Sinteza proteinelor
Definiție
Sinteza proteinelor este procesul prin care lanțurile polipeptidice sunt formate din combinații codificate de aminoacizi individuali în interiorul celulei. Sinteza de noi polipeptide necesită o secvență codificată, enzime și acizi ribonucleici (ARN) mesageri, ribozomali și de transfer. Sinteza proteinelor are loc în nucleul și ribozomii unei celule și este reglată de ADN și ARN.
Etapele sintezei proteinelor
Etapele sintezei proteinelor sunt de două feluri. În primul rând, codul pentru o proteină (un lanț de aminoacizi într-o anumită ordine) trebuie copiat din informația genetică conținută în ADN-ul unei celule. Această etapă inițială de sinteză a proteinelor este cunoscută sub numele de transcriere.
Transcrierea produce o copie exactă a unei secțiuni de ADN. Această copie este cunoscută sub numele de ARN mesager (ARNm), care trebuie apoi să fie transportată în afara nucleului celular înainte ca următoarea etapă de sinteză a proteinelor să poată începe.
A doua etapă de sinteză a proteinelor este traducerea. Traducerea are loc în cadrul unui organit celular numit ribozom. ARN-ul mesager se îndreaptă spre ribozom și se conectează cu acesta sub influența ARN-ului ribozomal și a enzimelor. ARN-ul de transfer (ARNt) este o moleculă care transportă un singur aminoacid și o secvență codificată care acționează ca o cheie. Această cheie se potrivește într-o secvență specifică de trei coduri de pe ARNm, aducând aminoacidul corect la locul său. Fiecare set de trei baze azotate din ARNm se numește codon.
Traducerea și transcrierea vor fi explicate mult mai detaliat în continuare. Pentru ca sinteza proteinelor să rămână simplă, trebuie mai întâi să cunoaștem elementele de bază.
Polipeptide și proteine
Rezultatul sintezei proteinelor este un lanț de aminoacizi care au fost atașați, verigă cu verigă, într-o anumită ordine. Acest lanț se numește polimer sau polipeptidă și este construit în conformitate cu un cod bazat pe ADN. Vă puteți imagina un lanț polipeptidic ca pe un șir de mărgele, fiecare mărgea jucând rolul unui aminoacid. Ordinea în care sunt înșirate mărgelele este copiată din instrucțiunile din ADN-ul nostru.
Când vorbim despre sinteza proteinelor, este important să facem o distincție între lanțurile polipeptidice și proteine. Toate proteinele sunt polipeptide, dar nu toate polipeptidele sunt proteine; cu toate acestea, atât proteinele cât și polipeptidele sunt compuse din monomeri de aminoacizi.
Diferența dintre o proteină și o polipeptidă este forma. Lanțurile mai mici de aminoacizi – de obicei mai puțin de patruzeci – rămân sub formă de catene unice și se numesc polipeptide. Lanțurile mai mari trebuie să se împacheteze mai strâns; ele se pliază în structuri fixe – secundară, terțiară și cuaternară. Atunci când un lanț polipeptidic se pliază, se numește proteină.
Lanțurile polipeptidice se formează în timpul procesului de traducere a sintezei proteinelor. Aceste polipeptide pot sau nu să se plieze în proteine într-o etapă ulterioară. Cu toate acestea, termenul „sinteza proteinelor” este utilizat chiar și în comunitatea științifică și nu este incorect.
Înțelegerea sintezei proteinelor este ușoară atunci când ne imaginăm ADN-ul nostru ca pe o carte de rețete. Această carte enumeră instrucțiunile care arată unei celule cum să fabrice fiecare mică parte a fiecărui sistem, organ și țesut din corpul nostru. Toate aceste părți individuale sunt polipeptide. De la cheratina din părul și unghiile dumneavoastră până la hormonii care vă traversează fluxul sanguin, polipeptidele și proteinele sunt pietrele de temelie ale fiecărei structuri. ADN-ul nostru nu codifică pentru lipide sau carbohidrați – el codifică doar pentru polipeptide.
Enzima ARN polimeraza deschide cartea de rețete a ADN-ului care se află în interiorul nucleului celular. Aceasta folosește anumite fragmente de cod ca semne de carte pentru a găsi pagina potrivită. Această carte de rețete este scrisă într-o limbă străină – ARNm copiază ceea ce este scris fără să o înțeleagă. Rețetele sunt traduse într-o limbă pe care alte molecule o pot descifra într-o etapă ulterioară. Traducătorii sunt ribozomii și ARNt. Aceștia citesc rețeta și pot colecta ingredientele potrivite și, în ordinea corectă, să realizeze produsul polipeptidic finit.
