Exonul Exonul reprezintă partea secvenţei unei gene transcrise în structura ARNm până la transducţie. Există exoni de

1. Exonul • Exonul reprezintă partea secvenţei unei gene transcrise în structura ARNm până la transducţie. • Există exoni de lungimi variabile: • fragmente scurte (34 nucleotide pentru exonul 1 al apoAII), lung (7572 nucleotide pentru exonul 26 al apoB).

2. Un exon codifică cel mai adesea un domeniu funcţional al proteinei sau o parte a acestuia. • Astfel că poteinele eucariotelor sunt formate din mai multe domenii codificate de gene care posedă cel puţin atâţea exoni (cât are proteina). • În cursul evoluţiei, gena poate fi modificată prin substituţia, inserţia sau deleţia unui exon întreg (conversia genei) ceea ce modifică proteina (aduce sau retrage proteinei un domeniu funcţional în întregime).

3. Modificări ale transcrisului • Capişon sau bonetă: o enzimă adăugă o guanina la fosfatului 5 a primei nucleotide a transcrisului formând 7-metilguanilat trifosfat şi transferă radicalii metil pe primele nucleotide. • Aceste modificări au loc în debutul tuturor transcripţilor

5. ARNm sunt distruşi de ribonucleazele din citoplasmă. • Prin hidroliza lor se eliberează nucleotide care vor fi refolosite la sinteza altor acizi nucleici. • Pentru a proteja ARNm de acest catabolism, o structură specială ascunde extremitatea 5 terminală a acestuia de exonucleaze specifice. • Această structură este numită coiful mesagerului, sau 7metilguanilat

6. Coada poli A • Este o catenă cu o lungime de 500-2000 nucleotide de adenină policondensată. • Această coadă polyA este indispensabilă maturării şi activităţii ARNm pe care-l poartă. Ea va fi digerată lent de o exonuclează din citoplasmă dacă mesagerul va fi activ. • Dacă va fi redusă la câteva sute de nucleotide mesagerul va fi distrus total pentru a fi înlocuit de un mesager nou.

8. Transcris primar

9. Excizia, matisarea. • Părţile necodante, intronii, ale structurii primare a transcrisului sunt secţionate şi eliminate, iar părţile codate reasamblate. • După excizia intronilor şi matisarea exonilor, mesagerul nu conţine decât exoni reuniţi într-o singură secvenţă codantă. • Excizia, matisarea este o etapa de maturare a ARNm.

10. Exonii, părţi codante, sunt temporar legaţi cap la cap (matisare) pentru a forma secvenţa primară a ARNm. • Matisarea poate fi alternativă adică poate conduce la mai multe structuri ale ARNm. • ARNm alternativ are fiecare anumiţi exoni proprii ca şi unii exoni în comun.

11. Intronul eliberat sub formă de lasou este distrus de nucleaze. • Transcrisul pierde succesiv toţi intronii săi şi exonii se leagă constituind secvenţa codantă a ARNm.

12. Excizia intronilor

13. Splicing alternativ care duce la formarea de proteine diferite • În genaral, exonii sunt coliniari cu domeniile proteice. • Astfel prin selectarea exonilor într-un pre-ARNm dat, ar fi posibilă generarea unor molecule de ARNm diferite, pornind de la acceaşi secţiune a ADN genomic. • Splicing-ul alternativ apare frecvent. • Un exemplu este acela de generare a două imunoglobuline diferite.

14. Un alt exemplu de splicing alternativ este al troponinei. • Datorită prezenţei proteinelor reglatoare pe transcrisul primar legarea poate fi de mai multe feluri, se face diferenţiat de la o celulă la alta. • Este posibil să se lege alternativ fie la exonul 3 fie la exonul 4 din gena troponina T. • Dacă exonul 3 este păstrat se obţine α-troponina, iar dacă exonul 4 este păstrat se obţine -troponina T.

15. Această matisare alternativă stă la originea numeroaselor proteine izomorfe. • Este de asemenea posibil să se determine dependenţa expresiei genei a 2 promotori diferiţi, responsabili de reglarea diferenţiată. • Fiecare din aceşti promotori este legat de un exon 1 sau 1bis care vor fi matisaţi alternativ cu secvenţa transcrisului.

16. Se poate întâmpla să existe mai mulţi exoni la sfârşitul genei care conţin codoni STOP. În acest caz matisarea alternativă va da proteine cu lungimi diferite.

18. Stabilitatea mesagerului • ARNm este o copie de lucru a genelor, destinată dirijării transducţiei şi catalizării prin ribozomi. • Extremitatea 5 fosfat este protejată prin coif (boneta) fără ca ARN să fie degradat în cursul transcrierii de 5 exonucleaze. • La extremitatea sa 3OH , fără coadă polyA, mesagerul este inapt pentru transducţie şi va fi distrus de endonucleaze.

