FUNCTIONAREA ADN-ULUI SI EXPRESIA GENELOR

FUNCTIONAREA ADN-ULUI SI EXPRESIA GENELOR

CODUL GENETIC

O gena contine informatia genetica pentru sinteza unei catene polipeptidice. Secventa informatiei genetice (nucleotidelor) dintr-o gena determina secventa aminoacizilor intr-o catena polipeptidica.

Replicatia si transcriptia acizilor nucleici se realizeaza pe baza unui "alfabet" simplu dat de succesiunea bazelor azotate din catena (catenele) acestor acizi nucleici.

Pentru sinteza proteinelor este utilizat un alt alfabet biologic, ce consta din cei 20 de aminoacizi esentiali. Intrucat proteinele se sintetizeaza pe baza informatiei genetice detinute de acizii nucleici, inseamna ca limbajul alfabetului cuprins in acizii nucleici (succesiunea codonilor) trebuie "tradus" in limbajul proteinelor (succesiunea aminoacizilor). Aceasta traducere poarta numele de translatie (N. Coman, 2002).

Fiecare specie are un mecanism propriu de asezare a celor 20 de aminoacizi in molecule de proteine. Aminoacizii se pot repeta in catenele polipeptidice ale unei proteine de la 100 pana la 100.000 de ori, dar succesiunea lor este coordonata de catre ARNm, care prin mecanismul de transcriptie primeste aceasta ordine de la catena matrita a ADN.

Informatia genetica, detinuta de ADN, este determinata de succesiunea nucleotidelor, respectiv de succesiunea celor 4 baze azotate (A, G, C, T) care ii dau specificul structural.

Aceasta informatie este transcrisa pe baza de complementaritate, in structura ARN.

Cantitatea de informatie genetica, ca de exemplu cea transcrisa intr-o anumita molecula de ARNm, poarta denumirea de mesaj genetic. In urma translatiei, acest mesaj genetic este tradus intr-o succesiune de aminoacizi (AA) specifica proteinei respective. Regula dupa care se incateneaza acesti aminoacizi (prin legaturi peptidice) in catena polipeptidica a unei proteine, potrivit naturii mesajului genetic, poarta numele de cod genetic (tabelul 5).

Codul genetic din ARNm *

* Pentru cunoasterea codului genetic din ADN, se inlocuiesc nucleotidele respective cu cele complementare lor.

Cunoasterea codului genetic permite descifrarea semnificatiei unui mesaj genetic in sinteza proteica.

Mecanismul biologic de sinteza a proteinelor sub control genetic a fost descifrat de ciberneticianul de origine rusa George Gamow (1954). El a ajuns la concluzia ca in macromolecula de ADN, informatia genetica necesara sintezei unei molecule proteice este codificata biochimic. Ordinea de succesiune a aminoacizilor in sinteza proteica este coordonata prin intermediul celor 4 baze azotate (A, G, C, U) din ARNm (I. Bencsik, 2005).

Codul genetic este asemanator unui alfabet in care cu ajutorul a 4 litere (A, G, C, T ), rezulta 64 cuvinte de cod. Codul genetic contine 64 de codoni care rezulta din combinarea celor 4 tipuri de nucleotide luate cate 3 (4³).

Un codon reprezinta succesiunea de 3 nucleotide care determina pozitia unui aminoacid in lantul polipeptidic.

Un codon trebuie sa fie format din cel putin 3 nucleotide, deoarece in acest caz cele 64 de posibilitati de combinare a nucleotidelor sunt suficiente pentru a codifica pe fiecare din cei 20 aminoacizi.

Un merit deosebit in descrierea codului genetic au avut M. Nirenberg, H. Mathaei si S. Ochoa (1961), care au reusit sa sintetizeze diferite polipeptide "in vitro" pe baza unor poliribonucleotide sintetice (ARNm) care au servit drept matrita pentru sinteza acestor polipeptide.

Stabilirea corespondentei dintre fiecare codon si aminoacidul pe care-l codifica s-a facut prin utilizarea acestor poliribonucleotide sintetice care joaca rolul de ARNm.

Caracteristicile codului genetic

este degenerat, ceea ce inseamna ca un anumit aminoacid este codificat de mai multi codoni.

