S I N T E Z A P R O T E I N E L O R

S I N T E Z A P R O T E I N E L O R

Se numesc proteine produsii naturali cu structura macromoleculara care se transforma prin hidroliza in alfa-aminoacizi. Proteinele sunt componente esentiale, alaturi de apa, saruri anorganice, lipide, hidrati de carbon, acizi nucleici, vitamine, enzime etc. ale materialelor lichide si gelificate din celule, in care se petrec interactiunile chimice + fizice intense, cuprinse sub denumirea de VIATA.Proteinele se deosebesc de celelalte componente ale celulelor prin proprietati unice, neintalnite in alte clase de combinatii. De proteine depind multe functiuni importante ale organismelor vii. Ele constituie o clasa de compusi organici foarte variati, avand o proprietate caracteristica: specificitatea. Acest lucru inseamna ca proteinele diferitelor specii animale si vegetale sunt tipice pentru aceste specii si se deosebesc de proteinele altor specii; uneori insa, se observa deosebiri chiar si intre proteinele indivizilor aceleiasi specii. Sunt proteine unele substante cu puternica activitate biologica ale celulelor ca : enzimele, catalizatorii nenumaratelor reactii din organismele vii, hormonii si anticorpii. Substanta contractila din fibrele musculare, din cilii si din flagelele organismelor inferioare, care poseda proprietatea remarcabila de a transforma energia chimica in energie mecanica, este de asemenea o proteina.Principalele roluri:

Proteinele au roluri importante in fenomenele vitale:

Intra in alcatuirea materialului constitutiv al organismului uman, cu rol fundamental sau auxiliar (suport mecanic pentru piele si oase)

Sunt transportatori, de exemplu hemoglobina din sange este purtatorul de oxigen de la plamani la nivelul celulelor, dar si de fier, care este transportat si stocat in ficat. Functioneaza in cadrul unor fotoreceptori, de exemplu rodopsina participa la transmiterea impulsurilor nervoase spre celulele retinei, asigurand formarea imaginilor, adica vederea.

Sunt biocatalizatori (enzime): catalizeaza procesele chimice majore din organism.

Sunt compusi responsabili de aparitia imunitatii si de controlul cresterii, in corelare cu individualitatea si specificitatea organismului uman; ele pot prelua o parte din informatiile stocate in ADN.

Constituie o rezerva energetica, de exemplu, 1 gram de proteina furnizeaza organismului 17,6 kJ prin oxidare enzimatica.

Asimilarea si biosinteza proteinelor :

Se gasesc proteine in fiecare celula vie. Pentru sinteza lor, respectiv a aminoacizilor care le compun, plantele se folosesc de combinatii anorganice ale azotului, amoniac si azotati, pe care le extrag din sol. Unele vietuitoare inferioare, bacteriile din sol, pot folosi chiar azotul molecular.

Animalele un au facultatea de a asimila combinatiile anorganice ale azotului, ci sunt nevoite sa utilizeze proteinele de origine animala sau vegetala, continute in hrana lor. Proteinele nu pot fi insa intrebuintate ca atare, ci sunt hidrolizate, in timpul digestiei, pana la aminoacizi.

In organismele vii, aceste reactii sunt catalizate de enzime specifice, numite generic peptidaze.

In timpul digestiei, are loc hidroliza proteinelor in etape succesive, fiecare etapa fiind catalizata de cate o enzima. Produsii de hidroliza sunt mai intai peptidele, apoi aminoacizii. Acestia sunt folositi de organism pentru a forma proteinele proprii necesare cresterii, refacerii tesuturilor si sintezei de enzime si hormoni. Aminoacizii in exces introdusi prin hrana sau proveniti din metabolismul proteinelor sunt dezaminati. Amoniacul rezultat rezultat este eliminat sub forma de uree sau acid uric, iar restul organic este transformat in zaharide sau grasimi, folosite la producerea energiei.

