Dr. Mircea Leabu, Ribosomul; biosinteza i destinaia intracelular a proteinelor

1

Ribosomul Definiia ribosomului i semnificaia biologic a funciei ribosomale Ribosomul este un organit celular, nedelimitat de endomembran, cu o geometrie sferoidal (diametrul de ~20nm), format din dou subuniti ribonucleoproteice (o subunitate mare, respectiv o subunitate mic), avnd ca rol biosinteza de proteine. Biosinteza oricrei proteine ncepe n citosol, indiferent care este locaia i/sau destinaia final a acesteia (vezi mai jos comentariile referitoare la destinul proteinelor nou sintetizate). Proteinele sunt componentele moleculare care fac ca informaia genetic s capete semnificaie funcional. Proteinele sunt principalii efectori la nivelul oricrui proces celular. Inclusiv procesele prin care informaia genetic este conservat, transmis, sau ajunge s fie folosit (replicare, transcriere, traducere) sunt efectuate, sau dependente de proteine. Aadar, producerea de proteine, adic funcia ribosomal este esenial pentru existena i funcionarea celulelor. Exist proteine care sunt produse constitutuiv n celul, dar i proteine care sunt produse numai atunci cnd nevoile o impun. Chiar i pentru proteinele care sunt produse constitutiv, nivelul lor de exprimare poate varia ca urmare a unor continue schimbri n cantitatea de care celula are nevoie la un moment dat. n plus, spectrul de proteine necesar activitii normale a celulelor depinde de la un tip la altul de celul, reprezentnd ceea ce numim fenotipul celular. Aceast variabilitate n tipurile de proteine exprimate de diferitele tipuri celulare este rezultatul procesului de difereniere celular. Mai mult, bagajul de proteine al unei celule (tipuri/cantitate) este n continu dinamic impus de adaptarea celulei la condiiile n care se afl. Asta nseamn c funcia ribosomului trebuie s fie riguros controlat i modulat. Prin aceasta celula i asigur n permanen echilibrul adecvat al bagajului proteic necesar adaptrii la situaiile impuse de ansamblul mesajelor interne i externe pe care le primete, sau i le construiete. Organizarea ultrastructural i molecular a ribosomului Aa cum s-a amintit nc de la discuia general asupra celulei (din Introducere), ribosomul este un organit comun procariotelor i eucariotelor. Mai mult, organizarea ultrastructural este asemntoare la ambele tipuri de celule: o subunitate mic i o subunitate mare. Ambele subuniti sunt complexe ribonucleoproteice. Aceste subuniti se asociaz numai n momentul exercitrii funciei ribosomului i se disociaz atunci cnd producerea de protein se oprete. Aici ns asemnrile dintre ribosomii procariotelor i eucariotelor se cam termin. Detaliile ultrastructurale i ale organizrii moleculare ale ribosomului evideniaz diferene la cele dou tipuri celulare. S le parcurgem pe rnd, ntr-o ordine care ine de descrierea tot mai amnunit. Subunitile ribosomale au constante de sedimentare mai mici la procariote dect la eucariote. Adic, subunitatea mic la procariote are o constant de sedimentare n cmp centrifugal de 30S1, iar cea a ribosomilor eucariotelor de 40S. Subunitatea mare a ribosomului este de 50S la procariote, respectiv 60S la eucariote. Ribosomul funcional, adic complexul format prin asocierea celor dou subuniti are 70S la procariote i 80S la eucariote. n privina maselor moleculare ale complexelor ribonucleoproteice care formeaz subunitile acestea sunt, n kDa:

1. pentru subunitile mici 900 la procariote i 1400 la eucariote; 2. pentru subunitile mari 1600 la procariote i 2800 la eucariote; 3. pentru ribosomii funcionali 2500 la procariote, respectiv 4200 la eucariote, evident mrimi

aditive, ceea ce nu se observ i n privina constantelor de sedimentare, dovedind c asamblarea se face cu rearanjri conformaionale.

1 S este simbolul unei uniti de masur a coeficienilor de sedimentare n cmp centrifugal, numit svedberg, dup numele chimistului suedez, Theodor Svedberg. Svedbergul este o unitate de msur din afara sistemului internaional de uniti i este egal cu 10-13 secunde (100fs, adic 100 femtosecunde). Theodor Svedberg (1884 1971) i-a desfurat activitatea la Universitatea din Uppsala. El a fost laureat cu Premiul Nobel pentru chimie n 1926, ca apreciere a lucrrilor sale n chime coloidal i pentru inventarea centrifugii. Motivaia juriului a sunat laconic: "for his work on disperse systems".

Dr. Mircea Leabu, Ribosomul; biosinteza i destinaia intracelular a proteinelor

2

Caracteristicile fizico-chimice menionate mai sus, sunt motivate de organizarea molecular diferit a ribosomilor n cele dou tipuri celulare. Astfel, subunitatea mic a ribosomilor din procariote conine o singur molecul de acid ribonucleic ribosomal (ARNr) de 1540 nucleotide (constant de sedimentare 16S) i 21 de proteine. Subunitatea mic a ribosomilor eucariotelor conine tot o molecul de ARNr, dar mai mare (1900 nucleotide, 18S) i mai multe proteine (cel puin 33). Subunitatea mare a ribosomilor procariotelor conine 2 molecule de ARNr (120 nucleotide/5S, respectiv 2900 nucleotide/23S), la care se adaug 34 proteine, n timp ce subunitatea mare a ribosomilor eucariotelor conine 3 molecule de ARNr (120 nucleotide/5S, 160 nucleotide/5,8S, respectiv 4700 nucleotiode/28S) i cel puin 49 de proteine. Anticipm, ceea ce aici poate prea speculativ, c organizarea molecular mai complex a ribosomului eucariotelor permite i modularea i/sau controlul funciei sale mult mai nuanate, mai potenate. Acest lucru atrage un avantaj pentru celul n sensul creterii capacitii de a modula bagajul proteic i, prin aceasta, de a se adapta mai eficient la o diversitate de condiii care pot varia n intervale mai largi sau mai nguste. La microscopul electronic, ribosomul funcional al celulei eucariote se observ ca o structur granular, electrono-opac, sferoidal cu diametrul de 20-22nm. Cnd seciunile ultrafine trec prin celul favorabil se poate sesiza c ribosomii sunt distribuii n grupe cu dispoziie spiralat. Aceste grupuri au fost denumite poliribosomi (vezi mai jos explicaia acestei stri de fapt). Descrierea de principiu a corelaiei structur-funcie la nivelul ribosomului Funcia ribosomului este aceea de biosintez a proteinelor. Aadar, funcia ribosomului este un proces complex ce poate fi asemnat cu orice activitate productiv. Ei bine, pentru a produce ceva este nevoie de un proiect de execuie a procesului, o instalaie care s realizeze etapele procesului de producere i de materia prim necesar producerii acelui ceva. n biosinteza proteinelor proiectul este reprezentat de molecula de acid ribonucleic mesager (ARNm), purttorul informaiei pe baza creia se biosintetizeaz proteina. La nivelul lanului unui ARNm informaia pentru fiecare aminoacid din structura proteinei, al crei proiect este, se afl sub forma unui triplet de nucleotide denumit codon. Totalitatea codonilor formeaz codul genetic, iar semnificaia lor este prezentat n Tabelul I. Se observ la analiza datelor din tabel c exist numai doi aminoacizi care au cte un singur codon: metionina i triptofanul. Mai mult, codonul metioninei, AUG, are i semnificaia START al traducerii, atunci cnd apare pentru prima dat n secvena ARNm. Numrul maxim de codoni pentru un aminoacid este de 6, ca n cazul argininei, leucinei i serinei. Codul genetic este definit mai elaborat ca setul de reguli dup care informaia codificat n materialul genetic este decodificat i tradus din limbajul nucleotidelor (aa cum se afl n ADN i ARN) n limbajul aminoacizilor, adic la proteine, care sunt efectorii acelei informaii. Trebuie fcut meniunea c regulile ce formeaz codul genetic nu se aplic secvenelor reglatorii de la nivelul genelor. Codul genetic este degenerat, sau redundant n sensul c un aminoacid poate fi codificat de mai muli codoni. Degenerarea nu este biunivoc, adic reciproca afirmaiei din fraza anterioar nu este adevrat. Un codon nu poate codifica mai muli aminoacizi. Aceasta nseamn lips de ambiguitate n codul genetic. Aadar, codul genetic este degenerat, dar nu ambiguu. niruirea codonilor determin secvena de aminoacizi a proteinei. ARNm din celulele eucariote are o structur specific prin care se nchide ntr-o bucl. Lipsa capetelor libere, rezultat prin nchiderea ARNm n aceast bucl i asigur rezisten mpotriva degradrii. Bucla se formeaz prin ataarea capului 5 al ARNm (care se termin cu un capac format dintr-un 7metil-guanozino-trifosfat) la captul 3 al lanului polinucleotidic (format dintr-o structur poliadenilic ce conine 150 250 nucleotide adenilice). La stabilizarea acestei interaciuni particip i o serie de proteine care, n acelai timp, sunt factori de control i modulare a iniierii biosintezei proteinelor.

