BIOLOGIE GENERALĂ. - moleculară şi celulară - CURS VIII Codul gentic transcrierea şi traducerea informaţiei genetice

Transkripsi

1 BIOLOGIE GENERALĂ - moleculară şi celulară - CURS VIII Codul gentic transcrierea şi traducerea informaţiei genetice

2 DOGMA CENTRALĂ A BIOLOGIEI MOLECULARE Transcriere (transcripție) Traducere (translație) ADN ARN Proteine Informaţie Informaţie Secvenţă de nucleotide Secvenţă de nucleotide Secvenţă de aminoacizi (A;T;G;C) (A;U;G;C) Nucleu Ribozomi (citoplasmă) Expresia informației genetice stocate în ADN presupune realizarea a 2 procese distincte: Transcrierea (transcripția, transcription, engl.) informației genetice procesul de copiere a informație genetice din molecula de ADN prin sinteza pe baza complementarității bazelor azotate a unei molecule de ARN. Sinteza este realizată de o ARN-polimerază ADN dependentă. informația este simultan copiată și transpusă din limbajul ADN (A;T;G;C) în limbajul ARN (A;U;G;C) are ca rezultat sinteza a trei tipuri distincte de ARN: ARN ribozomal (ARNr) împreună cu proteinele ribozomale alcătuiesc ribozomii ARN mesager (ARNm) copii ale secvenței de ADN ce asigură transportul informației din nucleu spre ribozom și specifică ce aminoacizi vor fi încorporați în structura catenei de aminoacizi ARN de transfer (ARNt) asigură atât transportul aminoacizilor din citosol în ribozomi cât și poziționarea corectă a acestora în catena polipeptidică Traducerea (translația, translation, engl.) informației genetice procesul de convertire a secvenței de nucleotide din molecula de ARNm într-o secvență de aminoacizi ce va forma catenă polipeptidică. Procesul are loc la nivelul ribosomilor (ARNr) cu participarea activă a ARNt

3 Codul genetic Traducerea informaţiei din ADN/ARNm (limbaj bazat pe nucleotide) în catena polipeptidică (limbaj bazat pe aminoacizi) se realizează după un set strict de reguli ce alcătuiesc codul genetic. La baza codului genetic stă noţiunea de codon - o succesiune de 3 baze azotate (tripletă) din secvenţa ARNm ce specifică un anumit aminoacid din secvenţa catenei de aminoacizi. Prima nucleotidă U C A G A doua nucleotidă A treia U C A G nucleotidă UUU (Phe/F) UCU UAU (Tyr/Y) UGU (Cys/C) U UUC Fenilalanină UCC UAC Tirozină UGC Cisteină C (Ser/S) UUA UCA Serină UAA Stop UGA Stop A UUG UCG UAG Stop UGG (Trp/W) G Triptofan (Leu/L) CUU CCU CAU Leucină (His/H) CGU U CUC CCC (Pro/P) CAC Histidină CGC (Arg/R) C CUA CCA Prolină CAA (Gln/Q) CGA Arginină A CUG CCG CAG Glutamină CGG G AUU ACU AAU (Asn/N) AGU (Ser/S) U (Ile/I) AUC ACC AAC Asparagină AGC Serină C Izoleucină (Thr/T) Treonină AGA A (Lys/K) (Arg/R) AUG (Met/M) Metionină ACG AAG Lizină AGG Arginină G GUU GCU GAU (Asp/D) Acid GGU U GUC (Val/V) GCC (Ala/A) GAC aspartic GGC (Gly/G) C GUA Valină GCA Alanină GAA (Glu/E) Acid GGA Glicină A GUG GCG GAG glutamic GGG G De ce 3 baze azotate codifică un aminoacid, de ce nu 2? În ce limbaj este scris codul genetic?

4 Caracteristicile codului genetic: Caracteristicile codului genetic: Conţine 61 de codoni ce corespund la 20 de aminoacizi şi 3 codoni STOP. Codonul AUG codifică metionina dar funcţionează şi ca semnal de START al traducerii. Este degenerat mai mulţi codoni codifică același aminoacid, primele două nucleotide ale unui codon fiind esenţiale pentru specificitatea unui codon. Este specific un codon nu codifică mai mulţi aminoacizi. Este lipsit de punctuaţie între doi codoni vecini nu există nici un marcaj distinctiv. Citirea mesajului şi traducerea începe de la prima nucleotidă şi continuă codon cu codon. Direcţia de lectură a ARNm este 5' -> 3', la fel ca replicarea sau transcrierea. Este universal, fiind valabil la toate organismle vii bacterii, fungi, plante sau animale. Codul genetic utilizat de mitocondrii şi cloroplaste este însă este uşor modificat (UGA codifică triptofanul și nu STOP, AUA codifică metionină şi nu isoleucină, AGA şi AGG codifică STOP şi nu arginină). Catenă sens (+) ADN Transcriere 5' ATGGCTAGGGCCGCAAGGGAAATGGAGAGGGAATAA 3' 3' TACCGATCCCGGCGTTCCCTTTACCTCTCCCTTATT 5' Catenă antisens (-) ARNm Traducere 5' AUGGCUAGGGCCGCAAGGGAAAUGGAGAGGGAAUAA 3' M A R A A R E M E R E STOP START Cadru de lectură cu sens Catenă polipeptidică MARAAREMERE 5' AUGGCUAGGGCCGCAAGGGAAAUGGAGAGGGAAUAA 3' C L G P Q G L W R Cadru de lectură fără sens (non-sens)