Secvențe de ADN
În nucleu, două șiruri de ADN sunt ținute împreună de baze azotate (numite și nucleoaze sau baze). Patru baze – citozina, guanina, adenina și timina – formează literele cuvintelor din cartea de rețete a ADN-ului.
Unul dintre firele de ADN conține codul original. Dacă instrucțiunile acestui cod sunt urmate cu atenție, o polipeptidă specifică corectă poate fi asamblată în afara nucleului. Cea de-a doua catenă de ADN – catena șablon – este o imagine în oglindă a catenei originale. Trebuie să fie o imagine în oglindă, deoarece bazele nucleice se pot atașa numai la parteneri complementari. De exemplu, citozina se împerechează numai cu guanina, iar timina se împerechează numai cu adenina.
Probabil că ați văzut coduri precum CTA, ATA, TAA și CCC în diverse manuale de biologie. Dacă aceștia sunt codonii (seturi de trei baze) din șuvița originală de ADN, șuvița șablon se va atașa la aceștia folosind partenerii lor. Astfel, folosind exemplele date, ADN-ul șablon se va atașa la șuvița originală de ADN folosind GAT, TAT, ATT și GGG.
ARN-ul mesager copiază apoi șuvița șablon. Acest lucru înseamnă că sfârșește prin a crea o copie exactă a șirului original. Singura diferență este că ARNm înlocuiește timina cu o bază numită uracil. Copia ARNm a șablonului șablon folosind exemplele date ar fi CUA, AUA, UAA și CCC.
Aceste coduri pot fi citite de ARN de transfer în afara nucleului; rețeta poate fi înțeleasă de o moleculă care nu înțelege pe deplin limbajul utilizat în original (nu înțelege timina, ci doar uracilul). ARN-ul de transfer ajută la aducerea pieselor potrivite pe linia de asamblare a ribozomului. Acolo, se construiește un lanț proteic care corespunde instrucțiunilor din șirul original de ADN.
Contribuții la sinteza proteinelor
Pentru a realiza porțiunea de cod copiată (transcriere) avem nevoie de enzime numite ARN polimeraze. Aceste enzime adună moleculele de ARN mesager (ARNm) care plutesc liber în interiorul nucleului și le asamblează pentru a forma literele codului. Fiecare literă a codului ADN are propria cheie și fiecare nouă literă formată de ARNm poartă o încuietoare care se potrivește cu această cheie, un pic ca ARNt.
Rețineți că vorbim despre litere. Acest lucru este important. În interiorul nucleului, codul ADN nu este înțeles, ci pur și simplu copiat – transcris. Înțelegerea codului prin silabisirea cuvintelor formate din aceste litere – traducerea – are loc într-o etapă ulterioară.
ARN polimeraza trebuie să găsească și să aducă molecula de ARNm corespunzătoare pentru fiecare bază azotată de pe șablonul șablon. Moleculele de ARNm selectate se leagă între ele pentru a forma un lanț de litere. În cele din urmă, aceste litere vor silabisi echivalentul unei fraze. Fiecare frază reprezintă un produs (polipeptidic) specific. Dacă rețeta nu este respectată întocmai, produsul final ar putea fi complet diferit sau nu va funcționa la fel de bine cum ar trebui.
ARN-ul mesager a devenit acum codul. Acesta călătorește către următorul grup de contribuitori importanți care funcționează ca fabrici de producție. Ribozomii se găsesc în afara nucleului celular, fie în citoplasma celulară, fie atașați de reticulul endoplasmatic dur; ribozomii sunt cei care fac ca reticulul endoplasmatic să fie „dur”.
Un ribozom este împărțit în două părți, iar șirul de ARNm trece prin el ca o panglică printr-o mașină de scris de modă veche. Ribozomul recunoaște și se conectează la un cod special de la începutul frazei traduse – codonul de început. Moleculele de ARN de transfer intră în ribozom, aducând cu ele ingrediente individuale. Ca și în cazul tuturor acestor procese, sunt necesare enzime pentru a realiza conexiunile.
Dacă fiecare codon de ARNm are o încuietoare, ARNt posedă cheile. Cheia ARNt pentru un codon ARNm se numește anticodon. Atunci când o moleculă de ARNt deține cheia care se potrivește cu un cod de trei nucleobaze, aceasta poate deschide ușa, își lasă încărcătura (un aminoacid) și părăsește fabrica de ribozomi pentru a colecta o altă încărcătură de aminoacizi. Acesta va fi întotdeauna același tip de aminoacid ca și anticodonul.
ARN-ul mesager se deplasează de-a lungul ribozomului ca pe o bandă rulantă. La următorul codon, o altă moleculă de ARNt (cu cheia potrivită) aduce următorul aminoacid. Acest aminoacid se leagă de cel anterior. Începe să se formeze un lanț de aminoacizi legați – un lanț polipeptidic. Când este finalizat, acest lanț polipeptidic este un produs final precis, fabricat conform instrucțiunilor din cartea de rețete a ADN-ului. Nu o plăcintă sau o prăjitură, ci un lanț polipeptidic.