Dr. Mircea Leabu, Ribosomul; biosinteza i destinaia intracelular a proteinelor

3

Tabelul I. Semnificaia informaional a celor 64 de codoni ai codului genetic. Corespondena n aminoacizi pentru 61 dintre codoni, trei fiind codoni nonsens, reprezentnd codonii STOP. Semnificaia culorilor: portocaliu hidrofob/nepolar; rou pozitiv/bazic; albastru negativ/acid; bleu hidrofil.

A doua baz A C G U

A

AAA (Lys/K) lizin

AAC (Asn/N) asparagin

AAG (Lys/K) lizin

AAU (Asn/N) asparagin

ACA (Thr/T) treonin

ACG (Thr/T) treonin

ACU (Thr/T) treonin

ACC (Thr/T) treonin

AGA (Arg/R) arginin

AGC (Ser/S) serin

AGG (Arg/R) arginin

AGU (Ser/S) serin

AUA (Ile/I) izoleucin

AUC (Ile/I) izoleucin

AUG * (Met/M) metionin

AUU (Ile/I) izoleucin

C

CAU (His/H) histidin

CAC (His/H) histidin

CAA (Gln/Q) glutamin

CAG (Gln/Q) glutamin

CCA (Pro/P) prolin

CCC (Pro/P) prolin

CCG (Pro/P) prolin

CCU (Pro/P) prolin

CGA (Arg/R) arginin

CGC (Arg/R) arginin

CGG (Arg/R) arginin

CGU (Arg/R) arginin

CUA (Leu/L) leucin

CUC (Leu/L) leucin

CUG (Leu/L) leucin

CUU (Leu/L) leucin

G

GAA (Glu/E) acid glutamic

GAC (Asp/D) acid aspartic

GAG (Glu/E) acid glutamic

GAU (Asp/D) acid aspartic

GCA (Ala/A) alanin

GCC (Ala/A) alanin

GCG (Ala/A) alanin

GCU (Ala/A) alanin

GGA (Gly/G) glicin

GGC (Gly/G) glicin

GGG (Gly/G) glicin

GGU (Gly/G) glicin

GUA (Val/V) valin

GUC (Val/V) valin

GUG (Val/V) valin

GUU (Val/V) valin

Prima baz

U

UAU (Tyr/Y) tirozin

UAC (Tyr/Y) tirozin

UAA (STOP)

UAG (STOP)

UCA (Ser/S) serin

UCC (Ser/S) serin

UCG (Ser/S) serin

UCU (Ser/S) serin

UGA (STOP)

UGC (Cys/C) cistein

UGG (Trp/W) triptofan

UGU (Cys/C) cistein

UUA (Leu/L) leucin

UUG (Leu/L) leucin

UUU (Phe/F) fenilalanin

UUC (Phe/F) fenilalanin

* Codonul AUG reprezint codonul START la prima apariie n ARNm (de aceea este n verde, semnificaie: cale liber), apoi codific metionina. ARNm conine (Fig. X), n afar de secvena de nucleotide format din codonii ce semnific aminoacizii ce vor intra n structura primar a proteinei, dou poriuni necodificatoare ctre cele dou capete (5, respectiv 3), notate cu 5UTR (regiunea dinspre captul 5, dinaintea codonului START) i 3UTR (regiunea de dup codonul STOP, pn la structura poliadenilic de la capatul 3). UTR reprezint abrevierea sintagmei englezeti untranslated region. Aceste regiuni necodificatoare sunt implicate n controlul, reglarea i modularea funciei i vieii ARNm. De exemplu, poriunea 3UTR este zona de interaciune a ARNm cu microARN (abrevierea interanional miRNA). Legarea miRNA la 3UTR atrage o mai rapid deadenilare a structurii poliadenilice i grbirea degradrii ARNm prin ribonucleaze.

