Biologie pentru studenți I

Subliniați procesul de transcripție și traducere procariotă

Procariotele, care includ bacteriile și archaea, sunt în mare parte organisme unicelulare care, prin definiție, nu au nuclee legate de membrane și alte organite. Un cromozom bacterian este un cerc închis covalent care, spre deosebire de cromozomii eucarioți, nu este organizat în jurul proteinelor histone. Regiunea centrală a celulei în care se află ADN-ul procariot se numește nucleoid. În plus, procariotele au adesea plasmide abundente, care sunt molecule circulare de ADN mai scurte, care pot conține doar una sau câteva gene. Plasmidele pot fi transferate independent de cromozomul bacterian în timpul diviziunii celulare și adesea poartă trăsături precum rezistența la antibiotice. Din cauza acestor caracteristici unice, transcripția și reglarea genelor este oarecum diferită între celulele procariote și cele eucariote.

Transcripția procariotă

Inițierea transcripției la procariote

Procariotele nu au membrane-nuclee închise în membrană. Prin urmare, procesele de transcriere, traducere și degradare a ARNm pot avea loc simultan. Nivelul intracelular al unei proteine bacteriene poate fi amplificat rapid prin evenimente multiple de transcriere și traducere care au loc concomitent pe același șablon de ADN. Transcripția procariotă acoperă adesea mai mult de o genă și produce ARNm policistronic care specifică mai mult de o proteină.

Discuția noastră de aici va exemplifica transcripția prin descrierea acestui proces la Escherichia coli, o specie bacteriană bine studiată. Deși există unele diferențe între transcripția la E. coli și transcripția la archaea, o înțelegere a transcripției la E. coli poate fi aplicată la aproape toate speciile bacteriene.

ARN polimeraza ARN-procariotă

Procariotele folosesc aceeași ARN polimerază pentru a transcrie toate genele lor. La E. coli, polimeraza este compusă din cinci subunități polipeptidice, dintre care două sunt identice. Patru dintre aceste subunități, notate α, α, β și β′, cuprind enzima nucleu a polimerazei. Aceste subunități se asamblează de fiecare dată când o genă este transcrisă și se dezasamblează odată ce transcrierea este finalizată. Fiecare subunitate are un rol unic; cele două subunități α sunt necesare pentru a asambla polimeraza pe ADN; subunitatea β se leagă de trifosfatul de ribonucleozidă care va face parte din molecula de ARNm „recent născută”; iar β′ se leagă de șuvița șablon de ADN. Cea de-a cincea subunitate, σ, este implicată doar în inițierea transcripției. Aceasta conferă specificitate transcripțională, astfel încât polimeraza începe să sintetizeze ARNm de la un situs de inițiere adecvat. Fără σ, nucleul enzimei ar transcrie de la situsuri aleatorii și ar produce molecule de ARNm care ar specifica ghicitori proteice. Polimeraza alcătuită din toate cele cinci subunități se numește holoenzimă (o holoenzimă este un compus activ din punct de vedere biochimic alcătuit dintr-o enzimă și coenzima sa).

Promotoare procariote

Figura 1. Subunitatea σ a ARN-polimerazei procariote recunoaște secvențele consensuale care se găsesc în regiunea promotoare în amonte de punctul de start al transcripției. Subunitatea σ se disociază de polimerază după ce transcripția a fost inițiată.

Un promotor este o secvență de ADN pe care se leagă mașinăria de transcripție și inițiază transcripția. În majoritatea cazurilor, promotorii există în amonte de genele pe care le reglează. Secvența specifică a unui promotor este foarte importantă, deoarece determină dacă gena corespunzătoare este transcrisă tot timpul, o parte din timp sau rar. Deși promotorii variază de la un genom procariotic la altul, câteva elemente sunt conservate. În regiunile -10 și -35, în amonte de situsul de inițiere, există două secvențe consensuale ale promotorului, sau regiuni care sunt similare la toți promotorii și la diferite specii bacteriene (figura 1).

Secvența consensuală -10, numită regiunea -10, este TATAAT. Secvența -35, TTGACA, este recunoscută și legată de σ. Odată ce această interacțiune este realizată, subunitățile enzimei de bază se leagă la acest situs. Regiunea -10 bogată în A-T facilitează derularea șablonului ADN și se realizează mai multe legături fosfodiesterice. Faza de inițiere a transcripției se termină cu producerea de transcripte abortive, care sunt polimeri de aproximativ 10 nucleotide care sunt realizate și eliberate.

