CODUL GENETIC.SINTEZA PROTEINELOR

Ce este codul genetic ?Ansamblul regulilor i principiilor dup care informaia genetic codificat n ADN (sau ARN n cazul ribovirusurilor) este tradus n proteine

ROLUL CODULUI GENETIC ?Transmiterea unei informaii codificate de la surs (structura biochimic a genomului), pe anumite canale (ARNm), la locul de recepie (ribozomii) unde mesajul este decodificat (tradus) i folosit, n cazul activitilor celulare, n procesul de biosintez a proteinelor.

1. Modul cum se succed nucleotidele n ADN = o form de nmagazinare a informaiei genetice;

2. ntre succesiunea nucleotidelor din macromolecula ADN i succesiunea aminoacizilor din proteine, exist o coresponden. Dup descoperirea structurii macromoleculei de ADN s-au pus urmtoarele probleme:

ARGUMENTE:- mutaiile determinau modificri ale compoziiei n aminoacizi ale unor proteine.

- prin cercetri de cristalografie, ASTBURY i BELL (n 1938) observaser c spaiul dintre nucleotide n ADN i dintre aminoacizi n proteine este aproximativ egal.

- n 1944 -1945, E. SCHRODINGER emisese o ipotez n care avansa ideea existenei unei codificri biochimice n relaiile dintre acizii nucleici i proteine.

- n 1956, FR. CRICK elaboreaz conceptul dup care informaia genetic coninut n molecula de ADN circul pe traseul ADN ARN proteine, = dogma central a biologiei moleculare.

Chiar dac ulterior aceast teorie a suferit unele corecii, ea s-a dovedit n linii mari real.

Secvena nucleotidelor n ADN determin secvena aminoacizilor n proteine, > n ADN este codificat informaia genetic dup care se produce sinteza proteinelor. CUM SE REALIZEAZ CORESPONDENA dintre alfabetul cu 4 litere cu care opereaz macromolecula de ADN (cele patru nucleotide) i alfabetul cu 20 de litere (cele 20 de tipuri principale de aminoacizi) cu care opereaz moleculele de PROTEINE?GAMOV (1954) - ipoteza: 4 BA din ADN20 AA din PROTEINE?

Calcul teoretic:n acest caz rmn i posibiliti suplimentare ceea ce confer plasticitate codului geneticCombinaia de 3 baze din ADNcodificareaCelor 20 de aminoacizi43 = 64

Tipuri de cod genetic (dup NIERENBERG, 1963)

Codul monotipic

Codul din dublete(4combinaii)(16 codoni)A ------ AA1AAAGACAUG ------AA2GAGGGCGUC ------AA3CACGCCCUU -------AA4UAUGUCUU

Codul din triplete (64 combinaii) 43 = 6464 de cuvinte

AAAAAGAACAAUAGAAGGAGCAGUACAACGACCACUAUAAUGAUCAUUGAAGAGGACGAUGGAGGGGGCGGUGCAGCGGCCGCUGUAGUGGUCGUUCAACAGCACCAUCGACGGCGCCGUCCACCGCCCCCUCUACUGCUGCUUUAAUAGUACUAUUGAUGGUGCUGUUCAUCGUCCUCUUUAUUGUUCUUU

Poart n structura lor un adevrat cod molecular a crui semnificaie este determinat de succesiunea specific a celor 4 baze i a crui complexitate este proporional cu mrimea genomului purttor de informaie. Moleculele de ADN Bazele azotate (A,T,G,C) se repet de-a lungul moleculei aa cum se repet literele unui alfabet de-a lungul frazelor unei cri, n tot felul de combinatii. Dup cum ordinea literelor d sensul unui text, ordinea particular a bazelor determin semnificaia moleculei de ADN.

Studii ntreprinse pe mutante induse: - cu acid azotos la virusul mozaicului tutunului, - cu proflavin la bacteriofagul T4, - pe mutante de E. coli, - pe diverse variante de hemoglobin uman etc.Un aminoacid n lanul polipeptidic este determinat de 3 nucleotide (o triplet de nucleotide) din ADN, i respectiv ARNm, triplet care a primit denumirea de codon. ipoteza lui GAMOVADEVRAT

NIRENBERG i MATTHEY, precum i KHORANA (1961) - au realizat experienele de biosintez a proteinelor folosind ARNm sintetizat artificial

sisteme acelulare ribozomi, aminoacizi -marcai cu carbon radioactiv, ARNt, enzimele necesare pentru sinteza proteinelor, etc. un ARNm sintetizat artificial (coninea o succesiune cunoscut a nucleotidelor n molecula lui)compoziia polipeptidelor sintetizateau urmrit+