In cazul in care hrana nu contine aminoacizii necesari (calitativ sau cantitativ), sau, in intervalul de timp dintre doua digestii, se produce reconstructia proteinelor organismului. Atat degradarea, cat si reconstructia, au loc sub influenta enzimelor si sunt reactii normale si permanente ale organismului.Organismul uman isi poate sintetiza printr-un proces biochimic complex numai o parte din aminoacizii necesari. Acesti aminoacizi se numesc neesentiali. Aminoacizii care un sunt sintetizati de organismul uman si trebuie procurati din hrana (din proteine vegetale sau animale) se numesc aminoacizi esentiali: valina, leucina, izoleucina, fenilalanina, treonina, metionina, lisina si triptofanul (si histidina).

Proteinele din lapte, carne, peste, oua, soia contin aminoacizii esentiali in proportie adecvata; aceste proteine pot fi inlocuite unele prin altele fara niciun inconvenient. In schimb, hemoglobina, gelatina si multe alte proteine din vegetale sunt deficiente intr-unul sau altul dintre aminoacizii esentiali. Folosirea exclusiva in alimentatie a acestor proteine duce la tulburari grave (exemplu: tulburari nervoase grave la sobolani cand le lipseste valina). Lipsa aminoacizilor esentiali din proteinele hranei se manifesta spectaculos la animalele tinere a caror crestere inceteaza sau este incetinita. Simptomele de deficienta dispar daca se completeaza dieta cu lapte. Procesele chimice din biosinteza proteica: Sinteza proteinelor in organismele vii se realizeaza pe baza informatiei genetice inscrise codificat in structura ADN-ului. Proteinele sunt substante organice complexe, alcatuite in principal din aminoacizi, asezati intr-o anumita succesiune in molecula proteica, aceasta conferind specificitate moleculei. Cu alte cuvinte, in fiecare proteina, ordinea asezarii aminoacizilor este diferita. Intre succesiunea aminoacizilor din molecula proteica si succesiunea nucleotidelor din ADN exista o legatura. ADN-ul contine informatia genetica, care determina succesiunea aminoacizilor din proteine, intr-o forma codificata. Descoperirea codului genetic a fost una din marile realizari ale stiintei secolului XX. Mica recapitulare: Acizii nucleici sunt produsi de policondensare ai nucleotidelor. Nucleotidele sunt alcatuite din: baza azotata + pentoza + radical fosforic.

Prin condensarea biochimica dintre o molecula de baza azotata si o molecula de pentoza se obtin nucleozidele.

Nucleotidele ADN-ului sunt formate din unitati de dezoxiriboza (pentoza) legate de una din urmatoarele patru baze azotate: adenina, guanina, citozina, timina.

( Aranjamentul spatial de dubla elice a ADN-ului este stabilizat de legaturile de hidrogen care se stabilesc intre bazele azotate din cele doua macromolecule. Legaturile de hidrogen se formeaza intre un rest de adenina (baza purinica) dintr-o macromolecula si un rest de timina (baza pirimidinica) din cealalta macromolecula, sau intre un rest de guanina (baza purinica) si un rest de citozina (baza pirimidinica). Cele doua tipuri de baze azotate, purinica si pirimidinica, asociate prin legaturi de hidrogen, se numesc baze complementare. Pentru ADN, perechile complementare sunt A-T (legatura dubla de hidrogen) si G-C(legatura tripla de hidrogen). In cele doua macromolecule dintr-o dubla elice, mononucleotidele se succed astfel incat bazele azotate complementare sa ajunga fata in fata si sa permita formarea legaturilor de hidrogen. Nucleotidele constituente ale acidului ribonucleic (ARN) sunt formate din unitati de riboza legate de una dintre bazele azotate : adenina, guanina, citozina, uracil. In acest caz, perechile de baze complementare sunt A-U si G-C. - manual Alexandrescu, paginile 175-179 poze

Secventa mononucleotidelor din macromolecula unui acid nucleic este esentiala pentru rolul biologic al acestuia. Molecula de ADN este sediul informatiei genetice. Succesiunea celor patru baze azotate in catena polinucleotidica a ADN-ului da indicatii precise despre succesiunea aminoacizilor in macromoleculele proteice.