Dr. Mircea Leabu, Ribosomul; biosinteza i destinaia intracelular a proteinelor

4

Instalaia utilizat de celule pentru producerea proteinelor este ribosomul care se formeaz prin asocierea unei subuniti mici cu una mare, n momentul n care un ARNm trebuie tradus n lan polipeptidic. Detalii asupra organizrii molecular-spaiale a ribosomului vor fi discutate puin mai jos. Materia prim este reprezentat de complexe formate de acizii ribonucleici de transfer (ARNt2) cu aminoacizii. ARNt la eucariote, indiferent de aminoacidul pe care l poart, este un polinucleotid ce conine ~80 (de regul ntre 74 i 95) nucleotide, astfel organizat spaial nct structureaz 4 regiuni n dublu helix, intercalate cu trei bucle cu nucleotide nemperechiate. Datorit acestei organizri este comparat cu o frunz de trifoi. Dintre cele trei bucle, una este denumit bucl anticodon, deoarece conine anticodonul, o a doua este denumit bucla D, iar cea de-a treia este denumit bucla T. Capetele 5 i 3 ale ARNt formeaz dublul helix n ceea ce ar putea fi considerat zona peiolului frunzei, dar defazat, captul 3 rmnnd nemperecheat i terminndu-se cu tripletul CCA. Aminoacidul corespunztor anticodonului este legat la adenina nucleotidului terminal, prin gruparea carboxilic. Structura tridimensional a ARNt reprezint o asemenea mpachetare a moleculei astfel nct are aspectul literei L cu bucla anticodon la capatul unui bra al lui L (aadar accesibil interaciunii cu codonul din ARNm), iar aminoacidul ataat expus la captul celuilalt bra al lui L (accesibil, de fapt, sitului din ribosom care catalizeaz formarea legturii peptidice necesare n alungirea lanului polipeptidic, adic legtura ce se formeaz n procesul de translaie). Deoarece codul genetic este degenerat, rezult c pot exista mai muli ARNt pentru acelai aminoacid. Bagajul maxim de tipuri de ARNt dintr-o celul poate fi de 61 (deoarece trei din cele 64 de variante posibile de codoni, vezi Tabelul I, sunt codoni nonsens, adic acei codoni care semnific terminarea procesului de translaie). n realitate nu toate celulele conin toi cei 61 de ARNt. Acest lucru se datoreaz faptului c primul nucleotid din anticodon este unul modificat (inozin, sau pseudouridin). Aceste nucleotide neuzuale se caracterizeaz prin uurina cu care se mperecheaz cu mai multe tipuri de nucleotide din codon, fr afectarea procesului de translaie. Fenomenul se numete mperechere tremurat/ezitant a bazelor (wobble base pairing) i are ca efect capacitatea aceluiai ARNt de a se ataa la mai muli codoni ai aminoacidului pe care l poart, chiar dac nu la toi. Altfel spus indiferent care ar fi codonul din ARNm coresounztor unui anumit aminoacid, anticodonul cu prima baz modificat face o identificare corect. Asta nseamn c celula poate utiliza toi codonii, chiar dac nu are toi ARNt corespunztori. Aadar, procesul de biosintez a proteinelor nseamn o utilizare a informaiei genetice nmagazinat, sub form de codoni din ARNm, cu trecerea ei de la limbajul nucleotidelor la limbajul aminoacizilor, fenomen denumit translaie (termen introdus n biologie cu sensul de traducere, pentru o mai mare asemnare cu noiunea englezeasc). Producerea oricrei proteine dintr-o celul este rezultatul unei traduceri a unui ARNm. S revenim acum la descrierea ribosomului, instalaia care realizeaz procesul de biosintez a proteinelor n celul. n organizarea spaial a ribosomului, rezultat prin asocierea funcional a celor dou subuniti, se definesc 4 elemente structurale ce se constituie prin apoziii adecvate ale unor suprafee i/sau spaii ale subunitilor, elemente care asigur funcionalitatea organitului:

1. un canal pentru acomodarea lanului acidului ribonucleic mesager; acest canal se formeaz prin contribuia unor anuri din structura fiecrei subuniti;

2. un sit A obinut prin corecta poziionare la nivelul ribosomului a dou spaii ale subunitilor mare, respectiv mic; acest sit este cel care primete, ca urmare a unei interaciuni de mare specificitate ntre codonul din ARNm i anticodonul din ARNt, acidul ribonucleic de

2 Mai puin utilizat pentru ARNt este i denumirea de acid ribonucleic de transport. Aceast denumire poate fi justificat de faptul c ARNt transport aminoacidul din citosol la nivelul sitului corespunztor al ribosomului. Denumirea larg utilizat este ns acid ribonucleic de transfer implicnd faptul c odat ataat la ribosom, aminoacidul din complexul aminoacil-ARNt primete prin transfer, la gruparea amino, lanul polipeptidic n curs de formare, poziionat ntr-un alt sit din organizarea spaial a ribosomului.

Dr. Mircea Leabu, Ribosomul; biosinteza i destinaia intracelular a proteinelor

5

transport, care poart aminoacidul (N.B. pentru uurarea reinerii: sit A cu A de la aminoacid);

3. un sit P format prin poziionarea adecvat a unor alte spaii din subunitile mic, respectiv mare; acest sit acomodeaz ARNt care poart lanul polipeptidic n alungire; pe masur ce lanul polipeptidic crete este mpins n afar, depind limitele ribosomului (sit P, cu P de la peptid);

4. un sit E (E de la exit) n care ajunge ARNt din situl P, dup ce pierde lanul peptidic n curs de alungire, prin transferul ctre aminoacil-ARNt din situl A; ajuns aici interaciunea ARNt liber (necomplexat cu peptidul n cretere) cu componentele moleculare care organizeaz suprefeele spaiului sitului E devin att de slabe nct ARNt liber prsete ribosomul ajungnd n citosol, de unde poate intra ntr-un nou ciclu prin recomplexare cu aminoacidul specific.

O nelegere mai complet a legturii dintre modul n care ribosomul este organizat i modul n care el funcioneaz va fi asigurat prin descrierea procesului de biosintez a proteinelor. Biosinteza proteinelor Biosinteza proteinelor este un fenomen celular ce se desfoar la nivelul ribosomilor i are trei etape:

1. Etapa de iniiere, prin care la captul 5 al ARNm se leag un complex pe care l formeaz subunitatea mic a ribosomului cu un factor de iniiere i ARNt ce poart aminoacidul corespunztor codonului START;

2. Etapa de elongare, care se desfoar ciclic (avnd trei pai) i este asigurat de asamblarea ribosomului (cuplarea celor dou subuniti) la nivelul codonului START; numrul de cicluri depinde de lungimea lanului polipeptidic codificat de ARNm;

3. Etapa de terminare, care se petrece atunci cnd ribosomul ntlnete unul dintre codonii STOP, favorizndu-se eliberarea lanului polipeptidic format.

S ncercm n cele ce urmeaz s detaliem evenimentele ce se petrec n fiecare etap a biosintezei proteinelor. Etapa de iniiere este un proces selectiv i riguros reglat [1, 2], care presupune interaciunea dintre ambele capete ale buclei de ARNm i complexul de iniiere, format de subunitatea mic a ribosomului cu ARNt purtnd metionina, ataat la suprafaa corespunztoare sitului P i cu factorul de iniiere eucariotic eIF-2 (eIF de la eucariotic Initiating Factor), care este un comutator molecular, adic o protein monomeric ce prezint activitate GTP-azic (o GTP-az mic). Acest complex de iniiere se afl n stare activat, deoarece eIF-2 poart GTP. Interaciunea complexului de iniiere cu ARNm aflat sub form nchis (captul 5 ataat la captul 3) este favorizat de ali doi factori de iniiere eucariotici, eIF-4E i eIF-4G, care asigur i formarea buclei ARNm. Mai departe, etapa de iniiere presupune glisarea subunitii mici care poart ARNt-metionina i eIF-2/GTP (complexul de iniiere) de-a lungul ARNm, ctre captul 3, pn ntlnete codonul corespunztor metioninei (AUG), numit codon START la prima apariie. Ataarea ferm codon-anticodon este nsoit de hidroliza GTP (de pe eIF-2) la GDP i de eliberarea acestui factor de iniiere din structura complexului de iniiere. Ieirea eIF-2 din complexul de iniiere creaz premizele formrii ribosomului funcional prin ataarea subunitii mari. Formarea ribosomului determin structurarea celor trei situri A, P (ocupat n aceast faz de ARNt-metionin) i E. Asamblarea ribosomului reprezint finalizarea etapei de iniiere i trecerea la etapa de elongare. Etapa de elongare spuneam c este una ciclic avnd trei pai. Primul pas este legarea aminoacil-ARNt corespunztor codonului urmtor din structura ARNm la nivelul sitului A abia format. Controlul calitii acestei interaciuni aminoacil-ARNt-codon este asigurat de un factor de elongare, EF1 (cu EF de la Elongation Factor). EF1 este tot un comutator molecular (GTP-az