19. Mesagerii care poartă puţini ribozomi pentru că iniţierea transducţiei este încetinită sau inhibată sunt distruşi direct de către endonucleaze. • Anumiţi mesageri au durata de viaţă scurtă; mulţi dintre aceştia provin din mecanisme postprandiale (după masă) au durată de viaţă de 2 ore şi sunt resintetizaţi în întregime după fiecare masă. • Alţi mesageri din sistemul nervos de exemplu, sunt complet stabili pe parcursul anilor.

20. ARNm cuprinde mai multe secvenţe: • o secvenţă 5 necodantă care nu va fi tradusă care corespunde exonului 1 şi unei părţi a exonului 2 (ex. din gena apoAII); • primul codon AUG, fixează ARNt la metionină iniţială; • secvenţe de codoni care vor încorpora aminoacizi, ca peptide semnal şi polipeptide; • secvenţa codonilor a căror aminoacizi vor forma secvenţa primară a proteinelor; • codonul de terminare (aici UGA); • secvenţa 3 netradusă care se va termina prin coada polyA.

21. Pe secvenţa 5 netradusă se va constitui complex de iniţiere a transducţiei unde ribozomii se vor asambla succesiv, pentru continuarea transducţiei.

22. Transducţia • Transducţia constă în citirea ARNm de către ribozomi care sintetizează proteinele a căror structură primară este determinată de acest ARNm.

23. Transducţia se face: • -în citoplasma celulelor fie prin eliberarea de proteine citoplasmatice; • -în organitele celulei în RE, apoi transferate la AG, • -pentru a structura membrana celulară şi endomembrane pentru lizozomi, mitocondrii, membrana nucleară etc., • -fie pentru a excreta aceste proteine prin exocitoză.

24. Codul genetic • ADN este compact în nucleu şi asamblează cromozomii. • Sunt 23 perechi de cromozomi în celulele umane, fiecare având o secvenţă cu caracteristici unice. • Informaţia genetică specifică zisă codantă este decriptată, apoi tradusă în secvenţa primară a unei proteine. • 20 aminoaicizi pot fi integraţi sub formă de proteine.

25. Tripletul de baze (numit codon) codifică un aminoacid, moleculă de bază care intră în structura proteinelor. • Relaţia triplet/aminoacid poartă numele de cod genetic. • Limbajul nucleic se scrie cu 4 litere (A,G,C,T). • Dacă o literă nucleică s-ar traduce printr-un aminoacid nu am putea avea decât 4 aminoacizi. • Grupând literele nucleice în cuvinte de câte 2 litere vom putea avea 16 cuvinte dar acestea nu vor permite decât codificarea a 16 aminoacizi. • Grupând literele câte 3 în cuvinte putem avea 64 cuvinte ceea ce permite exprimarea celor 20 de aminoacizi şi a semnelor de punctuaţie.

26. Totuşi mai mulţi codoni codifică acelaşi aminoacid este aşa zisa degenerare. • Alături de tripleţii care codifică aminoacizii, există: • un codon de iniţiere ATG care soseşte la începutul traducerii şi care este codonul pentru un aminoacid metionină (este aminoacidul corespunzător semnalului de debut al transducţiei); • 3 codoni specifici, codonul STOP (TAA, TAG, TGA) care sunt semnele de sfârşit ale traducerii;

27. O succesiune de mai mulţi codoni de ADN definesc o zonă codantă a unei gene. • Codonii vor fi traduşi în aminoacizi care vor fi asociaţi pentru a forma scheletul unei proteine. • Există mai mulţi codoni în codul genetic decât aminoacizi şi semne de punctuaţie. • Vor exista mai mulţi codoni traduşi prin aminoacizi omonimi. • Aceşti omonimi reprezintă o pierdere de informaţie între limbaj nucleic (64 semnificativi) şi limbajul proteinic (21 semnificativ) face să se spună că acel cod genetic este degenerat.

28. Legarea ARNt cu ARNm purtător al informaţiei se face prin complementaritatea între 3 nucleotide a fiecăruia din cele două molecule de ARN. • Cele 3 nucleotide ale ARNm constituie un codon şi cele 3 nucleotide ale ARNt un anticodon. • În cursul transducţiei anticodonul şi codonul se leagă de maniera antiparalelă şi aminoacidul purtat prin ARNt este încorporat în proteină în procesul de sinteză.

29. Codul genetic. Secvenţa codantă este o secvenţă de codoni, care permite încorporarea specifică a unui aminoacid în sinteza unei proteine. • Codul genetic este acelaşi pentru toate vieţuitoarele biosferei (universal). Există câteva variaţii (codoni responsabili de biosinteza proteinelor din mitocondrii).

