Sinteza proteinelor: transcripția și traducerea, pas cu pas

Sinteza proteinelor este drumul de la informația scrisă în ADN la o proteină funcțională și are două etape mari: transcripția (ADN → ARNm, în nucleu) și traducerea, numită și translație (ARNm → lanț polipeptidic, la ribozomi). Dacă înțelegi cine copiază, ce citește și în ce sens, problemele de BAC cu secvențe de nucleotide devin aproape mecanice.

Imaginea de ansamblu

O genă este un fragment de ADN care conține informația pentru sinteza unei proteine (sau a unei molecule de ARN). ADN-ul nu iese din nucleu, iar proteinele se fabrică în citoplasmă, la ribozomi. De aceea e nevoie de un intermediar: ARN mesager (ARNm), o copie a genei care poate trece prin porii nucleari.

În sinteza proteinelor lucrează trei tipuri de ARN:

Dacă ai nevoie de o recapitulare a structurii ADN-ului și a diferențelor ADN–ARN (dezoxiriboză vs. riboză, timină vs. uracil, bicatenar vs. monocatenar), începe cu genetica moleculară: structura ADN, ARN și replicarea. Aici ne concentrăm pe proces.

Transcripția

Transcripția are loc în nucleu (la eucariote) și este catalizată de enzima ARN-polimeraza. Pașii, pe scurt:

1. ARN-polimeraza se fixează la începutul genei, pe o regiune de recunoaștere numită promotor.
2. Cele două catene ale ADN-ului se separă local, pe porțiunea genei (se rup legăturile de hidrogen dintre baze).
3. Doar una dintre catene, catena matriță (transcrisă), este „citită”. ARN-polimeraza adaugă ribonucleotide complementare: A din ADN → U în ARN, T → A, C → G, G → C.
4. La sfârșitul genei, sinteza se oprește, ARN-ul se desprinde, iar dublul helix al ADN-ului se reface.

Catena matriță este citită în sens 3'→5', iar ARNm crește în sens 5'→3'. Cealaltă catenă de ADN, necitită, are aceeași secvență ca ARNm-ul, doar cu T în loc de U; de aceea e numită catenă codificatoare.

Diferența față de replicare e importantă: la replicare se copiază ambele catene, cu ADN-polimeraza, iar rezultatul e ADN; la transcripție se copiază doar o genă, de pe o singură catenă, iar rezultatul este ARN.

Maturarea ARNm

La eucariote, ARN-ul rezultat direct din transcripție este un pre-ARNm (ARNm precursor). El conține două tipuri de secvențe:

• exoni: secvențe care vor fi traduse în aminoacizi;
• introni: secvențe necodificatoare, intercalate între exoni.

În procesul de maturare (splicing), intronii sunt eliminați, iar exonii sunt uniți. ARNm-ul matur, mai scurt decât gena, iese din nucleu prin porii nucleari și ajunge la ribozomi. La procariote nu există nucleu, ARNm-ul nu trece prin această etapă, iar traducerea poate începe chiar înainte de terminarea transcripției.

În aplicația BacBiologie, procesul are exact această succesiune: transcripția, maturarea ARNm, translația și plierea proteinei.

Codul genetic

Informația din ARNm este „scrisă” în codoni: grupe de câte trei nucleotide consecutive (triplete). Fiecare codon corespunde unui aminoacid sau unui semnal de oprire. Cu 4 baze azotate grupate câte trei se obțin 4³ = 64 de codoni.

• Codonul de inițiere (start) este AUG și codifică metionina.
• Codonii stop sunt UAA, UAG și UGA. Ei nu codifică niciun aminoacid și nu au ARNt corespunzător; semnalează sfârșitul traducerii.
• Codul este degenerat: un aminoacid poate fi codificat de mai mulți codoni (sunt 64 de codoni, dar doar 20 de aminoacizi).
• Codul este universal: aproape toate organismele folosesc aceeași corespondență codon–aminoacid, de aceea o genă umană poate fi exprimată într-o bacterie (ingineria genetică se bazează pe asta).
• Codul este nesuprapus și fără „virgule”: codonii se citesc unul după altul, fără pauze, iar o nucleotidă aparține unui singur codon.

Traducerea la ribozom

Traducerea (translația) are loc în citoplasmă, pe ribozomii liberi sau pe cei atașați reticulului endoplasmatic rugos (vezi rolul organitelor în celula eucariotă).

1. Activarea aminoacizilor: fiecare aminoacid se leagă de ARNt-ul său specific, cu consum de energie (ATP).
2. Inițierea: subunitatea mică a ribozomului se fixează pe ARNm și găsește codonul AUG. ARNt-ul cu metionină, al cărui anticodon (UAC) este complementar codonului, se așază în dreptul lui. Apoi se atașează subunitatea mare.
3. Alungirea (elongarea): următorul ARNt, cu anticodon complementar codonului următor, aduce un nou aminoacid. Între aminoacizi se formează o legătură peptidică. Ribozomul avansează cu câte un codon, iar ARNt-ul liber pleacă după alt aminoacid.
4. Terminarea: când ribozomul ajunge la un codon stop, lanțul polipeptidic este eliberat, iar subunitățile ribozomului se desprind.

Lanțul polipeptidic se pliază apoi în structura tridimensională specifică, devenind o proteină funcțională. Un singur ARNm poate fi tradus simultan de mai mulți ribozomi (un poliribozom), așa că din aceeași copie se obțin rapid multe molecule de proteină.

Problemă rezolvată

Variantă frecventă de calcul: dacă o catenă de ADN are 300 de nucleotide care se transcriu integral, ARNm are 300 de nucleotide, adică 100 de codoni; dacă ultimul este codon stop, proteina are 99 de aminoacizi. Pentru probleme cu număr total de nucleotide și legături de hidrogen în ADN bicatenar, vezi pașii din cum rezolvi problemele de genetică de la BAC.

Greșeli tipice

• Scrii T în ARN. ARN-ul nu conține timină; în locul ei apare uracilul.
• Transcrii de pe catena greșită. Dacă enunțul îți dă catena codificatoare, ARNm-ul are aceeași secvență, cu U în loc de T. Dacă îți dă catena matriță, aplici complementaritatea.
• Numeri codonul stop ca aminoacid. Codonul stop nu adaugă niciun aminoacid.
• Confunzi codonul cu anticodonul. Codonul e pe ARNm, anticodonul pe ARNt.
• Plasezi traducerea în nucleu. Traducerea are loc în citoplasmă, la ribozomi.