Dr. Mircea Leabu, Ribosomul; biosinteza i destinaia intracelular a proteinelor

6

mic) ce complexeaz aminoacil-ARNt n forma activat (coninnd GTP). Dup stabilirea interaciunii codon-anticodon corespunztoare, GTP este hidrolizat la GDP, EF1 se elibereaz de la nivelul ribosomului i se trece la pasul 2 al etapei de alungire. Acesta este reprezentat de transferul metioninei de pe ARNt din situl P, la gruparea amino a aminoacidului de pe ARNt din situl A, dac ne aflm n primul ciclu al alungirii (n cazul c ne aflm n ciclurile mai avansate, ARNt din situl P poart un peptid, iar transferul se realizeaz pentru acest peptid). Reacia de transfer, denumit activitate peptidil-transferazic, este asigurat (cel puin dup cum a fost dovedit la procariote) chiar de ARNr de la nivelul subunitii mari a ribosomului. Acest gen de activitate enzimatic, identificat la ARNr a fost denumit activitate ribozimic, iar la procariote este asigurat de ARNr de 23S [3, 4]. Transferul este nsoit de culisarea subunitii mari a ribosomului pe lungimea unui codon, ctre captul 3 al ARNm (dezorganiznd structura ribosomului i afectnd organizarea corect a celor trei situri funcionale, deoarece subunitatea mic rmne n urm). Pe de alt parte, la nivelul ribosomului astfel dezorganizat se ataaz factorul de elongare EF2 (tot o GTP-az mic). Culisarea subunitii mari cu un codon aeaz ARNt, rmas fr metionin, din situl P n situl E, de unde este eliberat. Pasul trei al etapei de elongare este asigurat de folosirea energiei eliberate de EF2, prin scindarea GTP la GDP i fosafat. Aceast energie contribuie la aducerea subunitii mici a ribosomului n poziia corect pentru refacerea siturilor funcionale A, P i E. n acest fel structura ribosomului este refcut, i urmtorul ciclu poate ncepe. Etapa de terminare este indus de ajungerea ribosomului, cu situl A corect structurat, la nivelul unui codon STOP. n aceast situaie situl A este ocupat de factorul de eliberare, care este o protein a crei conformaie mimeaz organizarea n L a unui aminoacil-ARNt, iar transferul ca urmare a activitii ribozimice reprezint de fapt adugarea unui hidroxil la captul carboxi-terminal al polipeptidului, cu eliberarea acestuia de la nivelul ribosomului. Cu toate siturile funcionale neocupate, ribosomul se desface, subunitile, mare, respectiv mic detandu-se de pe ARNm. Cele descrise mai sus reprezint evenimente de la nivelul unui singur ribosom. n realitate, pe un ARNm intrat n procesul de translaie, opereaz simultan, dar defazat mai muli ribosomi, organiznd intracelular ceea ce se numete poliribosom. Formarea poliribosomilor permite producerea simultan a mai multor uniti proteice de acelai fel, aadar eficientizarea procesului de biosintez. Este uor de neles, intuitiv, c numrul de ribosomi de la nivelul unui poliribosom este cu att mai mare cu ct lungimea proteinei codificate de ARNm corespunztor este mai mare. Dat fiind importana bagajului de proteine n funcionarea celulei, este evident ca biosinteza acestor macromolecule poate reprezenta o int terapeutic. Exist o serie de antibiotice care acioneaz prin interferarea cu calea de producere a proteinelor. Deoarece exist diferene de detaliu ntre producerea de proteine n celulele eucariote, fa de procesul de la nivelul procariotelor, antibioticele care afecteaz producerea de proteine numai la procariote sunt utilizate n tratamente antibacteriene. Enumerm cteva, specificnd nivelul la care acioneaz:

- rifamicina se leag de ARN-polimeraz, prevenind sinteza de ARN; - streptomicina blocheaz trecerea de la etapa de iniiere la cea de elongare inducnd i greeli

de decodare; - tetraciclina mpiedic legarea aminoacil-ARNt la situl A din ribosom (blocheaz pasul 1 al

elongrii); - cloramfenicolul acioneaz n pasul 2 al alungirii, blocnd reacia peptidil-transferazic; - eritromicina mpiedic culisarea ribosomului pe ARNm, adic blocheaz pasul 3 al elongrii.

Exist ns i antibiotice cu aciune att asupra procariotelor, ct i asupra eucariotelor, dar i antibiotice care acioneaz numai asupra biosintezei proteice n eucariote. Din prima categorie amintim:

- actinomicina D, care previne sinteza de ARN, interacionnd cu ADN i blocnd micarea ARN-polimerazei;

- puromicina, care provoac eliberarea prematur a lanurilor polipeptidice din ribosom, inserndu-se la captul proteinelor nainte de terminarea translaiei.

Dr. Mircea Leabu, Ribosomul; biosinteza i destinaia intracelular a proteinelor

7

Dintre antibioticile ce acioneaz numai asupra eucariotelor menionm: - -amanitina, care previne sinteza de ARNm, legndu-se preferenial la ARN-polimeraza II i

inhibndu-i funcia; - anizomicina, care blocheaz reacia peptidil-transferazic (mpiedic pasul 2 al elongrii); - cicloheximida, care blocheaz pasul 3 al elongrii, inhibnd culisarea ribosomului pe

ARNm.

