimic care stabilește corespondența dintre acizii nucleici și proteine sau, echivalent, dintre codoni și aminoacizi.

Faptul că nu există o corespondență unu-la-unu între codoni și aminoacizi face codul genetic degenerat. Aceasta înseamnă că pot apare situații de genul mai mulți codoni codifică același aminoacid. Astfel de codoni se numesc codoni sinonimi și ei diferă doar la a treia nucleotidă. Cu excepția triptofanului și a metioninei, fiecare aminoacid este codificat de cel puțin 3 codoni sinonimi. Există trei aminoacizi – arginina, leucina și serina – care sunt codificați de 6 codoni sinonimi.

Din cei 64 de codoni ai codului genetic, 61 codifică aminoacizi și se numesc codoni sens. Există doi codoni sens, notați AUG și GUG, care necesită o mențiune specială. Acești codoni, care codifică metionina și valina, au rolul de a da startul sintezei proteice, motiv pentru care ei se mai numesc codoni START sau codoni de inițiere.

Cei 3 codoni care nu sunt implicați în codificarea aminoacizilor se numesc codoni nonsens. Ei sunt importanți pentru citirea mesajului genetic purtat de ARNm. Codonii nonsens sunt notați UAA, UGA și UAG și ei marchează locul unde se oprește decodificarea informației genetice, motiv pentru care ei se mai numesc codoni STOP sau codoni de încheiere. Acești 3 codoni practic determină sfârșitul sintezei proteice. Codonii START și STOP sunt numiți uneori semnele de punctuație ale codului genetic.

Direcţia de citire a „rețetei” ARNm este de la 5′ spre 3′, la fel ca replicarea și transcrierea.

Codul genetic este universal. Cu câteva excepții, practic toate speciile folosesc același cod genetic pentru sinteza proteinelor, ceea ce este o dovadă elocventă că toate viețuitoarele de pe Pământ au o origine comună.

Mecanismul de sinteză a proteinelor

La fel ca în cazul sintezei ARNm, sinteza proteinelor poate fi împărțită în trei faze: inițiere, alungire și terminare. Procesul de traducere este similar la procariote și eucariote. Aici vom explora cum are loc traducerea în Escherichia coli, o procariotă reprezentativă, și vom specifica toate diferențele între traducerea procariotă și cea eucariotă.

Sinteza proteinelor începe cu formarea unui complex de inițiere. În E. coli, acest complex implică subunitatea mică a ribozomului, „rețeta” ARNm, trei factori de inițiere și un inițiator special ARNt. Inițiatorul ARNt interacționează cu codonul de pornire AUG și se leagă de o formă specială de aminoacizi numită metionină, care este de obicei îndepărtată din polipeptidă după finalizarea traducerii.

Elementele de bază ale alungirii polipeptidice sunt aceleași la procariote și eucariote, așa că vom studia alungirea din perspectiva E. coli. Subunitatea ribosomală mare a E. coli este formată din trei compartimente. Compartimentul A leagă moleculele de ARNt încărcate (ARNt-uri cu aminoacizii lor specifici atașați). Compartimentul P leagă ARNt încărcați, care poartă aminoacizi ce au format legături cu lanțul polipeptidic în creștere, dar care nu s-au disociat încă de ARNt-ul corespunzător. Compartimentul E eliberează ARNt disociați, astfel încât să poată fi reîncărcați cu aminoacizi liberi. Ribozomul schimbă câte un codon, catalizând fiecare proces care are loc în cele trei secțiuni. Cu fiecare etapă, un ARNt încărcat intră în complex, polipeptida devine mai lungă cu un aminoacid și un ARNt neîncărcat este îndepărtat. Energia necesară pentru formarea fiecărei legături dintre aminoacizi este derivată dintr-o moleculă similară cu adenozina trifosfat (ATP) numită guanozină trifosfat (GTP) (Figura 7.9). În mod uimitor, durata procesului de traducere al E. coli pentru adăugarea unui aminoacid este de doar 0,05 secunde, ceea ce înseamnă că o polipeptidă de 200 aminoacizi poate fi tradusă în doar 10 secunde.

Terminarea traducerii are loc atunci când se întâlnește un codon stop (UAA, UAG sau UGA). Când ribozomul întâlnește codonul stop, polipeptida în creștere este eliberată și subunitățile ribozomului se disociază și părăsesc ARNm-ul. După ce mai mulți ribozomi au finalizat traducerea, ARNm-ul este degradat, astfel încât nucleotidele pot fi refolosite într-o altă reacție de transcriere.

Referințe:

1. Fowler, Samantha, et al. Concepts of Biology. OpenStax College, Rice University, 2013. Download for free at: https://openstax.org/details/books/concepts-biology.
2. Clark, Mary, Jung Choi, and Matthew Douglas. Biology 2E. 2018. Access for free at https://openstax.org/details/books/biology-2e.