Finalul procesului de traducere a codului ARNm este semnalat de un codon de oprire. Codonii de start și de stop nu codifică aminoacizi, dar indică ARNt și ribozomului unde trebuie să înceapă și să se termine un lanț polipeptidic.
Produsul finit – polipeptidul nou sintetizat – este eliberat în citoplasmă. De acolo se poate deplasa acolo unde este necesar.
Locul de sinteză a proteinelor
Locul de sinteză a proteinelor este dublu. Transcripția (copierea codului) are loc în interiorul nucleului celular, unde se află ADN-ul. Odată ce copia ARNm a unei mici secțiuni de ADN a fost realizată, aceasta călătorește prin porii nucleari și ajunge în citoplasma celulară. În citoplasmă, șirul de ARNm se va deplasa către un ribozom liber sau unul atașat la reticulul endoplasmatic dur. Apoi, următoarea etapă a sintezei proteinelor – traducerea – poate începe.
Noi roluri pentru ribozomi
Celula medie a mamiferelor conține mai mult de zece milioane de ribozomi. Celulele canceroase pot produce până la 7.500 de subunități ribozomiale (mici și mari) în fiecare minut. În calitate de fabrică producătoare de polipeptide, existența, dezvoltarea și funcționarea fiecărui organism viu depind de ribozom.
Până acum se credea că ribozomii eucarioți au jucat doar roluri efectoare în sinteza proteinelor (au provocat un efect – o nouă proteină). Cu toate acestea, cercetări recente arată acum că ribozomii reglează, de asemenea, procesul de traducere. Aceștia joacă un rol în a decide ce proteine sunt fabricate și în ce cantități. Succesul și rezultatele traducerii depind de mai mult decât de disponibilitatea aminoacizilor liberi și a enzimelor – ele depind și de calitatea ribozomilor.
Transcripția în sinteza proteinelor
Procesul de transcripție este prima etapă a sintezei proteinelor. Această etapă transferă informația genetică de la ADN la ribozomii din citoplasmă sau din reticulul endoplasmatic dur. Transcripția este împărțită în trei faze: inițiere, elongație și terminare.
Inițierea
Inițierea necesită două grupe proteice speciale. Primul grup este cel al factorilor de transcripție – aceștia recunosc secvențele promotoare din ADN. O secvență promotoare este o secțiune de cod care se găsește la începutul unei singure gene și care arată unde trebuie să înceapă procesul de copiere și în ce direcție trebuie citit acest cod. Un promotor funcționează un pic ca și codonul de start pe ARNm.
Cel de-al doilea grup de proteine necesare pentru inițierea transcripției este format din ARN-polimerazele dependente de ADN (RNAPs). O moleculă de ARN polimerază se leagă de promotor. Odată realizată această conexiune, ADN-ul bicatenar se derulează și se deschide (desface).
Bazele conectate între ele mențin cele două șiruri de ADN în formă de dublu helix. Atunci când cele două șiruri se desfac, bazele individuale și acum neîmperecheate sunt lăsate la vedere. Procesul de desfacere se repetă de-a lungul tronsonului de ADN de către RNAP-uri până când este atins punctul de oprire a transcrierii sau terminatorul. Inițierea, prin urmare, implică recunoașterea unei secvențe promotor și desfacerea unei secțiuni de ADN sub influența factorilor de transcripție și a ARN-polimerazelor.
Elongația
Următoarea fază în procesul de transcripție este elongația. Cu secvența codificată expusă, RNAP-urile pot citi fiecare bază individuală de adenină, guanină, citozină sau timină de pe șablonul șablon și pot conecta la aceasta baza parteneră corectă. Este important de reținut că ARN nu poate replica timina și o înlocuiește cu nucleobaza cunoscută sub numele de uracil.
Dacă, de exemplu, o secvență scurtă de ADN de pe șablonul șablon este reprezentată de C-A-G-T-T-A sau citosină-adenină-guanină-guanină-timină-timină-adenină, RNAP va conecta bazele partenere corecte obținute din populațiile de baze libere din nucleu. În acest exemplu, ARN polimeraza va atașa o bază de guanină la citozină, uracilul la adenină, citozina la guanină și adenina la timină pentru a forma un șir de ARN mesager cu secvența codificată de baze azotate G-U-C-C-A-A-A-U. Acest proces se repetă până când enzima RNAP detectează o secvență de cod genetic care îl termină – terminatorul.
Terminația
Când RNAP detectează o secvență terminator, are loc faza finală a transcripției – terminarea. Șirul de RNAP-uri se deconectează de la ADN, iar rezultatul este un șir de ARN mesager. Acest ARNm poartă codul care va instrui în cele din urmă ARNt ce aminoacizi să aducă la un ribozom.