Prima descifrare a codului genetic - o anumita secventa de ARN contine informatia genetica necesara pentru sinteza unei catene polipeptidice cu o secventa specific de aminoacizi - s-a realizat folosindu-se un ARN sintetic - acidul poliuridilic (poli U) ARNm : UUUUUUUUUUpolipeptid marcat polifenilalaninatripleta UUU codifica fenilalanina

ARN m : poly-G se sintetiza poliglicina,

ARN m : poly-C se sintetiza poliprolina,

ARN m : poly-A se sintetiza polilizinaAli ARN sintetici mononucleotidici:Codonul GGG = GLICINACodonul CCC = PROLINACodonul AAA = LIZINA

Folosind un ARNm sintetic care avea toate cele 64 de aranjamente posibile, NIRENBERG si colab (1966) au demonstrat c: Ansamblul codonilor care specific setul de aminoacizi standard, mpreun cu codonii STOP sau NONSENS formeaz dicionarul codului genetic 61 codoni au rol n specificarea celor 20 de aminoacizi naturali 3 codoni (UAA, UAG, UGA) - caracterizati ca nonsens, deoarece nu au rol n codificarea unui AA

Codul genetic nscris n molecula de ARN mesager

Aminoacizii abrevai: ala = alanin; arg = arginin; asp = asparagin; ac.asp = acid aspartic; cis = cistein; glu = glutamin; ac.glu = acid glutamic; gli = glicin; his = histidin; ileu = izoleucin; leu = leucin; liz = lizin; met = metionin; fen = fenilalanin; pro = prolin; ser = serin; tre = treonin; tir = tirozin; tri = triptofan; val = valin. Codonii "nonsens: UAA = "ochre"; UAG = "amber" i UGA = "opal" ("azur").

O contribuie important n cunoaterea mesajului genetic al fiecrui codon a fost adus i prin studiul mutaiilor de substituie (care afecteaz doar un nucleotid n catena polinucleotidic) a unor aminoacizi n moleculele unor proteine. Astfel, s-a reuit s se stabileasc compoziia n nucleotide a codonilor care au determinat schimbarea aminoacidului n moleculele proteice mutant.

PARTICULARITILE CODULUI GENETIC1. Universalaceleai uniti de codificare (codonii) specific aceiai aminoacizi la toate organismele, indiferent de poziia lor taxonomic. Excepii: - unii codoni codoni eretici sau disideni din ADN ul mitocondrial, nu au aceeai semnificaie ca cei dictai de ADN-ul nuclear; exemplu:- la parameci, unde codonii stop UAA i UAG codific glutamina

3. Fr virgule (commaless) - ntre codoni nu exist semne de separare (spaii sau nucleotide), care s marcheze nceputul sau sfritul unui codon, codul fiind deci fr virgule2. Neacoperit - doi codoni vecini nu au o nucleotid comun. 4. Degenerat - un aminoacid poate fi determinat (codificat) de mai muli codoni. n cadrul unui codon primele dou nucleotide sunt mai importante pentru codificarea unui anumit aminoacid (UUU), ultima putnd fi nlocuit (cu o baz de acelai tip) = Flexibilitate diminueaz consecinele gravelor erori de transcriereEx: Fenilanina -codificat de codonul UUU, dar i de UUC.

Arginina, leucina i serina - codificate de 6 codoni.

5. Ambiguitate redus - mai rar se ntmpl ca un codon s specifice mai muli aminoacizi n proteine. Aminoacizii aromatici: fenilalanina, tirozina i triptofanul - codificai de codoni care ncepe cu U.codonul GUG > formilmetionina - dac este la nceputul mesajului de citire > valina - dac este n interiorul acestuia. 1 codon = AA1, AA2, AA3AAn

Procesul de citire a mesajului genetic se face ntr-un singur sens, astfel nct absena unei nucleotide (deleia unei baze) sau adugarea (adiia) unei nucleotide determin schimbarea mesajului genetic - la citirea lui eronat din punctul de deleie sau adiie.

BIOSINTEZA PROTEINELOR

intr n structura membranelor celulare, n structura cromatinei, altele asigur realizarea diverselor structuri ale organismului (colagenul), asigur transportul oxigenului (hemoglobina), proteine care particip la realizarea diverselor reacii chimice din organism - enzimele. ocup o pondere nsemnat n celule, reprezentnd cca 50% din substana uscat a acestora (datorit rolului lor important i variat).PROTEINELE - componente eseniale ale celulei, cu rol structural i funcional n viaa acestora.