Un grup de trei nucleozide cu o anumita secventa formeaza un codon, care codifica un anumit aminoacid. De exemplu, glicina are codul GGU, iar alanina GCU. Codul unui aminoacid este acelasi la toate organismele vii, indiferent de pozitia lui pe treapta evolutiei. Codul genetic este universal.

Succesiunea codonilor in macromolecula ADN corespunde succesiunii aminoacizilor in macromolecula proteica. Sinteza proteinelor conform informatiei genetice din ADN este un proces biochimic complex, studiat in genetica, care poate fi reprezentat, mult simplificat, astfel:

ADN transcriere.> ARN .traducere..> proteina

Procesul se bazeaza pe complementaritatea bazelor azotate. Catena de ADN serveste ca matrice pentru transcrierea informatiei in ARN. Structura ARN-ului sintetizat este complementara structurii ADN-ului matrice. Codonilor din ADN le corespund codoni de baze conjugate in ARN. Acizii ribonucleici transporta informatia genetica si servesc ca tipar pentu sinteza proteinelor. (pg 180 Alexandrescu schema)S-a stabilit ca un segment de ADN, adica o gena, controleaza sinteza unei polipeptide. Descoperirea si elucidarea relatiei acizi nucleici- proteine, care este una dintre cele mai mari realizari ale secolului al XX-lea, a deschis calea unor noi tehnologii: ingineria genetica.

Cele 3 tipuri de ARN care intervin in sinteza proteica:

1) ARN-m (mesager) se afla in celulele tuturor organismelor procariote si proteice, pe suprafata ribozomilor. Este sintetizat in procesul de transcriptie a informatiei genetice, cu ajutorul enzimei ARN-polimeraza, proces care reprezinta prima etapa a sintezei proteice .

Pe catena 3-5 a moleculei de ADN , codonul de initiere a procesului de transcriptie (respectiv al sintezei de ARN-m) este TAC , iar codonul care marcheaza sfarsitul procesului de transcriptie poate fi unul din urmatorii trei codoni: ACT, ATT, ATC (codoni stop). Marimea catenei de ARN-m este dependenta de cantitatea de informatie genetica pe care o poseda. Existenta sa in timp este limitata, fiind distrus la sfarsitul sintezei proteice. Intre ARN-m de la procariote si eucariote exista diferente privind marimea, numarul de gene si componenta lor structurala.

La procariote, molecula ARN-m contine de obicei informatia genetica pentru sinteza mai multor catene polipeptidice (contine mai multe gene). ARN-m prezinta de obicei numai secvente informationale (exoni), lipsind secventele non-informationale (introni). In plus, el rezulta in urma procesului de transcriptie a informatiei ereditare (ADN).

La eucariote, ARN-m contine informatia genetica pentru sinteza unei singure catene polipeptidice, deci contine o singura gena. In urma procesului de transcriptie, la eucariote se formeaza un ARN precursor sau premesager. Acesta contine secvente informationale (exoni) si secvente non-informationale (introni). Inaintea procesului de translatie a informatiei genetice are loc procesul de maturare a ARN-m. Acesta consta in eliminarea intronilor si asamblarea exonilor, cu ajutorul unor enzime specifice (endonucleaze, ligaze etc.). Procesul reprezinta un mecanism in reglajul genetic al sintezei proteice la eucariote. 2 ) ARN t (de transport) are rolul de a transporta aminoacizii la locul sintezei proteice de pe suprafata ribozomului, in procesul de translatie a informatiei genetice (cea de-a doua etapa a sintezei proteice). El are forma unei frunze de trifoi, alcatuit din 4 brate (regiuni bicatenare), trei dintre ele fiind terminate cu bucle (regiuni monocatenare) si un rest de marime variabila. Regiunile bicatenare sunt determinate de formarea unor punti de hidrogen de tip A-U si G-C. Molecula de ARN-t prezinta un ax central, alcatuit din bratul acceptor de aminoacid (bratul fara bucla, avand o secventa terminala asimetrica CCA) si bratul si bucla anticodon (are 3 secvente mediane de nucleotide, complementare cu secventa codon din molecula ARN-m). Datorita acestei secvente complementare cu secventa codon din ARN-m, ARN-t va recunoaste un anumit codon din constitutia ARN-m. - manual poza pg. 14