5 Transcrierea informaţiei genetice din ADN în ARN Prima etapă în expresia informatiei genetice este copierea ei din ADN în ARN, proces numit transcriere şi realizat de enzima ARN-polimerază. Enzima catalizează formarea legăturilor fosfodiesterice între ribonucleotide şi sinteza unei molecule de ARN pe baza complementarităţii cu o catenă de ADN matriţă. Catena de ADN ce nu este folosită ca matriţă are acceaşi secvenţă cu a copiei ARN (T este înlocuit cu U) şi se numeşte catenă codificatoare (sens sau +) deoarece conţine informaţia genetică. Catena matriţă se numeşte catenă antisens (-). La eucariote au fost descrise 3 ARN-polimeraze distincte: ARN polimeraza I transcrie regiunile ce codifică ARNr ARN - polimeraza II sintetizează ARNm ARN polimeraza III - transcrie regiunile ce codifică ARNt ARN-polimeraza de la bacterii conţine 5 subunităţi: două subunităţi implicate în mecanismele de reglaj ale transcrierii o subunitate ' ce se leagă de catena ADN matriţă o subunitat ce leagă nucleotidele necesare sintezei ARN o subunitate ce recunoaște promotorul şi iniţiază transcrierea propriu-zisă. Indiferent de tipul de polimerază, iniţierea transcrierii este dependentă de ataşarea enzimei de catena ADN matriţă la nivelul unei secvenţe promotor amplasată pe catena de ADN în amonte de locul de start al transcrierii. La procariote, promotorul este alcătuit din 2 secvenţe: secvenţa 35 - succesiunea de baze TTGACA amplasată cu 35 de nucleotide înainte de locul de start al transcrierii. secvenţa 10 succesiunea de baze TATAAT amplasată cu 10 de nucleotide înainte de locul de start al transcrierii. La eucariote, promotorul conţine secvenţa TATAAA numită TATA box şi amplasată cu 25 de nucleotide înainte de locul de start al transcrierii.

6 Etapele transcrierii informaţiei din ADN în ARN 1. Iniţierea constă în recunoaşterea de către subunitatea a secvenţei -10 a promotorului (TATA box la eucariote) şi legarea ARN-polimerazei de promotor. Odată legată, enzima de-spiralizează dublul helix ADN pe o porţiune de aprox. 17 nucleotide şi expune cele două catene. 2. Elongarea transcrierea propriu-zisă începe prin ataşarea unei molecule de ATP sau GTP ce oferă un capăt 5' liber. De aici, pe baza complementarităţii cu catena anti-sens se sintetizeză o catenă ARN în direcţia 5'->3'. Ansamblul alcătuit din ARN-polimerază, porţiunea de ADN despiralizat şi copia ARN alcătuiesc aşa numita bulă de transcriere. În interiorul bulei, primele 12 baze ale copiei ARN formează temporar un dublu helix cu catena antisens. Bula de transcriere se mișcă de-a lungul catenei moleculei ADN cu viteza de 50 baze/sec. Catenă matriţă (antisens) Catenă sens Copie ARN ARN-polimeraza Complex ADN-ARN 3. Terminarea la finalul mesajului de copiat există semnale de terminare a transcrierii sub forma unor zone bogate în GC. ARN-polimeraza este frânată de aceste zone şi complexul ADN-ARN se desprinde de bula de transcriere. 4. Modificarea post-transcriere apare la eucariote, unde moleculele de ARNm trebuie să călătorească din nucleu în citoplasmă şi constau în principal în: - adăugarea unui capăt 5' gruparea fosfat de la capătul 5' este eliminată şi se atașează o moleculă de G printr-o legătură 5'-5'. - adăugarea unui capăt 3' poli A o polimerază specifică ataşează aprox 250 A la capătul 3'

7 Traducerea informaţiei genetice din ARNm în catena polipeptidică A doua etapă a expresiei informaţiei genetice stocate în ADN este traducerea mesajului transcris ca ARNm într-o catenă de aminoacizi, proces ce se realizează în ribozomi cu participarea ARNt. ARNt : tip specific de ARN codificat de molecula de ADN dar care nu este tradus în aminoacizi are rolul de a transporta şi poziţiona aminoacizi în viitoarea catenă. au fost descrise 45 de tipuri diferite de ARNt ce au aceeași formă tri-lobară dar care diferă unul de celălalt prin: - o secvenţă specifică de trei nucleotide amplasată pe ce-a dea doua buclă secvenţă numită anticodon. Fiecare tip de ARNr conţine un alt anticodon ce este complementar cu un codon. - afinitatea faţă de aminoacizi fiecare tip de ARNt are capacitatea de a se cupla cu un aminoacid specific, funcţie de anti-codonul de pe cea de-a doua buclă. Ribozomul: Care este structura ribozomului? Ce conţine ribozomul? La nivelul ribozomului au fost descrise 3 situs-uri funcţionale: Situs P (peptidil) are loc formarea legăturii peptidice Situs A (aminoacil) legarea moleculelor de ARNt cu amionacizi Situs E (exit) situs-ul pe unde ARNt fără aminoacizi părăseşte ribozomul Schema structurii trilobară a ARNt Situs de ataşare a aminocidului Structura 3D nativă a ARNt

