SINTEZA PROTEINELOR: ETAPE ȘI CARACTERISTICILE ACESTORA - BIOLOGIE - 2025

Sinteza proteinelor este un eveniment biologic care are loc în aproape toate ființele vii. Celulele preiau în permanență informațiile care sunt stocate în ADN și, datorită prezenței unor utilaje specializate extrem de complexe, o transformă în molecule proteice.

Cu toate acestea, codul de 4 litere criptat în ADN nu este tradus direct în proteine. O moleculă ARN care funcționează ca un intermediar, numit ARN mesager, este implicată în proces.

Sinteza proteinei.
Sursa: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a7/Ribosome_mRNA_translation_es.svg

Atunci când celulele au nevoie de o anumită proteină, secvența de nucleotide a unei porțiuni adecvate de ADN este copiată în ARN - într-un proces numit transcripție - iar acest lucru, la rândul său, este tradus în proteina în cauză.

Fluxul de informații descris (ADN la ARN mesager și ARN mesaj la proteine) apare de la ființe foarte simple, cum ar fi bacteriile la om. Această serie de pași a fost numită „dogma” centrală a biologiei.

Mașinile responsabile de sinteza proteinelor sunt ribozomii. Aceste mici structuri celulare se găsesc într-o mare măsură în citoplasmă și ancorate în reticulul endoplasmatic.

Ce sunt proteinele?

Proteinele sunt macromolecule formate din aminoacizi. Acestea constituie aproape 80% din protoplasma unei celule deshidratate întregi. Toate proteinele care alcătuiesc un organism se numesc „proteom”.

Funcțiile sale sunt multiple și variate, de la roluri structurale (colagen) la transport (hemoglobină), catalizatori pentru reacții biochimice (enzime), apărare împotriva agenților patogeni (anticorpi), printre altele.

Există 20 de tipuri de aminoacizi naturali care sunt combinați de legături peptidice pentru a forma proteine. Fiecare aminoacid este caracterizat prin faptul că are un grup particular care îi conferă proprietăți chimice și fizice particulare.

Etapele și caracteristicile

Modul în care celula reușește să interpreteze mesajul ADN apare prin două evenimente fundamentale: transcrierea și traducerea. Multe copii de ARN, care au fost copiate din aceeași genă, sunt capabile să sintetizeze un număr semnificativ de molecule proteice identice.

Fiecare genă este transcrisă și tradusă în mod diferit, permițând celulei să producă cantități diferite dintr-o mare varietate de proteine. Acest proces implică diferite căi de reglementare celulare, care includ, în general, controlul producției de ARN.

Primul pas pe care celula trebuie să-l facă pentru a începe producția de proteine ​​este să citești mesajul scris pe molecula de ADN. Această moleculă este universală și conține toate informațiile necesare pentru construcția și dezvoltarea ființelor organice.

În continuare vom descrie cum are loc sinteza proteinelor, începând acest proces de „citire” a materialului genetic și terminând cu producerea de proteine ​​în sine.

Transcriere: de la ADN la ARN mesager

Mesajul de pe dubla helixă ADN este scris într-un cod de patru litere care corespunde bazelor adenină (A), guanină (G), citozină (C) și timină (T).

Această secvență de litere ADN servește ca un șablon pentru a construi o moleculă echivalentă de ARN.

Atât ADN-ul cât și ARN sunt polimeri liniari alcătuiți din nucleotide. Cu toate acestea, diferă chimic în două aspecte fundamentale: nucleotidele din ARN sunt ribonucleotide, iar în locul timinei de bază, ARN are uracil (U), care se împerechează cu adenină.

Procesul de transcriere începe cu deschiderea dublei elice într-o anumită regiune. Unul din cele două lanțuri acționează ca un „șablon” sau șablon pentru sinteza ARN. Nucleotidele vor fi adăugate urmând regulile de împerechere de bază, C cu G și A cu U.

Principala enzimă implicată în transcriere este ARN polimeraza. Este responsabil de catalizarea formării legăturilor fosfodiester care se unesc cu nucleotidele lanțului. Lanțul se extinde în direcția 5 'până la 3'.

Creșterea moleculei implică diferite proteine ​​cunoscute sub numele de „factori de alungire” care sunt responsabili de menținerea legării polimerazei până la sfârșitul procesului.

Splicing de ARN mesager

Sursa: By BCSteve, de la Wikimedia Commons În eucariote, genele au o structură specifică. Secvența este întreruptă de elemente care nu fac parte din proteină, numite introni. Termenul se opune exonului, care include porțiuni ale genei care va fi tradusă în proteine.