3 ) ARN ribozomal (ARN-r) constituie circa 85% din cantitatea totala de ARN din celula, fiind localizat in ribozomi, unde este asociat cu proteinele.

Ribozomii sunt particule ribonucleoproteice (alcatuite din ARN ribozomal si proteine), de forma relativ sferica, prezente atat la procariote, cat si la eucariote. Sunt formati din 2 subunitati: subunitatea mica si subunitatea mare, pe suprafata ribozomilor atasandu-se molecula de ARN-m. Unitatea ribozomala prezinta 3 locusuri (regiuni): A, P si Ex.

Locusul A (aminoacil) este locusul unde se ataseaza initial molecula de aminoacid, adusa de un ARN-t a carui secventa anticodon este complementara cu secventa codon a ARN-m, prezenta in dreptul acestui locus.

Locusul P (polipeptid) este locusul unde are loc formarea unei legaturi dipeptidice intre doi aminoacizi alaturati. Citirea informatiei genetice continuta in secventa de nucleotide a ARN-m are loc in mod linear, de la codonul de initiere la ultimul codon prin adaugarea unui aminoacid de catre fiecare codon. Atunci cand ultimul codon al moleculei de ARN-m (UAA, UGA, UAG) ajunge in dreptul locusului Ex *exit* al ribozomului, catena polipeptidica sintetizata se desprinde de pe suprafata ribozomului.Functia heterocatalitica a ADN:

DOGMA CENTRALA = principiul fundamental al geneticii moleculare, care sintetizeaza modul in care informatia genetica din molecula ADN este transcrisa in secventa de aminoacizi din catena polipeptidica, in timpul procesului de sinteza proteica.

Functia heterocatalitica a materialului genetic, explicata prin dogma centrala a geneticii, arata circuitul informatiei genetice in celula. El are loc in 2 etape: in prima etapa, secventa de nucleotide din molecula ADN este transcrisa intr-o secventa complementara de nucleotide la nivelul acizilor ribonucleici. In cazul sintezei de ARN-m, acesta este procesul de transcriptie, respectiv transcrierea informatiei genetice din secventa de nucleotide (ARN-m). In cea de-a doua etapa, procesul de translatie (traducere), secventa de nucleotide din molecula ARN-m este transcrisa in secventa de aminoacizi a unei catene polipeptidice, cu ajutorul codului genetic, avand loc sinteza proteica.

Codul genetic reprezinta corespondenta intre secventa de nucleotide din molecula de acizi nucleici in secventa de aminoacizi din catena polipeptidica.

Codon = grup de trei nucleotide alaturate din molecula de ARN-m, care determina pozitia unui aminoacid in molecula de proteina sau sfarsitul sintezei proteice. In prezentarea caracteristicilor codului genetic, se obisnuieste sa fie utilizati codonii din molecula ARN-m (tabel pg. 20 manual)Codonul este unitatea functionala a codului genetic. Codul genetic e alcatuit din 64 de codoni. Acestia reprezinta totalitatea combinatiilor, in grupe de cate 3, a celor 4 tipuri de nucleotide (baze azotate).

Fenomenul de colinearitate reprezinta corespondenta dintre secventa nucleotidelor din molecula ADN sau ARN-m si secventa aminoacizilor din molecula proteica.

Caracteristicile codului genetic : Codul genetic este nesuprapus si fara virgula, adica doi codoni alaturati nu prezinta nucleotizi comuni (cod nesuprapus), iar intre ei un se afla nucleotizi fara sens (cod fara virgula).