De exemplu: fenilalanina este codificata de 2 codoni UUU si UUC, iar serina de 6 codoni. Acesti codoni se numesc codoni degenerati;

este universal, ceea ce inseamna ca un anumit codon codifica acelasi aminoacid la toate speciile, indiferent de scara evolutiei;

Transcriptia si translatia sunt cele doua trepte ale functiei heterocatalitice pe care o indeplineste ADN-ul.

transcriptie translatie

ADN ARNm proteina

Transcriptia informatiei genetice in molecula de ARNm are loc in nucleul celulei. Aceasta transcriptie se realizeaza atunci cand molecula de ADN se afla in faza de replicare si cind una din catenele dezoxiribonucleotidice, in loc sa-si sintetizeze o catena noua, devine matrita pentru sintetizarea unei molecule de ARNm.

Transcriptia poate avea loc simultan de pe mai multe gene si se realizeaza in prezenta enzimei ARN polimeraza.

Aceasta enzima are urmatoarea structura la E.coli: este alcatuita din patru tipuri de subunitati diferite sau polipeptide 2a si uneori poate fi s

+

Enzima miez Holoenzima

Enzima miez contine doua polipeptide a, o polipeptida β si o polipeptida β'. Adaugarea subunitatii s la enzima miez permite initierea transcriptiei de la promotor.

Subunitatea s se poate desparti de restul complexului parasind enzima miez. Enzima completa care contine si factorul s este numita holoenzima ARN polimeraza. Aceasta este necesara pentru initierea corecta a transcriptiei, in timp ce enzima miez poate continua transcriptia dupa initiere.

Transcriptia se realizeaza in trei etape:

initierea transcriptiei;

alungirea (elongatia) catenei de ARNm;

terminarea transcriptiei.

1. Initierea transcriptiei

Pentru initierea transcriptiei ARN polimeraza recunoaste o secventa de nucleotide de pe catena matrita a ADN (promotor) si catalizeaza reactia de polimerizare a ribonucleotidelor trifosfatice libere din mediul intracelular.

ARN polimeraza determina formarea de legaturi fosfodiesterice intre gruparea 5' fosfat a unei ribonucleotide si gruparea OH - 3' a altei ribonucleotide din catena ARNm in crestere. ARN polimeraza este capabila sa initieze cresterea catenei poliribonucleotidice fara ca sa existe un primer.

Promotorul este o secventa cu o lungime de 20 - 200 baze (nucleotide). In cadrul promotorului, la procariote exista secventa de baze TATAAT numita si cutia Pribnow. La eucariote, corespondentul cutiei Pribnow este cutia TATA sau cutia Hognes. Aceste secvente de baze din promotorii procariotelor si eucariotelor semnalizeaza enzimei ARN polimeraza locul de unde sa inceapa transcriptia (sinteza ARNm). 

Alungirea sau elongatia catenei de ARNm

Alungirea catenei de ARNm consta in adaugarea treptata de ribonucleotide intr-o secventa stricta dictata de ordinea bazelor azotate din portiunea de ADN care a servit drept matrita.

Adaugarea de ribonucleotide in catena de ARNm se face pe principiul complementaritatii, cu mentiunea ca adenina din ADN va determina includerea in ARNm a unei nucleotide ce contine uracil.

Aceasta etapa se caracterizeaza prin formarea unui complex stabil intre ADN, ARNm, ARN polimeraza.

3. Terminarea transcriptiei

ARN polimeraza recunoaste o secventa de nucleotide din catena matrita a ADN care constituie semnalul de terminare a transcriptiei.

Aceasta secventa de nucleotide poarta numele de terminator. In momentul in care aceasta secventa este recunoscuta de ARN polimeraza, se produce eliberarea ARNm nou format si a enzimei de la catena matrita.

La Escherichia coli unul din mecanismele pentru terminarea transcriptiei este urmatorul. Terminatorul de pe catena matrita a ADN este alcatuit din circa 40 perechi de baze ce se termina intr-un continut bogat si neintrerupt in baze ce contin guanina - citozina, ce este urmat de o serie de 6 sau mai multe nucleotide ce contin adenina de pe catena matrita (fig. 16).

In molecula de ARNm, secventei de baze guanina - citozina din catena matrita a ADN-ului ii corespunde o secventa similara de baze si care in ARNm realizeaza punti complementare cu ele insasi.

Sectiunea de ARNm dublu catenara rezultata este numita bucla ac de par. Aceasta este urmata de o serie terminala de ribonucleotide ce contin uracil, ce corespund nucleotidelor ce contin adenina de pe catena matrita.

Bucla ac de par si secventa care contine uracil din ARNm serveste ca un semnal pentru eliberarea ARN polimerazei de la catena matrita a ADN-ului si pentru terminarea transcriptiei.