Celulele îndeplinesc multe funcții diferite. Ele produc energie, comunică cu alte celule și compun grosimea fizică a corpului. O funcție majoră a celulelor este construirea de proteine. Proteinele sunt macromolecule biologice care îndeplinesc o gamă diversă de funcții în organism. Celulele construiesc proteine pe baza informațiilor codificate în ADN. Procesul de extragere a informațiilor din ADN pentru a crea proteine se numește expresie genetică.
Fundamental, expresia genică are două etape:
- Transcripția – În timpul transcripției, informația din ADN este „copiată” sub formă de ARN mesager (ARNm)
- Traducerea – În această etapă, ARNm este „citit” de către mașinăria celulară și sunt fabricate proteinele codificate
În acest articol, vom analiza în profunzime traducerea și ne vom uita la mecanismele moleculare care stau la baza acestui proces. Se recomandă să citiți mai întâi acest articol despre transcripție.
Cum stochează ARNm informația?
Pentru a înțelege traducerea trebuie să înțelegem mai întâi cum este stocată în ARNm informația pentru proteine. Strict vorbind, ARNm nu codifică pentru o proteină. Mai degrabă, ARNm codifică – oferă instrucțiuni pentru – o secvență de aminoacizi numită lanț polipeptidic. Proteinele sunt alcătuite din numeroase lanțuri polipeptidice.
Informațiile din ARNm sunt stocate sub forma unor secvențe de baze nucleotidice (A, C, G și U) care se citesc în trei. Un triplet de baze se numește codon. Fiecare codon se referă la un aminoacid specific. De exemplu, codonul ACG specifică aminoacidul treonină. Ordinea codonilor în ARNm specifică ordinea aminoacizilor din lanțul polipeptidic. Astfel, un lanț de ARNm care conține secvența AUUCAGUGU codifică pentru aminoacizii izoleucină (AUU), glutamină (CAG) și cisteină (UGU) în această ordine.
În ARN-ul uman, există 61 de codoni care codifică pentru aproximativ 20 de aminoacizi. Există, de asemenea, codonul special AUG numit „codon de start” care spune unde începe gena. În cele din urmă, există trei codoni speciali care nu codifică aminoacizi (UAA, UAG, UGA) care sunt numiți „codoni de oprire”. Codonii de oprire spun mecanismelor de traducere când lanțul polipeptidic este complet.
Vizualizare generală a traducerii
Traducerea este un proces complex care necesită unele mecanisme specializate. Două tipuri de molecule sunt implicate în procesul de traducere: ARNt și ribozomii.
ARNt
ARNt (ARN „de transfer”) sunt molecule care fac legătura între codonii din ARNm și aminoacizii pe care îi specifică. Un capăt al ARNt conține o secvență de baze numită anticodon care se poate lega de un codon specific prin împerechere de baze complementare. Celălalt capăt al ARNt conține aminoacidul specificat de codon. Există molecule de ARNt care citesc fiecare codon și bing aminoacidul specificat. ARNt se leagă de ARNm și aranjează aminoacizii în ordinea corespunzătoare.
Ribosomi
Ribosomii sunt structurile care asamblează fizic proteina. Ribozomii sunt compuși dintr-o rețea complexă de ARN ribozomal special (ARNr) și proteine. Fiecare ribozom are 2 părți: o subunitate mică și o subunitate mare. Subunitatea mică se numește subunitatea 40S, iar cea mare subunitatea 60S. Cele două părți ale ribozomilor înconjoară șirul de ARNm, aproape ca cele două bucăți de pâine de pe un sandviș. Strict vorbind, ribozomii NU sunt organite, deoarece nu au o membrană. Procariotele posedă, de asemenea, ribozomi, iar procariotele nu au organite.
Firmele de ARNm sunt introduse în ribozomi care citesc codonii. Ribozomii conțin compartimente pentru ca anticodonii ARNt să se lege de codonii lor corespunzători din ARNm. Cele trei situsuri de legare pentru ARNt pe ribozom se numesc situs A, P și E. Ribozomii conțin, de asemenea, enzime care catalizează reacția care leagă aminoacizii împreună într-un lanț polipeptidic.
Procesul de traducere
Translația în sine poate fi împărțită în trei etape: inițiere, alungire și terminare. Majoritatea acestor procese au loc în citoplasma celulară sau în reticulul endoplasmatic. La eucariote, traducerea are loc în întregime separat de transcriere, deoarece scriptul ARNm creat în transcriere trebuie modificat înainte de a fi tradus. La procariote, traducerea are loc direct după transcriere. În unele cazuri, traducerea unui capăt al unui lanț de ARNm poate începe în timp ce celălalt capăt este încă în curs de transcriere.