Splicingul este un eveniment fundamental care constă în eliminarea intronilor moleculei de mesagerie, pentru a vărsa o moleculă construită exclusiv de exoni. Produsul final este ARN-ul mesagerului matur. Fizic, are loc în spliceozom, un utilaj complex și dinamic.

În plus față de splicing, ARN-ul mesager suferă codificări suplimentare înainte de a fi tradus. Se adaugă o „capotă” a cărei natură chimică este un nucleotid de guanină modificat, iar la capătul 5 ’și o coadă a mai multor adenine la celălalt capăt.

Tipuri de ARN

În celulă se produc diferite tipuri de ARN. Unele gene din celulă produc o moleculă de ARN mesager și aceasta este tradusă în proteine ​​- așa cum vom vedea mai târziu. Cu toate acestea, există gene al căror produs final este molecula de ARN în sine.

De exemplu, în genomul drojdiei, aproximativ 10% din genele de drojdie au molecule de ARN ca produs final. Este important să le menționăm, deoarece aceste molecule joacă un rol fundamental atunci când vine vorba de sinteza proteinelor.

- ARN ribozomal: ARN ribozomal face parte din inima ribozomilor, structuri cheie pentru sinteza proteinelor.

Sursa: Jane Richardson (Dcrjsr), de la Wikimedia Commons Procesarea ARN-urilor ribozomale și asamblarea lor ulterioară în ribozomi are loc într-o structură foarte vizibilă a nucleului - deși nu este delimitată de membrană - numită nucleol.

- ARN de transfer: funcționează ca un adaptor care selectează un aminoacid specific și, împreună cu ribozomul, încorporează reziduul de aminoacizi în proteină. Fiecare aminoacid este legat de o moleculă de ARN de transfer.

În eucariote există trei tipuri de polimeraze care, deși sunt foarte similare structural unele cu altele, joacă roluri diferite.

ARN polimeraza I și III transcriu genele care codifică ARN-ul de transfer, ARN ribozomal și unele ARN-uri mici. ARN polimeraza II vizează traducerea genelor care codifică proteinele.

- ARN-uri mici legate de reglare: Alte ARN-uri de lungă durată participă la reglarea expresiei genice. Acestea includ microARN și ARN-uri mici interferice.

MicroRNAs reglează expresia prin blocarea unui mesaj specific, iar cele mici care interferă închid expresia prin degradarea directă a mesagerului. În mod similar, există ARN-uri nucleare mici care participă la procesul de împletire a ARN-ului mesager.

Traducere: de la ARN mesager la proteine

Odată ce ARN-ul mesager se maturizează prin procesul de împletire și se deplasează de la nucleu la citoplasma celulară, începe sinteza proteinelor. Acest export este mediat de complexul de pori nucleari - o serie de canale apoase situate în membrana nucleului care conectează direct citoplasma și nucleoplasma.

În viața de zi cu zi, folosim termenul „traducere” pentru a ne referi la conversia cuvintelor dintr-o limbă în alta.

De exemplu, putem traduce o carte din engleză în spaniolă. La nivel molecular, traducerea presupune trecerea de la limbaj la ARN la proteine. Pentru a fi mai precis, este schimbarea de la nucleotide la aminoacizi. Dar cum se produce această schimbare a dialectului?

Codul genetic

Secvența de nucleotide a unei gene poate fi transformată în proteine ​​respectând regulile stabilite de codul genetic. Aceasta a fost descifrată la începutul anilor ’60.

După cum cititorul va putea deduce, traducerea nu poate fi una sau una, deoarece există doar 4 nucleotide și 20 de aminoacizi. Logica este următoarea: unirea a trei nucleotide este cunoscută sub numele de "triplete" și acestea sunt asociate cu un anumit aminoacid.

Deoarece pot exista 64 de triplete posibile (4 x 4 x 4 = 64), codul genetic este redundant. Adică același aminoacid este codificat de mai multe triplete.

Prezența codului genetic este universală și este folosită de toate organismele vii care locuiesc astăzi pe pământ. Această utilizare vastă este una dintre cele mai marcante omologii moleculare ale naturii.

Cuplarea aminoacidului la transferul ARN

Codonii sau tripletele găsite în molecula ARN mesager nu au capacitatea de a recunoaște direct aminoacizii. În schimb, traducerea ARN-ului mesager depinde de o moleculă care poate recunoaște și lega codonul și aminoacidul. Această moleculă este ARN-ul de transfer.