PROTEINELE - polimeri rezultai din polimerizarea a 20 de tipuri de aminoacizi (monomeri). AMINOACIZII - prezint n molecula lor un grup amino (NH2), o grupare carboxil (COOH) i un radical R - care difer de la un aminoacid la altul.Formula general a unui aminoacid. Polimerizarea aminoacizilor se realizeaz prin intermediul legturilor peptidice (-CO-NH-) care se formeaz ntre gruparea COOH a unui aa i gruparea NH2 a celui alturat.

au o structur primar determinat de distribuia liniar a aminoacizilor ntr-o caten polipeptidic. PROTEINELE: configuraii speciale bi- sau tridimensionale (datorate punilor de H sau legturilor bisulfidice -S-S-) > structur secundar i teriar.pot fi reprezentate printr-o singur caten polipeptidic sau mai multe identice sau diferite. catenele (identice sau diferite) din structura aceleiai proteine se asociaz n configuraii specifice, i capt structur cuaternar . Hemoglobina -alctuit din 4 catene polipeptidice, 2 catene alfa i 2 catene beta; ARN-polimeraza de la E. coli este format din 6 catene polipeptidice

Formulele chimice ale celor 20 de aminoacizi care intr n constituia proteinelor(GHIORGHI, 1999)

lizina, triptofanul, treonina, metionina, leucina, izoleucina, valina fenilalanina eseniali sau indispensabili pentru organismele animale, care nu-i pot sintetiza.Exist o mare diversitate a proteinelor n lumea vie. Sunt cunoscute peste 100.000 de proteine diferite.

Sinteza proteinelor n celul este sub controlul informaiei genetice din nucleu: BRACHET (1955) - alga monocelular Acetabularia mediteranea. Specificitatea proteinelor este determinat de secvena nucleotidelor din ADN. Mesajul genetic de la ADN (sursa de informaie) este transmis - prin procesul de transcripie - la ribozom (receptorul), unde are loc decodificarea acestuia i traducerea lui ntr-o secven corespunztoare de aminoacizi, (ntr-un polipeptid). Deci ADN-ul nu particip direct la sinteza proteinelor ci indirect, prin intermediul ARN mesager, care reprezint transmitorul mesajului genetic la nivelul "uzinei" de sintez a proteinelor - ribozomul.

Etapele sintezei proteinelora) transcrierea informaiei genetice din ADN n ARN-mesager, proces n care se schimb i "alfabetul", de la simbolurile A, T, C, G cu care opereaz ADN-ul, la simbolurile A, U, C, G specifice ARN, (timina din ADN fiind nlo-cuit cu uracilul n ARN); b) translaia (traducerea) informaiei genetice preluat de ARNm, ntr-o secven corespunztoare de aminoacizi la nivelul ribozomului.

1. Transcripia informaiei genetice Proces complex determin sinteza ARN-ului mesager = copia unei poriuni dintr-o caten de ADN (o gen). Se realizeaz cu ajutorul ARN-polimerazei sau transcriptazei complex multienzimatic - ce recunoate i copie numai o caten a ADN, i doar dintr-un punct anume al acesteia.Procesul de transcripie parcurge 5 faze:recunoaterea matriei i formarea complexului de preiniiere; iniierea polimerizrii; creterea catenei de ARNm; terminarea sintezei eliberarea ARNm produs.

Catena de ADN care servete n transcriere se numete caten informaional.

Catena informaional este recunoscut de factorul sigma din enzima ARN-polimeraza ARN-polimeraza se leag de catena ADN informaional pentru iniierea transcripiei; regiunea din ADN de care se leag transcriptaza se numete promotor = corespunde cu nceputul unei gene Sub influena ARN- polimerazei se rup punile de hidrogen dintre catenele de ADN Catena copiat se rotete n spaiu cu 180o, servind ca matri pentru sinteza unui ARN complementar. Dup iniierea procesului de transcriere, ARN-polimeraza "alunec" de-a lungul matriei ADN i enzima minimal determin creterea (alungirea) catenei de ARNm prin adugarea succesiv de ribonucleotide la captul 3'-OH. Se formeaz un duplex hibrid (heteroduplex) tranzitoriu de ADN-ARNm. ARNm este eliberat prin intervenia factorului ro care recunoate codonii stop, marcnd astfel terminarea transcripiei. Etapele procesului de transcripie:

Molecula de ADNARN mesagerEnzima ARN-polimerazSinteza ARN m prin copierea unei catene deADN = TRANSCRIPIA

Transcripia genetic mediat de ARN-polimeraz

2. Translaia (traducerea, decodificarea) informaiei genetice Proces complex - informaia genetic preluat n ARNm, genereaz o secven de aminoacizi - un polipeptid.

Necesit consum de energie - sunt implicate numeroase enzime specifice.

ARNm se cupleaz n citoplasm cu ribozomii i formeaz complexe denumite poliribozomi sau polisomi.