Caseta . Antibioticele cu aciune doar asupra celulelor eucariote nu pot fi utilizate n scop terapeutic, dar sunt deosebit de utile n cercetare, n special pentru studii care urmresc n ce msur anumite procese celulare sunt sau nu dependente de sinteza de novo a proteinelor (adic de declanarea biosintezei unor proteine).

n ceea ce privete biosinteza proteinelor, funcia ribosomului este necesar, dar nu neaprat i suficient. Proteinele, ca orice macromolecul, trebuie s adopte o conformaie care s le asigure funcia i, mai mult, este necesar ca ele s se localizeze n celul acolo unde trebuie s acioneze. Celula i-a creat modaliti de rezolvare a tuturor acestor probleme. S prezentm mai departe aspecte generale legate de aceste fenomene celulare. mpachetarea corect a proteinelor tim de la chimia organic faptul c macromoleculele adopt conformaii stabile prin aranjri tridimensionale care s asigure o ncrctur energetic minim a respectivei entiti moleculare. Mai mult, exist la compuii macromoleculari cu mase foarte mari posibilitatea de a adopta mai multe conformaii de minim energetic fa de cele obinute prin rearanjri apropiate, chiar dac aceste conformaii nu reprezint minimul energetic absolut dintre conformaiile pe care respectiva macromolecul le poate adopta. Aceste aspecte sunt valabile i pentru proteine. Pe de alt parte conformaia care asigur forma activ a unei proteine nu trebuie considerat a fi aceea de minim energetic absolut. Acest lucru nseamn c asigurarea conformaiilor funcionale ale proteinelor nou sintetizate reprezint o problem pe care celula trebuie s o rezolve eficient, pentru a nu face risip de fore i mijloace. Rezolvarea acestei probleme a fost realizat de celul prin folosirea unor proteine speciale a cror funcie este aceea de a asigura asistarea lanurilor polipeptidice nou produse de a adopta conformaia corect, funcional. Aceste proteine sunt numite aperone (n englezete chaperone; conform regulii limbii romne prin care cuvintele noi din tiin se introduc la genul neutru, vom vorbi de aperon la singular i de aperone la plural). Dac vei verifica semantica termenului englezesc, vei gsi c este numele purtat de persoane care se ngrijesc de educarea, pentru o comportare corect n societate, a tinerilor, adic s fac ceea ce trebuie (n Merriam-Webster, definiia este urmtoarea: o persoan n vrst care nsoete un tnr/o tnr la ntruniri de societate pentru a asigura comportarea corespunztoare a acestuia/acesteia). Exist totui proteine a cror conformaie, corect asigurrii funcionalitii lor, este adoptat spontan (mpachetare spontan). Aceste proteine sunt cazuri de ans, deoarece putem nelege c asamblarea lor se face prin ntmplarea c interaciunile intramoleculare care se stabilesc spontan, pe masur ce lanul polipeptidic se alungete n timpul procesului de biosintez i prsete spaiul ribosomului, sunt chiar cele care asigur funcia proteinei respective. Recent au fost identificate, n diferite proteine, secvene cu rol n mpachetarea lor. Aceste secvene au fost numite aperone intramoleculare [5] i sunt de tip I i de tip II. aperonele intramoleculare de tip I sunt aflate la capetele N-terminale ale lanului polipeptidic i asist la realizarea structurii teriare a proteinei. aperonele intramoleculare de tip II sunt localizate la capetele C-terminale ale lanurilor polipeptidice i sunt, n principal, responsabile de asamblarea structurilor cuaternare. Ambele tipuri de secvene nu sunt implicate n funcia proteinelor i sunt eliminate prin proteoliz din lanurile polipeptidice iniiale, numite propeptide, dup definitivarea conformaiei funcionale. Evidenierea acestor secvene cu rol de aperone intramoleculare ne determin s ne punem ntrebarea dac vom mai putea vorbi de o mpachetare spontan propriu-zis a proteinelor. Rmne

Dr. Mircea Leabu, Ribosomul; biosinteza i destinaia intracelular a proteinelor

8

ns o ntrebare fr rspuns clar, atta timp ct activitatea secvenelor cu rol de aperone intramoleculare a fost dovedit n experimente in vitro i nu exist pn n prezent dovezi c lucrurile se petrec la fel in vivo, adic n celule. De regul, asamblarea conformaional corect este asigurat prin asistare (mpachetare asistat) realizat de aperone. Primele aperone identificate i descrise au fost cele denumite proteine de oc termic (abreviat HSP, de la heat shock protein). La celulele care erau supuse unor creteri de temperatur, 40-45oC [vezi minisinteza 6], era amplificat semnificativ exprimarea unor anumite proteine. Ulterior a fost dovedit c aceste proteine se supraexprimau i la supunerea celulelor la ali factori de stres i c erau menite a asigura conformaia proteinelor celulare n acele condiii de stres. Proteinele de oc termic sunt specii moleculare cu mase de la 20 la 110kDa (vezi Tabelul X) i sunt denumite i notate dup aceast caracteristic a masei moleculare (de exemplu HSP27, HSP60, HSP70, HSP90). n momentul de fa cunoatem mult mai multe aperone n celul dect cele reprezentate prin HSP. n sfrit, exist situaii n celul cnd, n ciuda mecanismelor de control i reglare, proteinele pot eua n procesul de adoptare a conformaiei corecte. n aceast situaie, intr n aciune un mecanism de degradare al acestor proteine a cror conformaie este incorect, prin intermediul unui organit nedelimitat de membran, numit proteasom. n cele ce urmeaz vom detalia aspecte legate de mpachetarea proteinelor asistat de aperone, apoi despre organizarea i funcionarea proteasomului. Tabelul X. Clasificarea proteinelor de oc termic n funcie de greutatea molecular. Sunt prezentate denumirile conform HUGO Gene Nomenclature Committee, precum i denumirile alternative, uzuale, ale unor reprezentani din organismele eucariote (albastru indigo) i ale omologilor lor de la procariote (rou).

Denumire Greutate molecular (kDa, valoare aprox.) Localizare celular

(la eucariote) Particulariti funcionale

(la eucariote)

Familia HSPE HSPE1 (Hsp10, GroES) 10 mitocondrie cofactor al Hsp60

Familia HSPB 34 HSPB (Hsp27, GrpE) 20-30 citosol/nucleu reglarea creterii i diferenierii

Familia DNAJ/HSP40 35-54 DNAJ (Hsp40, DnaJ) 40 colocalizare specific

cu partenerul de interaciune (Hsp70)

cofactor al Hsp70 (regleaz activitatea ATP-azic)

Familia HSPD/HSP60 55-64 HSPD1 (Hsp60, GroEL) 60 mitocondrie chaperone molecular implicat n

plierea proteinelor dup importul n mitocondrie

Familia HSPA/HSP70 65-80 HSPA1A (Hsp72, DnaK) 70 citosol/nucleu chaperone molecular nalt

inductibil la stres HSPA8 (Hsp73/Hsc70) 70 citosol/nucleu chaperone molecular cu expresie

constitutiv HSPA9 (mtHsp70/Grp75)

70 mitocondrie chaperone molecular cu expresie constitutiv

HSPA5 (BiP/Grp78) 70 reticul endoplasmic chaperone molecular cu expresie constitutiv

Familia HSPC/HSP90 81-99 HSPC (Hsp90, HtpG) 90 citosol/nucleu component a receptorului pentru

steroizi Familia HSPH/HSP110 110

HSPH2 (Hsp110, ClpA, ClpB)

100 citosol/nucleu chaperone molecular necesar pentru supravieuirea la stresuri severe