ARN de transfer se poate plia într-o structură tridimensională complexă care seamănă cu un trifoi. În această moleculă există o regiune numită "anticodon", formată din trei nucleotide consecutive care se împerechează cu nucleotidele complementare consecutive ale lanțului ARN mesager.

După cum am menționat în secțiunea anterioară, codul genetic este redundant, astfel că unii aminoacizi au mai mult de un ARN de transfer.

Detecția și fuziunea aminoacidului corect la ARN-ul de transfer este un proces mediat de o enzimă numită aminoacil-ARNt sintaza. Această enzimă este responsabilă de cuplarea ambelor molecule printr-o legătură covalentă.

Mesajul ARN este decodificat de ribozomi

Pentru a forma o proteină, aminoacizii sunt legați împreună prin legături peptidice. Procesul de citire a ARN-ului mesager și legarea aminoacizilor specifici are loc în ribozomi.

ribozomii

Ribozomii sunt complexe catalitice formate din peste 50 de molecule proteice și diferite tipuri de ARN ribozomal. În organismele eucariote, o celulă medie conține în medie milioane de ribozomi din mediul citoplasmatic.

Structural, un ribozom este format dintr-o subunitate mare și mică. Rolul porțiunii mici este să se asigure că ARN-ul de transfer este corect asociat cu ARN-ul mesager, în timp ce subunitatea mare catalizează formarea legăturii peptidice între aminoacizi.

Când procesul de sinteză nu este activ, cele două subunități care alcătuiesc ribozomii sunt separate. La începutul sintezei, ARN-ul mesager se alătură ambelor subunități, în general aproape de capătul 5 '.

În acest proces, alungirea lanțului polipeptidic are loc prin adăugarea unui nou reziduu de aminoacizi în următoarele etape: legarea ARN-ului de transfer, formarea legăturii peptidice, translocarea subunităților. Rezultatul acestui ultim pas este mișcarea întregului ribozom și începe un nou ciclu.

Alungirea lanțului polipeptidic

La ribozomi se disting trei site-uri: site-ul E, P și A (vezi imaginea principală). Procesul de alungire începe atunci când unii aminoacizi au fost deja legați covalent și există o moleculă de ARN de transfer la locul P.

Transferul ARN având următorul aminoacid care trebuie încorporat se leagă la situsul A prin asocierea bazei cu ARN-ul mesager. Porțiunea carboxil-terminală a peptidei este apoi eliberată din ARN-ul de transfer la locul P prin ruperea unei legături de mare energie între ARN-ul de transfer și aminoacidul pe care îl transportă.

Aminoacidul liber este atașat la lanț și se formează o nouă legătură peptidică. Reacția centrală în acest întreg proces este mediată de enzima peptidil transferază, care se găsește în subunitatea mare a ribozomilor. Astfel, ribozomul călătorește prin ARN-ul mesager, transpunând dialectul de la aminoacizi la proteine.

Ca și în transcriere, factorii de alungire sunt de asemenea implicați în timpul traducerii proteinelor. Aceste elemente cresc viteza și eficiența procesului.

Completarea traducerii

Procesul de traducere se încheie când ribozomul întâlnește codonii de oprire: UAA, UAG sau UGA. Acestea nu sunt recunoscute de niciun ARN de transfer și nu leagă niciun aminoacizi.

În acest moment, proteinele cunoscute sub denumirea de factori de eliberare se leagă de ribozom și provoacă cataliza unei molecule de apă și nu a unui aminoacid. Această reacție eliberează capătul carboxil terminal. În cele din urmă, lanțul peptidic este eliberat în citoplasma celulară.

Referințe

1. Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L. (2002). Biochimie. Ediția a 5-a. New York: WH Freeman.
2. Curtis, H., & Schnek, A. (2006). Invitatie la biologie. Editura Medicală Panamericană.
3. Darnell, JE, Lodish, HF și Baltimore, D. (1990). Biologia celulelor moleculare. New York: Scientific American Books.
4. Hall, JE (2015). Cartea manuală de fiziologie medicală Guyton and Hall. Științele sănătății Elsevier
5. Lewin, B. (1993). genele Volumul 1. Reverte.
6. Lodish, H. (2005). Biologie celulară și moleculară. Editura Medicală Panamericană.
7. Ramakrishnan, V. (2002). Structura ribozomului și mecanismul traducerii. Celulă, 108 (4), 557-572.
8. Tortora, GJ, Funke, BR, & Case, CL (2007). Introducere în microbiologie. Editura Medicală Panamericană.
9. Wilson, DN și Cate, JHD (2012). Structura și funcția ribozomului eucariot. Cold Spring Harbor perspective în biologie, 4 (5), a011536.