Relația ADN–ARN–proteine

Celulele folosesc informația din ADN pentru a produce multe dintre proteinele de care au nevoie. ADN-ul poate fi comparat cu o colecție de instrucțiuni, dar nu este o carte citită direct de fiecare ribozom. Pentru o anumită proteină, celula face o copie de lucru sub forma unui ARN mesager. Ribozomul folosește informația din acest ARN pentru a lega aminoacizii în ordinea potrivită. Lanțul format se poate plia și poate deveni o proteină funcțională.

Pașii de bază sunt ADN → ARN → proteină. Primul pas se numește transcriere, iar folosirea ARN-ului pentru a forma un lanț de aminoacizi se numește traducere sau translație. Nu se transformă fizic întreaga moleculă de ADN în proteină. Informația este copiată și apoi interpretată. De asemenea, nu orice porțiune de ADN este o instrucțiune pentru o proteină; unele au alte roluri.

Proteinele sunt importante pentru structura și funcțiile celulei: unele sunt enzime, altele transportă substanțe sau participă la apărare. O schimbare în secvența ADN poate schimba uneori proteina produsă, dar efectul depinde de locul și felul schimbării. Pentru a înțelege relația, desenează trei casete și pune între ele numele proceselor. Nu uita că ARN-ul este o familie de molecule; ARN-ul mesager este cel care poartă copia folosită de ribozom în acest exemplu.

Transcrierea are loc în nucleu la eucariote. ARN-polimeraza se leagă de promotor, desface local dubla helix și sintetizează o catenă de ARN complementară catenei matriță, după regula $\mathrm{A}\to \mathrm{U}$, $\mathrm{T}\to \mathrm{A}$, $\mathrm{G}\to \mathrm{C}$, $\mathrm{C}\to \mathrm{G}$. Rezultă un ARN mesajer (ARNm), copia genei. La eucariote ARNm este prelucrat înainte de a ieși prin porii nucleari.

Cele trei tipuri de ARN participă la traducere: ARNm poartă informația sub formă de codoni; ARNt are circa $75$ de nucleotide, o buclă cu anticodon și o extremitate la care se leagă aminoacidul corespunzător; ARNr intră în alcătuirea ribozomilor, împreună cu proteinele.

Etapele traducerii:

1. Inițierea: subunitatea mică a ribozomului se leagă de ARNm, ARNt cu metionină se așază pe codonul $\mathrm{AUG}$, apoi se alătură subunitatea mare.
2. Elongarea: un ARNt cu anticodon complementar aduce următorul aminoacid, între aminoacizi se formează legătura peptidică, iar ribozomul avansează cu un codon.
3. Terminarea: ribozomul ajunge la un codon stop, nu există ARNt pentru el, lanțul se eliberează și ribozomul se desface.
4. Lanțul se pliază și devine proteină funcțională; mai mulți ribozomi pot citi simultan același ARNm (polizom).

Codul genetic este universal, degenerat și fără semne de punctuație între codoni; un aminoacid poate avea până la șase codoni. Citirea începe la primul $\mathrm{AUG}$ al ARNm și avansează din trei în trei nucleotide, fără suprapunere; metionina de la început este îndepărtată adesea după traducere, de aceea multe proteine mature nu încep cu metionină.

Genele nu se exprimă la fel în toate celulele. Toate celulele somatice ale unui om au același ADN, dar în fiecare se transcriu doar genele de care are nevoie: gena insulinei se exprimă în celulele $\beta$ ale pancreasului, genele lanțurilor $\alpha$ și $\beta$ ale hemoglobinei în precursorii hematiilor, nu în neuroni. Nici toate moleculele de ARN nu devin proteine: genele ARNt și ARNr sunt transcrise, dar produsul lor funcționează ca ARN.

Exemplu rezolvat 1: de la genă la peptid. Catena matriță este $3^{\prime }$-$\mathrm{TAC}\mathrm{TTT}\mathrm{ACC}\mathrm{GGG}\mathrm{ATT}$-$5^{\prime }$.

1. ARNm complementar și antiparalel: $5^{\prime }$-$\mathrm{AUG}\mathrm{AAA}\mathrm{UGG}\mathrm{CCC}\mathrm{UAA}$-$3^{\prime }$.
2. Se citesc codonii: $\mathrm{AUG}$ metionină, $\mathrm{AAA}$ lizină, $\mathrm{UGG}$ triptofan, $\mathrm{CCC}$ prolină, $\mathrm{UAA}$ stop.
3. Peptidul este Met–Lys–Trp–Pro, cu patru aminoacizi și trei legături peptidice.

Exemplu rezolvat 2: efectul schimbărilor din gena de mai sus.