Alungire și terminare la procariote

Faza de alungire a transcripției începe cu eliberarea subunității σ de la polimerază. Disocierea lui σ permite enzimei de bază să avanseze de-a lungul șablonului ADN, sintetizând ARNm în direcția 5′ spre 3′ cu o viteză de aproximativ 40 de nucleotide pe secundă. Pe măsură ce elongația avansează, ADN-ul este derulat în mod continuu în fața enzimei de bază și derulat în spatele acesteia (figura 2). Împerecherea de baze dintre ADN și ARN nu este suficient de stabilă pentru a menține stabilitatea componentelor sintezei ARNm. În schimb, ARN-polimeraza acționează ca un liant stabil între șablonul de ADN și șirurile de ARN născute pentru a se asigura că alungirea nu este întreruptă prematur.

Figura 2. Faceți clic pentru o imagine mai mare. În timpul elongației, ARN polimeraza procariotă urmărește de-a lungul șablonului ADN, sintetizează ARNm în direcția 5′ spre 3′ și derulează și rebobinează ADN-ul pe măsură ce este citit.

Semnale de terminare procariote

După ce o genă este transcrisă, polimeraza procariotă trebuie să fie instruită să se disocieze de șablonul ADN și să elibereze ARNm nou creat. În funcție de gena care este transcrisă, există două tipuri de semnale de terminare. Unul este bazat pe proteine, iar celălalt pe ARN. Terminarea dependentă de Rho este controlată de proteina rho, care urmărește în urma polimerazei lanțul de ARNm în creștere. Aproape de finalul genei, polimeraza întâlnește o serie de nucleotide G pe șablonul ADN și se oprește. Ca urmare, proteina rho se ciocnește cu polimeraza. Interacțiunea cu rho eliberează ARNm din bula de transcripție.

Terminarea independentă de rho este controlată de secvențe specifice din șuvița șablon de ADN. Pe măsură ce polimeraza se apropie de capătul genei în curs de transcriere, ea întâlnește o regiune bogată în nucleotide C-G. ARNm se repliază pe el însuși, iar nucleotidele complementare C-G se leagă între ele. Rezultatul este un fir de păr stabil care face ca polimeraza să se blocheze imediat ce începe să transcrie o regiune bogată în nucleotide A-T. Regiunea complementară U-A a transcrierii ARNm formează doar o interacțiune slabă cu ADN-ul șablon. Acest lucru, împreună cu polimeraza blocată, induce o instabilitate suficientă pentru ca enzima centrală să se desprindă și să elibereze noul transcript de ARNm.

La terminarea transcrierii, procesul de transcriere este complet. În momentul în care are loc terminarea, transcriptul procariotic ar fi fost deja utilizat pentru a începe sinteza a numeroase copii ale proteinei codificate, deoarece aceste procese pot avea loc concomitent. Unificarea transcripției, traducerii și chiar a degradării ARNm este posibilă deoarece toate aceste procese au loc în aceeași direcție de la 5′ la 3′ și deoarece nu există o compartimentare membranară în celula procariotă (figura 3). În schimb, prezența unui nucleu în celulele eucariote împiedică transcrierea și traducerea simultană.

Figura 3. Mai multe polimeraze pot transcrie o singură genă bacteriană, în timp ce numeroși ribozomi traduc concomitent transcriptele ARNm în polipeptide. În acest mod, o proteină specifică poate ajunge rapid la o concentrație ridicată în celula bacteriană.

Traducerea procariotă

Traducerea este similară la procariote și eucariote. Aici vom explora modul în care are loc traducerea la E. coli, un procariot reprezentativ, și vom preciza orice diferențe între traducerea bacteriană și cea eucariotă.

Inițiere

Inițierea sintezei proteice începe cu formarea unui complex de inițiere. La E. coli, acest complex implică micul ribozom 30S, șablonul ARNm, trei factori de inițiere care ajută ribozomul să se asambleze corect, guanozină trifosfat (GTP) care acționează ca sursă de energie și un ARNt inițiator special care transportă N-formil-metionină (fMet-ARNtfMet (figura 4). ARNt inițiator interacționează cu codonul de start AUG al ARNm și poartă o metionină formilată (fMet). Datorită implicării sale în inițiere, fMet este inserată la începutul (terminația N) fiecărui lanț polipeptidic sintetizat de E. coli. În ARNm de E. coli, o secvență lider în amonte de primul codon AUG, numită secvența Shine-Dalgarno (cunoscută și sub numele de situsul de legare ribozomal AGGAGG), interacționează prin împerechere de baze complementare cu moleculele de ARNr care compun ribozomul. Această interacțiune ancorează subunitatea ribozomală 30S în poziția corectă pe șablonul ARNm. În acest punct, subunitatea ribozomală 50S se leagă apoi de complexul de inițiere, formând un ribozom intact.