Dr. Mircea Leabu, Ribosomul; biosinteza i destinaia intracelular a proteinelor

9

Caseta . Descoperirea HSP reprezint un exemplu de cum o ntmplare nefericit poate fi transformat ntr-un avantaj pentru cunoaterea tiinific [7]; asta dac nu este nsoit de o atitudine necorespunztoare i nu este nlat la rang de catastrof. Povestea ar putea fi i un exemplu de ct de greu ptrund n literatura de specialitate noutile stranii, adic o dovad a ct de conservatori sunt unii membri ai comunitii tiinifice. Despre ce este vorba? La nceputul anilor 1960 n laboratorul lui Adriano Buzzati Traverso, de la Institutul de Genetic din Pavia, a fost organizat un curs la care au participat 10 tineri cercettori ntre care Ferruccio Ritossa, beneficiarul ntmplrii i John Pulitzer, Inge Rasmunssen, Clara Ghini i Giovanni Magni. Careva dintre ultimii patru menionai, a ridicat din greal sau neatenie, temperatura incubatorului n care Ritossa i inea probele de Drosophila. Rezultatul a fost c s-au detectat modificri de exprimare a genelor din cromozomii politeni din celulele glandelor salivare, cu apariia unor noi molecule de ARN. Cercettorul nu s-a panicat, nu s-a lamentat ci a ncercat s gseasc explicaia fenomenului. A constatat c aceleai molecule au fost produse de celule i dup stresuri chimice datorate unor decuplani ai ATP-azelor (dinitrofenol sau salicilat) sau dup anoxie. A fost elaborat o lucrare, la care Ritossa a fost ajutat de ceilali colegi, a cror eroare a dus la descoperire, fr pretenia de a fi coautori. Lucrarea a fost trimis la o revist de prestigiu. A fost respins, deoarece a fost considerat nerelevant pentru comunitatea tiinific. Ritossa nu a renunat, a continuat experimentrile n noua direcie i a reuit, n cele din urm s publice trei lucrri de pionierat n descoperirea HSP [8-10]. Acum putem aprecia ct de nerelevant a fost descoperirea pentru cunoaterea celulei.

mpachetarea asistat aperonele asist asamblarea proteinelor [11] i le ajut, n mod activ (adic utiliznd energie preluat din hidroliza ATP la ADP i fosfat) s adopte conformaia adecvat exercitrii funciei. Aici vom vorbi de mpachetarea asistat doar pentru proteinele a cror biosintez se definitiveaz n citosol. Menionm acest lucru deoarece, n ciuda faptului c biosinteza tuturor proteinelor dintr-o celul se iniiaz n citosol, nu ntotdeauna se i finalizeaz n citosol. Preluarea proteinelor la nivelul organitelor delimitate de endomembrane se face prin mecanisme specifice fie concomitent cu elongarea lor (deci simultan cu biosinteza, cum este n cazul reticulului endoplasmic), fie dup finalizarea biosintezei, dar nainte de mpachetarea lor final, chiar dac n unele situaii (de exemplu importul n peroxisom) asamblarea conformaional este avansat n timpul importului. Vom vedea la studiul organitelor delimitate de endomembrane c proteinele care ajung la nivelul acestora sunt asistate pentru adoptarea conformaiei corecte, dup ce ajung n organit, de aperone aflate n acele organite. Exist dou sisteme de mpachetare asistat pentru proteinele nou sintetizate n citosol, mai bine cunoscute din punct de vedere al mecanismului: mpachetarea prin HSP70 i mpachetarea prin HSP60. Activitatea de aperon a HSP70 se desfoar prin capacitatea acestora de a complexa lanul polipeptidic pe msur ce se alungete i prsete ribosomul, asigurnd mascarea eventualelor suprafee hidrofobe. Prin energia preluat de la ATP asigur asemenea rearanjri nct suprafeele hidrofobe sunt ajutate s se acopere unele pe altele n mperecheri adecvate, astfel nct proteina n conformaia final, funcional ascunde orice suprafa hidrofob la interior i se nvelete de suprafee hidrofile, acomodabile n mediul apos din citosol. Activitatea aperonic a HSP60 este cumva diferit. Acestea structureaz la nivelul citosolului cuti de asistare a mpachetrii n care sunt atrase, pe baza interaciunii cu suprafee hidrofobe, proteinele nou sintetizate. Aceste proteine recrutate n cutile foramte de HSP60, sunt separate de ambiana hidrofil a citosolului i, prin consum de energie preluat tot de la ATP, sunt ajutate s adopte conformaia corect, funcional. n timpul procesului accesibilitatea n interiorul cutii este blocat de o component cu rol de capac, care se deschide dup finalizarea procesului i permite eliberarea proteinei corect mpachetate. Modalitile prin care celula face controlul de calitate al fenomenelor de mpachetare asistat reprezint, n momentul de fa, direcii de cercetare provocatoare [12, 13]. Descifrarea unor

Dr. Mircea Leabu, Ribosomul; biosinteza i destinaia intracelular a proteinelor

10

asemenea procese reprezint parte integrant dintr-o problematic de cercetare recent definit i intitulat controlul calitii n celul. Eliminarea proteinelor ce eueaz n adoptarea conformaiei funcionale Aa cum am menionat mai sus, n ciuda mecanismelor de supraveghere i control activ n ceea ce privete asistarea proteinelor n adoptarea conformaiei funcionale, exist situaii (nimic nu este perfect) n care unele proteine nou sintetizate eueaz n mpachetarea corect. Aceste proteine sunt recunoscute de celul prin mecanisme specifice i supuse degradrii pentru eliminarea din bagajul proteic celular. Celula nu are nevoie i nu nmagazineaz, n condiii normale de funcionare, proteine inutile, nefuncionale. Degradarea proteinelor nefuncionale la nivelul citosolului se realizeaz prin proteasom. Proteasomul este organitul care diger i proteinele devenite nefuncionale, sau n exces, dup ce i-au fcut treaba pentru c fie iniial au fost corect mpachetate, dar au suferit alterri ulterioare, fie au fost produse mai abundent, ca rspuns la unele nevoi trectoare ale celulei. Proteasomul este un organit de natur proteic, cu o organizare relativ tubular, cu trei uniti structurale, una proteolitic, central, cilindric format din 14 polipeptide i dou reglatoare, de-o parte i de alta a unitii proteolitice, formate din 19 polipeptide [14, 15]. Aadar exist 33 de polipeptide care organizeaz proteasomul, a crui mas ajunge la 2500kDa. Constanta de sedimentare a proteasomului ntreg este de 26S, n timp ce a unitii proteolitice este de 20S, iar a unitilor reglatoare de 19S. De regul aceste uniti sunt amintite n textele tiinifice prin simbolurile acestor constante de sedimentare (de aceea le i amintim). Unitatea proteolitic se formeaz prin stivuirea a 4 inele, dou exterioare (la baza i buza cilindrului) formate din 7 subuniti omoloage i dou interioare (n partea median a peretelui cilindrului) formate din 7 subuniti omoloage. Compartimentul central al unitii proteolitice conine 6 situri de proteoliz. Accesul n unitatea proteolitic se face sub controlul poriunilor N-terminale ale subunitilor , care se ntreptrund, realiznd o structur de poart a crei stare nchis/deschis se afl sub controlul unitii reglatoare. Unitile reglatoare reprezint un fel de capace la unul sau ambele capete ale unitii 20S, proteolitice. Ele realizeaz cteva evenimente energetice (dependente de ATP), reprezentnd primele etape ale procesului de degradare din proteasom, cum ar fi:

(i) legarea proteinelor marcate (prin poliubiquitinare), destinate degradrii n proteasom; (ii) dezasamblarea lanului poliubiquitinic; (iii) desfacerea lanului proteic ce trebuie degradat pentru facilitarea accesului n compartimentul

central al unitii proteolitice. Proteinele care ajung la proteasom pentru degradare trebuie s fie marcate prin poli-ubiquitin. Ubiquitina este o polipeptid cu 76 aminoacizi, avnd o mas molecular de 8,5kDa i o structur nalt conservat n timpul evoluiei. Marcarea proteinelor identificate ca nefuncionale se face printr-un proces complex ce implic aciunea coordonat a trei enzime. O enzim ce activeaz ubiquitina legnd-o ca tioester, prin captul C-terminal, la o grupare SH proprie. Aceast enzim notat cu E1 este numit i enzim de activare a ubiquitinei. O a doua enzim, notat E2 i numit enzim de conjugare a ubiquitinei, care preia ubiquitina de la E1 tot prin formarea unei legturi tioesterice. Cea de-a treia enzim, implicat n marcarea proteinelor ce trebuie degradate n proteazom, este notat E3 se numete ubiquitin ligaz i transfer ubiquitina de pe E2, pe substrat (adic pe proteina ce urmeaz s fie degradat). Legarea pe substrat se face la o lizin, folosindu-se tot gruparea carboxil terminal a ubiquitinei. E3 se comport ca o platform ce leag att E2-ubiquitina, ct i substratul favoriznd transferul ubiquitinei la o lizin a acestuia din urm. E3 acioneaz de mai multe ori producnd eticheta poliubiquitinic. Acest proces poart denumirea de cascad de ubiquitinare. Sunt necesare cel puin 4 ubiquitine legate n lanul poliubiquitinic pentru a constitui o eticheta funcional, care s determine recrutarea proteinelor poliubiquitinate de ctre proteasom. Eticheta poliubiquitinic permite recrutarea complexului protein-poliubiquitin la nivelul

Dr. Mircea Leabu, Ribosomul; biosinteza i destinaia intracelular a proteinelor

11

proteasomului, prin aciunea unitii reglatoare 19S, iar aceast recrutare reprezint prima etap din procesul de degradare.

Caseta . Identificarea i descifrarea mecanismului prin care proteinele nefuncionale sunt degradate n citosol, prin implicarea ubiquitinei, au fost considerate de Comitetul de decernare ca justificate pentru acordarea Premiului Nobel n chimie pe anul 2004 trioului de oameni de tiin Aaron Ciechanover, Avram Hershko i Irwin Rose. Motivaia juriului a fost, ca de obicei, concis: "for the discovery of ubiquitin-mediated protein degradation".

Procesul de degradare a proteinelor nefuncionale se desfoar corect ntr-o celul ce funcioneaz normal. Dac eliminarea proteinelor inutile, defectuoase nu decurge eficient, pot aprea anumite patologii determinate de depozitarea unor asemenea produi, care nu sunt degradai normal [16]. Este suficient s amintim aici bolile neurodegenerative (boala Alzheimer, boala Parkinson, boala prionic, boala poliglutaminic/Huntington, scleroza lateral amiotrofic/boala Lou Gehrig, sau Charcot). Dei mecanismele de apariie a unor asemenea boli nu sunt pe deplin elucidate, toate sunt nsoite de acumulri de depozite proteice nedegradabile. Distribuirea intracelular a proteinelor nou biosintetizate S revenim acum la aventura intracelular a unei proteine nou sintetizate. Spuneam c biosinteza ei este necesar, esenial, dar nu suficient. Pn aici am abordat nevoia ca macromolecula abia produs s adopte o conformaie corect, corespunztoare funciei, punctnd aspecte legate de cum se face aceast mpachetare conformaional i ce se ntmpl dac aceast proces eueaz. Pentru cele a cror conformaie este realizat cu succes, urmeaz conducerea lor la locul din celul n care i vor desfura activitatea. Ne putem pune practic ntrebarea: dac proteinele se sintetizeaz n citosol, cum ajung ele n membrane, n nucleu, n lumenele organitelor delimitate de endomenbrane (reticul endoplasmic, aparat Golgi, lizosom, mitocondrie, peroxisom)? Ei bine, celula i-a dezvoltat mecanisme prin care decide care protein, unde trebuie s ajung i prin care direcioneaz proteinele ctre acele destinaii i le ajut s le ocupe. Dei aceste mecanisme sunt diferite de la o situaie la alta (detaliile le vom aborda la discuiile despre fiecare organit amintit), exist cteva aspecte de principiu pe care le vom puncta aici. Informaia referitoare la destinaia final a unei proteine n celul se afl n nsi structura primar a proteinei, n ceea ce numim peptid semnal, sau secven semnal. Prin peptid semnal se nelege o secven din lanul polipeptidic al proteinei care spune mecanismelor celulare de sortare i direcionare spre unul sau altul din locurile din celul, unde trebuie s fie dus respectiva macromolecul. Aceste proiuni din lanul polipeptidic pot structura dou tipuri de semnale:

(i) ceea ce numim semnal secvenial, cnd peptida semnal reprezint o secven compact de aminoacizi din structura primar;

(ii) ceea ce numim semnal conformaional, cnd mai multe secvene compacte sunt astfel aezate n structura teriar a proteinei nct sunt puse n comun pentru a crea o suprafa cu rol de semnal.

n Tabelul II sunt prezentate cteva secvene semnal i din ce categorie pot fi ele considerate a face parte. Importul n reticulul endoplasmic este dependent de o peptid semnal cu o structura compact de aminoacizi hidrofobi. Pentru importul n nucleu este nevoie de o peptid semnal cu o secven compact de aminoacizi pozitivi. Pentru importul de proteine de ctre peroxisom exist evideniate dou tipuri de semnale: unul la captul C-terminal (PTS1) pentru unele proteine, altul la captul N-terminal (PTS2) al altor proteine. Mecanismele de import sunt controlate de parteneri diferii pentru cele dou tipuri de semnale [17]. n cazul mitocondriei, semnalul pare a fi unul combinat secvenial i conformaional, deoarece secvena semnal este format de o succesiune intercalat de aminoacizi pozitivi, aminoacizi hidrofili i aminoacizi hidrofobi. La aranjarea lanului n -helix se organizeaz

Dr. Mircea Leabu, Ribosomul; biosinteza i destinaia intracelular a proteinelor

12

trei zone longitudinale pe suprafa: o zon pozitiv, una hidrofob i alta hidrofil, zone responsabile de interaciunea specific la nivelul complexului ce realizeaz importul. Alt aspect de similitudine fenomenologic, n logica procesului de distribuire intracelular a proteinelor, este cel legat de direcionarea ctre locul de destinaie. De regul, informaia din semnal este necesar, dar nu suficient. Sunt de asemenea necesari intermediari de transport i intire. Acetia complexeaz proteinele i le ajut s ajung la locul cuvenit. Unii dintre aceti crui pot fi chiar aperone (cum se va vedea la importul de proteine n mitocondrie). O ultim asemnare pe care o putem aminti este dat de complexele proteice de import, care trasport proteinele n cauz prin endomembranele care delimiteaz organitele. Aceste complexe de transport poart denumirea de transloconi. Doar n cazul mainriei de transport prin nveliul nuclear denumirea este diferit (complexul porului nuclear), dar acesta este tot o component ultrastructural format din mai multe subuniti proteice. Tabelul II. Exemple de peptide semnal cu rolul lor