Pentru iniierea procesului de polimerizare a aminoacizilor n polipeptide se produce: 1. activarea aminoacizilor (AA) cu ajutorul energiei furnizate de ATP i n prezena enzimei aminoacil-ARNt-sintetaza.

activarea grupei COOH a aminoacizilor prin formarea unei legturi anhidrice cu AMP i eliberarea a dou grupri fosfat.

2. Aminoacidul activat este ataat la un ARNt specific prin intermediul aceleiai enzime:AA - AMP - E + ARNt ARNt - AA + AMP + E Exist - 20 de tipuri de ARNt = nr. tipuri de aminoacizi de baz, - 20 enzime aminoacil-ARNt-sintetaze specifice. Aceste enzime au 2 situsuri de recunoatere: - unul pentru un anumit aminoacid, - cellalt pentru ARNt-ul corespunztor.

Cu ajutorul ARNt specifici, aminoacizii sunt transferai la nivelul ribozomilor unde are loc polimerizarea lor potrivit mesajului din ARNm.Aminoacid activatAminoacid cuplat cu ARNt-ul specific

ANTICODONSubunitatea micSubunitatea mare

Iniierea sintezei polipeptidice se realizeaz prin:

Legarea ARNm la subunitatea mic a ribozomului (30S) la procariote, respectiv 40S la eucariote, apoi are loc ataarea subunitii mari (50S i respectiv 60S), ribozomul devenind funcional. ARNm este reinut ntr-o adncitur format de cele dou subuniti ale ribozomului. De subunitatea mare se leag aminoacil-ARNt (AA-ARNt).COOH - liber

Subunitatea mare a ribozomului prezint dou situsuri: - unul denumit aminoacil (A), - iar cellalt denumit peptidil (P). La situsul A se ataeaz complexul AA-ARNt corespunztor codonului din ARNm, (complementaritii bazelor dintre codonul ARNm i anticodonul ARNt).

Situsul P accept ataarea ARNt-AA numai dac a trecut prin situsul A. Iniierea procesului de sintez a catenei polipeptidice - situsul A este ocupat de codonul de iniiere AUG din ARNm, care determin acceptarea ARNt cu - AA1 = formilmetionina; acceptarea: prin recunoaterea - codon (ARNm) i anticodon (ARNt)

ARN m: A U G U C G G U C A A C A G C C C A U G AAA1AA2AA3AA4AA5AA6AA7Protein:

Recunoatere codon (AUG) anticodon (UAC)anticodon

Dup recunoaterea codon-anticodon, ARNt cu AA1 ataat se deplaseaz din situsul A n situsul P printr-o micare de translaie a ribozomului pe ARNm (pe direcia 5'-3'), ceea ce aduce n dreptul situsului A un nou codon din ARNm codonul 2 (UCG).

5 2 3 4 5 6 73Gruparea carboxil (-COOH) a AA1-ARNt din situsul P se elibereaz din legtura cu ARNt, i stabilete o legtur peptidic cu gruparea amino (-NH2) a aminoacidului 2 care s-a ataat (cu ARNt-ul lui) n situsul A =>- CO-NH -Dipeptid

PA Procesul de trecere a AA-ARNt din situsul A n situsul P, condiionat de formarea legturii peptidice, se numete translocaie. Odat cu translocarea ARNt din situsul A n P, are loc i deplasarea coordonat a ribozomului pe ARNm pe distana de un codon. n acest fel, un nou codon ajunge n situsul A, i el va putea lega un nou AA-ARNt, potrivit relaiei codon - anticodon. Se produce astfel alungirea continu a lanului polipeptidic

codon STOPStoparea sintezei proteice Procesul de translaie se ncheie cnd ribozomul n deplasarea lui pe ARNm ntlnete n situsul A un codon nonsens (terminator), codon care nu este recunoscut de nici un ARNt.

Codonii STOP nu sunt recunoscui de ARNt, dar sunt recunoscui de doi factori enzimatici numii factori de eliberare: hidrolizeaz legtura esteric dintre gruparea carboxilic a aminoacidului terminal i ARNt corespunztor; elibereaz att ARNt, ct i lanul polipeptidic.

ARNtSinteza proteinelor la nivelul ribozomilorARNm

La o molecul de ARNm se ataeaz mai muli ribozomi, - rezult o structur cunoscut sub numele de poliribozom sau polisom.

ntr-un polisom sunt sintetizate tot attea lanuri polipeptidice identice ci ribozomi se ataeaz la molecula ARNm.

Lungimea unui polisom depinde de lungimea ARNm.

Cnd unul din ribozomi a parcurs integral molecula de ARNm (de la captul 5' ctre captul 3') el prsete polisomul i este eliberat.

Schema privind structura i funcionarea unui polisom n sinteza de catene polipeptidice

Codul genetic. Biosinteya proteinelor*Codul genetic. Biosinteya proteinelor*