Codul genetic este degenerat, adica un aminoacid poate fi codificat de doi sau mai multi codoni. Astfel, aminoacidul fenilalanina este codificat de secventa UUU sau UUC.

Codoni stop: exista 3 codoni stop (UAA, UGA, UAG) care la eucariote determina sfarsitul mesajului genetic si un pozitia unui aminoacid in catena polipeptidica.

Codoni ambigui: exista 2 codoni ambigui (AUG si GUG), care dependent de pozitia lor in molecula ARN-m, determina pozitia unor aminoacizi diferiti. Ambii codoni se pot gasi la inceputul moleculei ARN-m, in interiorul ei, dar un terminal, unde se afla unul din codonii stop. Situati in prima pozitie, ambii codoni determina includerea aminoacidului metionina-formiata. Aflati in interiorul ARN-m (dar nu terminal), codonul AUG codifica metionina, iar GUG codifica valina. In general, dupa terminarea sintezei proteice, primul aminoacid din catena polipeptidica sintetizata e inlaturat.

Codul genetic e universal si are origine foarte veche: aceiasi codoni determina pozitia aceluiasi aminoacid la organisme diferite, cu vechime filogenetica diferita.

Codul genetic a evoluat in timp, dovada fiind unele exceptii de la codul genetic, exceptii intalnite in organisme foarte vechi filogenetic. Aceste exceptii se refera in principal la codonii de tip stop, care initial aveau rol in determinismul unui anumit aminoacid. Astfel, la procariotul Mycoplascma capricolum, codonul UGA determina pozitia triptofanului. De asemenea, la unele ciliate, codonii UAA si UAG determina pozitia glutaminei. E T A P E L E S I N T E Z E I P R O T E I C E Biosinteza proteica are loc in 2 etape principale, transcriptia si translatia, la nivelul carora pot actiona diferite mecanisme de control. 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. (pg 22 manual desen)TRANSCRIPTIA transferul informatiei genetice din secventa de nucleotide a uneia din catenele ADN (3-5) in catena ARN-m. Deci, informatia genetica se transcrie dintr-o secventa de nucleotide, intr-o alta secventa de nucleotide. Procesul de transcriptie se realizeaza cu ajutorul enzimei ARN-polimeraza. Codonul de initiere a sintezei unei unitati de transcriptie (a unei molecule ARN-m) se afla in general in 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 ARN-m, respectiv unul dintre ACT, ATT sau ATC.Unitatea de transcriptie =portiune din molecula de acid nucleic care contine informatia genetica pentru sinteza unei molecule de ARN-m. Intre doua unitati de transcriptie alaturate se afla secvente de ADN non-informational. Marimea unei unitati de transcriptie difera la procariote de eucariote. 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. Aproximativ 2% din ADN contine informatii cu privire la sinteza despre proteine, restul fiind alcatuit strict din secvente fara insemnatate pentru acest proces. La nivelul moleculei de ADN, intr-o unitate de transcriptie exista si secvente informationale (exoni), dar si secvente non-informationale (introni). In urma procesului de transcriptie, la eucariote rezulta ARN-precursor, ce contine si introni si exoni. Inainte de a trece la etapa ulterioara a sintezei proteice, translatia, este necesara maturarea ARN-m. Maturarea ARN-m are loc in momentul eliminarii intronilor si asamblarii exonilor, sub actiunea unor enzime: endonucleaze si ligaze. TRANSLATIA consta in transferul informatiei genetice din secventa de nucleotide a ARN-m in secventa de aminoacizi din catena polipeptidica. Are loc, deci, traducerea mesajului genetic, dintr-o secventa de nucleotide intr-una de aminoacizi. Procesul are 3 stadii:

a) Initierea sintezei proteice : in citoplasma se afla molecule de ATP (substanta macroergica), cele 64 de tipuri de ARN-t (cate un tip pentru fiecare codon in parte), cele 20 de tipuri de aminoacizi proteici, ARN-m si ribozomi. ARN-m 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, urmatoarele 2 reactii, sub actiunea enzimei aminoacil-sintetaza (E1), rezultand complexul aminoacil~ARN-t:

AA1 + ATP -> AA1~AMP + P~P

AA1 ~AMP + ARN-t1 -> AA1~ARN-t1 + AMPIn dreptul codonului de initiere AUG din molecula ARN-m, situat in dreptul locusului A, va veni complexul ARN-t1~AA1 cu secventa anticodon UAC, care poarta aminoacidul metionina-formiata. Imediat, are loc deplasarea relativa a ARN-m fata de ribozom cu o distanta de un codon; in acest fel, primul complex aminoacil~ARN-t1 (care a transportat metionina-formiata), ajunge in locusul P de pe suprafata ribozomului, locusul A devenind liber. - schema pg 23 manual

b) Formarea si elongarea catenei polipeptidice: formarea primului dipeptid este precedata de deplasarea complexului aminoacil~ARN-t1 in dreptul locusului P de pe suprafata ribozomului, locusul A devenind liber. Aici va veni acel complex ARN-t2~AA2, al carui anticodon este complementar codonului ARN-m 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): AA1~ARN-t1 + AA2~ARN-t2 -> AA1~AA2 + ARN-t1 + ARN-t2Dupa formarea legaturii dipeptidice, ribozomul se misca relativ fata de ARN-m cu o distanta de un codon si locusul A devine liber, pentru a primi un nou aminoacid. Procesul are loc in acest fel cu decodificarea informatiei genetice din molecula de ARN-m, pana ce se ajunge la ultimul codon, unul din codonii stop. In acest caz, un mai este adus niciun aminoacid la catena polipeptidica sintetizata.

c) Sistarea sintezei proteice: atunci cand codonul stop ajunge in dreptul locusului A, pe suprafata ribozomului se va atasa un factor RF (factor de eliberare). Ajunsa apoi in dreptul locusului Ex, catena polipeptidica sintetizata si factorul RF se desprind de pe suprafata ribozomului. Ulterior, are loc desprinderea primului aminoacid (metionina-formiata) si formarea structurii secundare a moleculei de proteina. Pe suprafata unei molecule de ARN-m se ataseaza de obicei mai multi ribozomi, care formeaza asa-numitii poliribozomi sau polizomi, avand loc astfel sinteza mai multor catene polipeptidice pe baza aceleiasi informatii genetice. Modificari post translationale:

In urma sintezei proteice, rezulta o catena polipeptidica, in care aminoacizii se afla intr-o 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 e 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 sau glicozilata enzimatic, ori digerata partial sub actiunea enzimelor peptidaze etc.

Fosforilarea implica adaugarea uneia sau mai multor grupari fosfat, iar glicozilarea implica aditia uneia sau mai multor grupe carbohidrat.

In alte cazuri, proteina sintetizata va fi digerata partial sub actiunea peptidazelor, pentru a deveni activa. De exemplu, in celulele beta ale pancreasului endocrin, in urma sintezei proteice, rezulta pre-proinsulina. Conversia acesteia in insulina activa are loc in doua etape: in prima are loc eliminarea secventei semnal (situata la capatul catenei B), rezultand proinsulina, alcatuita din 3 catene polipeptidice (A,B,C), iar in a doua etapa are loc eliminarea catenei polipeptidice C si formarea a doua legaturi disulfurice intercatenare si una intracatenara, rezultand in final insulina activa, alcatuita din 51 de aminoacizi. Pg 25 poza manual

Bibliografie :

Manual Chimie, clasa a X-a, Luminita Vladescu

Manual Chimie, clasa a XI-a, Elena Alexandrescu

Chimie Organica vol. II, C.D. Nenitescu

Manual Biologie, clasa a IX-a, Aurel Ardelean Manual Biologie, clasa a XII-a, Gabriel Corneanu