8 Etapele traducerii informaţiei din ARNm în proteine La procariote etapele traducerii informaţiei genetice sunt: 1. Iniţierea o moleculă de ARNt cu formil-metionină (ARNt fmet ) se asociază de subunitatea mică (30S) a ribozomului. Proteine specifice numite factori de iniţiere amplaseză ARNt fmet în situsul P. Complexul de iniţiere format se leagă apoi de ARNm pe baza complementarităţii dintre anti-codonul ARNt fmet şi codonul AUG specific pentru metionină din ARNm precum şi prin intermediul unui situs de legare al ribosomulul de pe ARNm (secvența Shine-Dalgarno (AGGAGG) la procariote sau capătul 5' la eucariote) ARNt fmet factor de iniţiere Subunitate mare Situs E Situs P Situs A Subunitate mică factor de iniţiere 2. Elongarea la complexul de inițiere se atașează subunitatea mare a ribozomului. Codonul adiacent codonului AUG este amplasat în situsul A şi poate interacţiona cu o moleculă ARNt. Pe baza complementarităţii codon (ARNm) anti-codon (ARNt) o moleculă de ARNt cu aminoacidul corespunzător se ataşează în situs-ul A, aminoacidul fiind adus în apropiere de Met. Între cei doi aminacizi are loc o reacţie ce duce la formarea unei legături peptidice. Situs P Situs E Situs A ARNm

9 Etapele traducerii informaţiei din ARNm în proteine 3. Translocarea ribozomul face un salt de 3 nucleotide în direcţia 5' -> 3' pe molecula de ARNm, ceea ce amplasează ARNt fmet în situs-ul E şi al doilea ARNt în situsul P, iar situs-ul A devine din nou liber. ARNt fmet din situs-ul E părăseşte ribozomul şi un al treilea ARNt cu aminoacidul corespunzător se ataseză în situsul A. Catena are 2 aminoacizi, al treilea urmând a fi încorporat printr-o nouă etapă de elongare. 4. Terminarea etapele de elongare şi translocare se repetă, ribozomul deplasându-se de-a lungul moleculei de ARNm până când în situsul A se situează un codon STOP. Pentru aceşti codoni nu există ARNt cu anticodonii corespunzători astfel încât înaintarea ribozomului este oprită. Prin legarea unor factori de eliberare, complexul ARNm-ribozom se desface şi procesul de traducere se finalizeză Factor de eliberare Catenă polipetidică Situs P ARNt Situs E Situs A

10 Traducerea informaţiei genetice la eucariote La eucariote procesul de traducere a informaţiei genetice este similar cu cel de la procariote, însă intervine o etapă suplimentară de procesare şi asamblare a ARNm (splicing). La eucariote în molecula de ADN au fost identificate secvenţe de nucleotide ce nu codifică o secvenţă de aminoacizi, aceste secvenţe fiind numite introni. Intronii sunt inseraţi printre secvenţe de dimensiuni mai mici, ce codifică aminoacizi numite exoni. În procesul de transcriere, atât exonii cât şi intronii sunt copiaţi, molecula obţinută fiind o copie ARN primară. Înainte de a fi tradusă, copia primară este procesată prin: - adăugarea cozii poli A 3' - adăugarea capătului 5' - excizarea intronilor şi lipirea exonilor pentru a forma molecula de ARNm matură. ADN copie ARN primară Intron (zonă codificatoare) Exon (zonă necodificatoare) capăt 5' Transcriere coadă poli A 3' Intronii sunt excizaţi şi exonii sunt lipiţi (spliced) ARNm matur

11 Expresia informaţiei genetice - Eucariote vs Procariote Procariote Nu au introni, secvenţa de ADN este transcrisă în ARNm şi apoi tradusă O moleculă de ARNm poate codifica sinteza a mai multe catene polipeptidice (conţine mai mulţi codoni START) (ARNm policistronic) Traducerea ARNm poate începe înainte ca transcrierea moleculei de ARNm să se fi finalizat (procesele au loc simultan) Traducerea este iniţiată de codonul AUG, catenele polipeptidice încep cu formil-metionină Ribozomii sunt mici Eucariote Au introni, secvenţa de ADN este transcrisă şi ARN-ul suferă un proces de maturare (splicing) O moleculă ARNm matură codifică o singură catenă polipeptidică (ARNm monocistronic) Transcrierea are loc în nucleu, traducerea în citoplasmă procesele sunt separate spaţial şi temporal Traducerea este iniţiată de capătul 5' modificat. Codonul AUG marcheză START-ul iar catenele polipetidice încep cu metionină Ribozomii sunt mai mari