ARN-ul mesager părăsește nucleul prin porii nucleari în primul rând prin difuzie, dar uneori are nevoie de ajutorul enzimelor transportoare și de ATP pentru a ajunge la destinație.
Procesul de traducere în sinteza proteinelor
În timpul procesului de traducere, subunitățile mici și mari ale unui ribozom se închid peste un șir de ARNm, prinzându-l liber în interior. Ribozomii aranjează șirul în codoni sau seturi de trei litere de baze azotate. Acest lucru se datorează faptului că codul pentru un singur aminoacid – cea mai de bază formă a unei proteine – este un cod de trei litere de bază nucleară.
Deoarece ribozomii recunosc părți din cod, putem spune că îl înțeleg. Amestecul de litere copiate realizat în timpul fazei de transcriere poate fi citit și înțeles în faza de traducere.
De exemplu, GGU, GGC, GGA și GGG codifică aminoacidul cunoscut sub numele de glicină. Majoritatea aminoacizilor au coduri multiple, deoarece acest lucru scade șansele de greșeală – dacă ARN polimeraza conectează din greșeală adenina în loc de citozină la GG, nu contează. Atât GGC, cât și GGA codifică același aminoacid. Puteți vedea o listă de codoni ARNm pentru cei douăzeci de aminoacizi neesențiali aici.
Există un singur cod de codon de început – AUG. Trei codoni – TAA, TAG și TGA – reprezintă codoni de oprire. Nici codonii de start, nici cei de stop nu corespund codului unui aminoacid; ei sunt necodificatori. Unicul codon de start și cei trei codoni de stop sunt clar marcați pe această roată a codonilor.
Când un codon devine vizibil – odată ce codonul anterior a fost legat de un aminoacid – o secțiune a unei molecule de ARN de transfer se potrivește în codonul ARNm. Această „cheie” se numește anticodon. ARN-ul de transfer are două roluri – să se atașeze la un aminoacid în afara ribozomului și să desfășoare acest aminoacid la momentul potrivit și în poziția corectă pe un lanț de ARNm în cadrul ribozomului.
Decâteva zeci de mii de molecule de ARN de transfer produc un lanț polipeptidic. Titina sau connectina este cea mai mare moleculă proteică și conține aproximativ 33.000 de aminoacizi. Cea mai mică polipeptidă funcțională este glutationul – doar trei aminoacizi. Pentru a produce glutation, mai întâi ribozomul și ARNt trebuie să citească codonul de start (trei baze), apoi să citească primul codon care codifică proteina (trei baze), al doilea (trei baze), al treilea (trei baze) și codonul de oprire (trei baze). Rețetele (secvențele) ADN și ARNm codificatoare pentru glutation conțin nouă baze. Este posibil să existe sau nu secțiuni suplimentare de ADN necodificator în cadrul acestei rețete. Secvențele necodificatoare nu produc aminoacizi.
Ca și în cazul procesului de transcriere, traducerea în cadrul ribozomului este, de asemenea, împărțită în cele trei etape de inițiere, alungire și terminare.
Inițierea implică recunoașterea de către ribozom a codonului de start al ARNm. Alungirea se referă la procesul prin care ribozomul se deplasează de-a lungul transcriptului ARNm, recunoscând și expunând codonii individuali, astfel încât ARNt să poată aduce aminoacizii potriviți. Brațul anticodon al ARNt se atașează la codonul corespunzător al ARNm sub influența enzimelor ribozomale.
În cele din urmă, terminarea are loc atunci când ribozomul recunoaște codonul de oprire al ARNm; lanțul polipeptidic finalizat este apoi eliberat în citoplasmă. Acesta este trimis acolo unde este nevoie de el – în interiorul celulei sau către alte țesuturi, ieșind din membrana celulară prin exocitoză.
Quiz
Bibliografie
- Barna M. (2013). Ribozomii preiau controlul. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 110(1), 9-10. https://doi.org/10.1073/pnas.1218764110
- Hatfield DL, Lee JL, Pirtle RM (Ed). (2018). ARN de transfer în sinteza proteinelor.Boca Raton (FL), CRC Press.
- Rodwell, VW, Bender DA, Botham KM, Kennelly PJ, Weil PA. (2018). Biochimie ilustrată Harper’s Illustrated Biochemistry Ediția a treizeci și una. New York, McGraw Hill Professional.
- Vargas DY, Raj A, Marras SAE, Kramer FR, Tyagi S. (2005). Mecanismul de transport al ARNm în nucleu. Proceedings of the National Academy of Sciences. Nov 2005, 102 (47) 17008-17013; DOI: 10.1073/pnas.0505580102