Funcia secvenei semnal Structura n aminoacizi a semnalului* Tipul secvenei semnal Import n reticul endoplasmic

+H3NMet-Met-Ser-Phe-Val-Ser-Leu-Leu-Leu-Val-Gly-Ile-Leu-Phe-Trp-Ala-Thr-Glu-Ala-Glu-Gln-Leu-Thr-Lys-Cys-Glu-Val-Phe-Gln-

Semnal secvenial (secven hidrofob compact)

Import n nucleu -Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val- Semnal secvenial (secven pozitiv compact)

Import n peroxisom -Ser/Ala-Lys/Arg-Leu/MetCOO (PTS1)**

+H3NX-X-Arg-Leu-X-X-X-X-X-His-Leu- (PTS2) Semnal secvenial ?

Import n mitocondrie +H3NMet-Leu-Ser-Leu-Arg-Gln-Ser-Ile-Arg-Phe-Phe-Lys-Pro-Ala-Thr-Arg-Thr-Leu-Cys-Ser-Ser-Arg-Tyr-Leu-Leu-

Semnal combinat (secvenial/conformaio-nal)

* Semnificaia culorilor: portocaliu hidrofob; rou pozitiv; albastru negativ; bleu - hidrofil ** n parantez este trecut abrevierea internaional uzual; PTS reprezint iniialele de la peroxisomal targeting signal, iar cifrele reprezint tipul I, sau II [17]. Aceste fenomene de direcionare i poziionare a proteinelor la nivelul diferitelor organite poart denumirea de import al proteinelor n organite. Vorbim de importul proteinelor n nucleu, de importul proteinelor n reticulul endoplasmic, de importul proteinelor n mitocondrie sau n peroxisom. Fenomenele de import al proteinelor n organite sunt procese active, necesitnd consum energetic. n alt ordine de idei, dup datele pe care le cunoatem pn n prezent, doar n cazul proteinelor preluate de reticulul endoplasmic fenomenul se petrece simultan cu elongarea proteinelor importate. Pentru toate celelalte organite biosinteza proteinelor este mai nti finalizat n citosol i abia apoi ele sunt importate. n concluzie, biosinteza proteinelor se iniiaz n citosol, unde se i finalizeaz pentru o parte din proteine, cu excepia celor preluate de reticulul endoplasmic i destinate a ajunge n membrane ca proteine transmembranare (fr cele din membranele mitocondriale), n lumenele aparatului Golgi, lizosomilor, componentelor sistemului endosomal, respectiv n afara celulei, ca proteine secretate. Biosinteza proteinelor este asigurat de un complex ribonucleoproteic numit ribosom, care colaboreaz n exercitarea funciei cu ARNm i ARNt. Proteinele sunt componentele celulare care asigur utilizarea informaiei genetice n interesul supravieuirii celulei. Biosinteza proteinelor n celule este un proces necesar i esenial, dar nu i suficient. Pentru ca o protein nou sintetizat s devin funcional, ea trebuie s adopte o conformaie corect, corespunztoare funciei. Acest fenomen numit mpachetarea proteinelor se desfoar ntr-o masur mic n mod spontan, dup cte cunoatem n acest moment. De regul este

Dr. Mircea Leabu, Ribosomul; biosinteza i destinaia intracelular a proteinelor

13

nevoie ca noile polipeptide s fie asistate n procesul de adoptare a conformaiei funcionale. Aceast asistare este asigurat de aperone. Dei biosinteza i mpachetarea proteinelor sunt procese celulare bine controlate i reglate, exist situaii n care aceste fenomene eueaz. Proteinele care nu reuesc s adopte conformaia corect sunt eliminate prin degradare n proteasom. Proteasomul este responsabil i de degradarea proteinelor care devin nefuncionale sau n exces. n sfrit, proteinele nou biosintetizate care adopt conformaia corect trebuie distribuite n celul la locurile potrivite desfurrii funciei. Acest fenomen se desfoar prin mecanisme specifice locurilor de destinaie i sunt dependente de secvene semnal din structura proteinelor. Bibliografie specific

1. Preiss T, Hentze MW. (2003) Starting the protein synthesis machine: eukaryotic translation initiation. BioEssays. 25, 1201-1211.

2. Sonenberg N, Hinnebusch AG. (2009) Regulation of translation initiation in eukaryotes: mechanisms and biological targets. Cell. 136, 731-745.

3. Moore PB, Steitz TA. (2003) The structural basis of large ribosomal subunit function. Annu Rev Biochem. 72, 813-850.

4. Steitz TA, Moore PB. (2003) RNA, the first macromolecular catalyst: the ribosome is a ribozyme. Trends Biochem Sci. 28, 411-418.

5. Chen, Y-J, Inouye M. (2008) The intermolecular chaperone-mediated protein folding. Curr Opin Struct Biol. 18, 765-770.

6. Schlesinger MJ. (1990) Heat shock proteins. J Biol Chem. 265, 12111-12114. 7. Ritossa F. (1996) Discoverz of the heat shock response. Cell Stress Chaperones 1, 97-98. 8. Ritossa F. (1962) A new puffing pattern induced bz temperature shock and DNP in Drosophila. Experientia 18,

571-573. 9. Ritossa F. (1963) New puffs induced by temperature shock, DNP and salicilate in salivary chromosomes of D.

melanogaster. Drosophila Information Service 37, 122-123. 10. Ritossa F. (1963) Experimental activation of specific loci in polztene chromosomes of Drosophila. Exp Cell

Res. 35, 601-607. 11. Saibil HR. (2007) Chaperone machines in action. Curr Opin Struct Biol. 18, 35-42. 12. Bukau B, Weissman J, Horwich AL. (2006) Molecular chaperones and protein quality control. Cell 125, 443-

451. 13. Lee S, Tsai FT. (2005) Molecular chaperones in protein quality control. J Biochem Mol Biol. 38, 259-265. 14. Murata S, Yashiroda H, Tanaka K. (2009) Molecular mechanisms of proteasome assembly. Nat Rev Mol Cell

Biol. 10, 104-115. 15. Besche HC, Peth A, Goldberg AL. (2009) Getting to first base in proteasome assembly. Cell. 138, 25-28. 16. Ardley HC. (2009) Ring finger ubiquitin protein ligases and their implication to the pathogenesis of human

diseases. Curr Pharm Des. 15, 3697-3715. 17. Heiland I, Erdman R. (2005) Biogenesis of peroxisomes. Topogenesis of the peroxisomal membrane and

matrix proteins. FEBS J. 272, 2362-2372.