Inițiere
În prima etapă a traducerii, sunt eliberate proteinele factorului de inițiere. Acestea sunt proteinele care declanșează primele etape ale procesului de traducere. Factorii de inițiere a traducerii se leagă de capătul 5′ al ARNm și îl aduc la ribozomi. ARNm se leagă de subunitatea mică a ribozomului și este ținut în poziție. La eucariote, o moleculă de ARNt care conține metionină se leagă de subunitatea mică și, împreună, se deplasează de-a lungul șirului de ARNm până când ajung la codonul de pornire, care este aproape întotdeauna codonul AUG. Odată ajunsă acolo, subunitatea ribozomală mare înglobează restul șirului, formând complexul de inițiere finalizat.
La procariote, povestea este un pic diferită. La procariote, subunitatea ribozomală mică nu se deplasează de-a lungul șirului de ARNm în căutarea codonului AUG. În schimb, aceasta se leagă direct de anumite secvențe din șirul ARNm. Mecanismele de traducere procariote pot recunoaște zona de început prin prezența secvențelor Shine-Dalgarno care apar înainte de codonul de început. Bacteriile folosesc secvențe Shine-Dalgarno deoarece o secvență de ADN poate codifica pentru mai multe proteine
Elongație
După ce metionina care transportă ARNt găsește codonul de start, începe următoarea fază a traducerii. În timpul elongației, se construiește lanțul polipeptidic propriu-zis. Se poate reține ce se întâmplă în timpul elongației după denumire: În elongație, lanțul polipeptidic se lungește.
Când începe elongația, ARNt purtător de metionină se află în situsul P din mijlocul ribozomului. Alături de situsul P se află situsul A, care se află deasupra unui codon expus de pe șirul ARNm. Situl A este „slotul” pentru următoarea moleculă de ARNt care se va lega de codonul expus prin împerecherea complementară codon-anticodon.
După ce următorul ARNt aterizează în situsul A, ribozomul catalizează o reacție care leagă cei doi aminoacizi. Reacția de legare a celor doi aminoacizi este o reacție de hidroliză (de eliminare a apei) care unește grupa amină a unui aminoacid cu grupa carboxil a altuia. Această reacție transferă metionina de la primul ARNt la ARNt din situsul A. Acum avem un lanț polipeptidic primitiv format din doi aminoacizi. Metionina se numește extremitatea N-terminală, iar cealaltă se numește extremitatea opusă se numește extremitatea C-terminală.
Majoritatea lanțurilor polipeptidice sunt mai lungi de doi aminoacizi. Odată ce prima legătură peptidică a fost realizată, ARNm este tras prin ribozom de exact un codon. Această deplasare deplasează ARNt cu lanțul din situsul A în situsul P și deplasează ARNt gol din slotul P în slotul E („ieșire”), de unde este eliminat. Deplasarea expune, de asemenea, un nou codon de ARNm în situsul A.
Procesul se repetă de-a lungul șirului de ARNm până când lanțul polipeptidic este complet. Unele proteine constau doar din câteva zeci de aminoacizi, în timp ce altele pot avea mii. Cea mai lungă proteină cunoscută se numește titină și constă într-un lanț de 33.000 de aminoacizi.
Terminarea
Cum știu ribozomii când lanțul polipeptidic este complet? Acesta este rolul ultimei etape a traducerii, numită terminare. Terminarea mecanismelor de traducere are loc odată ce un codon de oprire (UAA, UAG, UGA) intră în situsul A. Atunci când un codon de oprire intră în situsul A, acesta nu este recunoscut de ARNt, ci de proteine speciale numite factori de eliberare. Aceste proteine determină enzimele ribozomale să adauge o moleculă de apă la ultimul aminoacid din lanț, determinând disocierea subunităților ribozomale și eliberarea lanțului polipeptidic. Ulterior, subunitățile ribozomale pot fi folosite din nou pentru a traduce un alt lanț polipeptidic.
Modificare post-traducere
Acum că avem un lanț polipeptidic complet, acesta poate ieși și începe să facă treabă în organism, nu-i așa? Ei bine, nu chiar.
La procariote, proteinele sunt, în general, gata de plecare imediat ce sunt traduse. La eucariote, însă, lanțurile polipeptidice trebuie să treacă adesea printr-o mână de modificări înainte de a deveni o proteină matură funcțională cu drepturi depline. Aceste modificări post-translație implică alterarea sau eliminarea unor aminoacizi. Unele proteine trebuie să fie pliate în forme complexe 3-D și există enzime care ajută la pliere. Uneori, două lanțuri polipeptidice pliate se aglomerează pentru a forma un complex proteic mai mare. Alteori, adăugarea sau îndepărtarea unui grup de aminoacizi funcționează ca o „etichetă” care indică organismului unde trebuie să ajungă proteina.
La eucariote, modificarea post-translație mot are loc în reticulul endoplasmatic și în aparatul Golgi. În reticulul endoplasmatic, proteinele sunt pliate sau au secțiuni tăiate sau adăugate. Mecanismele care se ocupă de aceste procese sunt foarte diverse. după ce sunt manipulate în reticulul endoplasmatic, proteinele sunt înglobate într-o veziculă legată de membrană și transportate în aparatul Golgi. Odată ajunse acolo, ele sunt supuse câtorva modificări de ultimă oră înainte de a fi expediate către destinația lor finală.
.