La eucariote, formarea complexului de inițiere este similară, cu următoarele diferențe:

• ARNt inițiator este un ARNt specializat diferit care poartă metionină, numit Met-ARNt
• În loc să se lege de ARNm la secvența Shine-Dalgarno, complexul de inițiere eucariot recunoaște capacul 5′ al ARNm eucariot, apoi urmărește ARNm în direcția 5′ spre 3′ până când este recunoscut codonul de start AUG. În acest moment, subunitatea 60S se leagă de complexul format din Met-tRNAi, ARNm și subunitatea 40S.

Figura 4. Traducerea la bacterii începe cu formarea complexului de inițiere, care include subunitatea ribozomală mică, ARNm, ARNt inițiator purtător de N-formil-metionină și factori de inițiere. Apoi, subunitatea 50S se leagă, formând un ribozom intact.

Elongația

La procariote și eucariote, elementele de bază ale elongației traducerii sunt aceleași. La E. coli, legarea subunității ribozomale 50S pentru a produce ribozomul intact formează trei situsuri ribozomale importante din punct de vedere funcțional: Situl A (aminoacil) se leagă de ARNt aminoacil încărcați care sosesc. Situl P (peptidil) leagă ARNt încărcați care transportă aminoacizi care au format legături peptidice cu lanțul polipeptidic în creștere, dar care nu s-au disociat încă de ARNt corespunzător. Situl E (ieșire) eliberează ARNt disociat, astfel încât acesta poate fi reîncărcat cu aminoacizi liberi. Există o excepție notabilă de la această linie de asamblare a ARNt: În timpul formării complexului de inițiere, fMet-tARNfMet bacterian sau Met-tARNi eucariotic intră direct în situsul P fără a intra mai întâi în situsul A, oferind un situs A liber, gata să accepte ARNt corespunzător primului codon după AUG.

Alungirea se desfășoară cu mișcări ale ribozomului cu un singur codon, fiecare numită eveniment de translocație. În timpul fiecărui eveniment de translocație, ARNt încărcați intră pe situsul A, apoi se deplasează pe situsul P și, în cele din urmă, pe situsul E pentru a fi eliminați. Mișcările ribozomale, sau pașii, sunt induse de modificări conformaționale care avansează ribozomul cu trei baze în direcția 3′. Legăturile peptidice se formează între grupul amino al aminoacidului atașat la ARNt din situsul A și grupul carboxil al aminoacidului atașat la ARNt din situsul P. Formarea fiecărei legături peptidice este catalizată de peptidil transferaza, o ribozomă pe bază de ARN care este integrată în subunitatea ribozomală 50S. Aminoacidul legat de ARNt din situsul P este, de asemenea, legat de lanțul polipeptidic în creștere. Pe măsură ce ribozomul trece peste ARNm, fostul ARNt din situsul P intră în situsul E, se detașează de aminoacid și este expulzat. Câteva dintre etapele din timpul alungării, inclusiv legarea unui ARNt aminoacil încărcat la situsul A și translocarea, necesită energie derivată din hidroliza GTP, care este catalizată de factori de alungire specifici. În mod uimitor, aparatul de traducere al E. coli are nevoie de numai 0,05 secunde pentru a adăuga fiecare aminoacid, ceea ce înseamnă că o proteină de 200 de aminoacizi poate fi tradusă în numai 10 secunde.

Terminarea

Terminarea traducerii are loc atunci când se întâlnește un codon fără sens (UAA, UAG sau UGA) pentru care nu există un ARNt complementar. La alinierea cu situsul A, acești codoni fără sens sunt recunoscuți de factori de eliberare la procariote și eucariote care au ca rezultat detașarea aminoacidului din situsul P de ARNt al acestuia, eliberând polipeptidul nou creat. Subunitățile ribozomale mici și mari se disociază de ARNm și una de cealaltă; ele sunt recrutate aproape imediat într-un alt complex de inițiere a traducerii.

În rezumat, există câteva caracteristici cheie care disting expresia genică procariotă de cea observată la eucariote. Acestea sunt ilustrate în figura 5 și enumerate în tabelul 1.

Figura 5. (a) La procariote, procesele de transcriere și traducere au loc simultan în citoplasmă, permițând un răspuns celular rapid la un indiciu de mediu. (b) La eucariote, transcripția este localizată în nucleu, iar traducerea este localizată în citoplasmă, separând aceste procese și necesitând procesarea ARN-ului pentru stabilitate.

Prezent

.

Verifică-ți înțelegerea

Răspundeți la întrebarea (întrebările) de mai jos pentru a vedea cât de bine ați înțeles subiectele abordate în secțiunea anterioară. Acest test scurt nu contează pentru nota dumneavoastră la curs și îl puteți relua de un număr nelimitat de ori.

Utilizați acest test pentru a vă verifica înțelegerea și pentru a decide dacă (1) să studiați în continuare secțiunea anterioară sau (2) să treceți la secțiunea următoare.

.