1. Substituția $\mathrm{TTT}\to \mathrm{TTC}$ în matriță dă codonul $\mathrm{AAG}$, tot lizină: mutație silențioasă, peptid neschimbat.
2. Substituția $\mathrm{ACC}\to \mathrm{ATC}$ dă $\mathrm{UAG}$, codon stop: peptidul rămâne Met–Lys, mutație non-sens.
3. Deleția primului T din $\mathrm{TTT}$ deplasează cadrul de citire: ARNm devine $\mathrm{AUG}\mathrm{AAU}\mathrm{GGC}\mathrm{CCU}\mathrm{AA}$, adică Met–Asn–Gly–Pro, cu toți aminoacizii de după deleție schimbați.

Replicarea este semiconservativă: fiecare moleculă-fiică păstrează o catenă veche. Helicaza desface catenele, primaza sintetizează primerul, ADN-polimeraza adaugă nucleotide numai în sens $5^{\prime }\to 3^{\prime }$, iar ligaza unește fragmentele Okazaki de pe catena întârziată.

Transcrierea. ARN-polimeraza citește matrița în sens $3^{\prime }\to 5^{\prime }$ și sintetizează ARN în sens $5^{\prime }\to 3^{\prime }$, începând de la promotor. La eucariote, pre-ARNm primește capișon la capătul $5^{\prime }$ și coadă poli-A la $3^{\prime }$; intronii sunt eliminați prin splicing, iar exonii sunt uniți. La procariote traducerea poate începe înainte de terminarea transcrierii.

Codul genetic. Sunt $64$ de codoni: $61$ codifică aminoacizi și $3$ sunt codoni stop ($\mathrm{UAA}$, $\mathrm{UAG}$, $\mathrm{UGA}$). Codonul de start $\mathrm{AUG}$ codifică metionina. Codul este degenerat (mai mulți codoni pentru același aminoacid) și nu se suprapune. Anticodonul ARN-t este complementar și antiparalel cu codonul.

Exemplu de citire. Matrița $3^{\prime }$-$\mathrm{TAC}\mathrm{CGA}\mathrm{ATT}$-$5^{\prime }$ dă ARNm $5^{\prime }$-$\mathrm{AUG}\mathrm{GCU}\mathrm{UAA}$-$3^{\prime }$, adică Met–Ala și codon stop: rezultă o dipeptidă. O secvență codificatoare de $900$ de nucleotide, cu codon stop inclus, are $300$ de codoni și dă o proteină de $299$ de aminoacizi.

Mutații punctiforme. Silențioasă (același aminoacid), cu sens greșit (alt aminoacid: în anemia falciformă, $\mathrm{GAG}\to \mathrm{GUG}$ înlocuiește glutamatul cu valina), non-sens (apare un codon stop) și cu deplasarea cadrului (inserția sau deleția a unui număr de nucleotide care nu este multiplu de $3$).

Retrovirusurile, precum HIV, fac excepție de la fluxul obișnuit: transcriptaza inversă sintetizează ADN pe matriță de ARN.

Exemplu în format de admitere (complement grupat). Despre expresia informației genetice sunt corecte afirmațiile:

1. Un codon stop codifică aminoacidul metionină.
2. Anticodonul se găsește pe molecula de ARN mesager.
3. ARN-polimeraza sintetizează ARN în sens $3^{\prime }\to 5^{\prime }$.
4. Deleția unei singure nucleotide dintr-o regiune codificatoare produce deplasarea cadrului de citire.

• a) „Numai afirmațiile 1, 2 și 3 sunt corecte.”
• b) „Numai afirmațiile 1 și 3 sunt corecte.”
• c) „Numai afirmațiile 2 și 4 sunt corecte.”
• d) „Numai afirmația 4 este corectă.”
• e) „Toate afirmațiile sunt corecte sau toate sunt false.”

Răspuns: d. Afirmația 1 este falsă: metionina este codificată de $\mathrm{AUG}$, iar codonii stop nu codifică niciun aminoacid. Afirmația 2 este falsă: anticodonul este pe ARNt. Afirmația 3 este falsă: ARN-polimeraza adaugă nucleotide în sens $5^{\prime }\to 3^{\prime }$ (citește matrița $3^{\prime }\to 5^{\prime }$). Afirmația 4 este adevărată.

Greșeli frecvente

• Greșit: ADN-ul părăsește nucleul ca să fie transformat direct în proteină.
  Corect: În eucariote, o copie de ARN mesager duce informația către ribozomi.
• Greșit: Orice ARN este ARN mesager.
  Corect: Există și alte tipuri, inclusiv ARN de transfer și ARN ribozomal.
• Greșit: Anticodonul se află pe ARN mesager, iar codonul pe ARN de transfer.
  Corect: Codonul este pe ARNm, anticodonul pe ARNt.
• Greșit: Un codon stop codifică un aminoacid special care oprește lanțul.
  Corect: Codonii stop nu au ARNt corespunzător și semnalează terminarea traducerii.

Înainte și după