30. Codul genetic degenerat • Scriind codul genetic în alt sens, s-a arătat că sunt mai mulţi aminoacizi cu codoni omonimi. • Pentru unii aminoacizi sunt 6 codoni diferiţi, pentru alţii 4, 3 sau 2. • Aceşti codoni omonimi nu sunt înlocuiţi la întâmplare pentru că ARN corespunzător nu există în toate celulele în aceiaşi concentraţie. • O parte din aceşti codoni vor avea mai puţine şanse de a se exprima în ţesuturile în care ARNt corespunzător este rar. • Există numeroase ARNt a căror anticodoni nu se leagă specific cu a 3-a bază a codonului. • Aceste baze sunt mai puţin recunoscute mai puţin specifice sau de loc, ceea ce explică degenerarea obişnuită a celei de-a III-a litere.

32. Ribozomii la eucariote • Ribozomii din citoplasma celulelor eucariote sunt complexe multienzimatice care asociază 82 de lanţuri de aminoacizi şi 4 acizi ribonucleici. • Aceste molecule sunt asociate între ele pentru a forma 2 particule distincte subunitatea mare 60S şi subunitatea mică 40S care se pot disocia uşor. • ARNr şi proteinele au situsuri de fixare pentru secvenţele de ARNm şi pentru ARNt care poartă aminoacidul de încorporat (situs A) şi peptida în cursul sintezei (situs P), un situs catalitic pentru a forma legături peptidice, situsuri de fixare pentru cofactorii proteici ai iniţierii elongaţiei (eIF2, eIF3), de terminare şi situs de reglare (proteina S6).

35. Poliribozomii • Pe acelaşi mesager mai mulţi ribozomi efectuează transducţia aceleeaşi proteine unul după altul, totul constituind un poliribozom. • Iniţierea permite extremităţii 5 a unui ARNm să ataşeze ribozomii succesiv câte unul la 100 nucleotide. • Primul aminoacid încorporat constituie extremitatea NH2 terminală a proteinei. • La extremitatea 3 soseşte codonul de terminare, subunităţile ribozomului se separă şi eliberează proteina sintetizată. • Ultimul aminoacid încorporat constituie extremitatea COOH terminală a proteinelor.

37. Poliribozomii prezintă un aspect diferit în funcţie de reglarea etapelor de transducţie. • Iniţierea este activată pe ARNm de numeroşi ribozomi. • Dacă elongaţia este lentă ribozomii vor necesita mai mult timp pentru a citi secvenţa codantă. • O activare brutală a terminării disociază toţi ribozomii de ARNm. • Numeroase antibiotice sunt capabile să interfereze cu fiecare din etapele sintezei proteinelor- streptomicina, cyclohexamide, puromicine.

38. ARN de transport sau ARNt (treflă) • ARN constituie legătura chimică necesară între structura codon recunoscută de anticodon şi aminoacidul specific purtat prin ARNt. Acesta este pe scurt dicţionarul transducţiei. • Anticodonul este o secvenţă de 3 nucleotide situate la extremitatea buclei inferioare din ARNt, complementare şi antiparalele secvenţei din codon a aminoacidului corespunzător.

39. Fiecare aminoacid este legat specific (cod genetic) de un amino-acyl-ARNt-sintetaza la extremitatea 3 din ARNt a cărui anticodon îi este corespunzător (tARN – încărcat). • Ribozomii leagă ARNt încărcaţi pe situsul A de elongaţie dacă anticodonii lor se potrivesc mesagerului la acest nivel. • Elongaţia transferă astfel peptidul pe un aminoacid nou, el însuşi purtat de un ARN de transfer.

40. ARNt

41. Sinteza proteinelor. • Activarea unui aminoacid • Aminoacizii liberi din citoplasmă sunt substraturi pentru sinteza proteinelor. • Pentru a participa ei vor fi activaţi. • Activarea aminoacizilor este catalizată prin enzime specifice: aminoacyl-tARN sintetaza. • Există cel puţin una pentru fiecare din cei 20 aminoacizi. • Aceste enzime au o dublă specifictate: ele recunosc specific un aminoacid şi recunosc specific ARNt neîncărcat corespondent.

42. Aminoacil ARNt-sintetaza hidrolizează un ATP în AMP (legătura bogată în energie) apoi activează aminoacidul legându-l de fracţiunea acidă a fosfatului  a AMPc (legătură anhidridă bogată în energie). • Pirofosfatul este imediat distrus în totalitate printr-o pirofosfatază. • Aminoacidul astfel activat este transferat cu legătura sa bogată în energie, pe una din funcţiunile alcool secundare ale ribozei AMP3 terminal al ARNt încărcat se leagă, apoi de ribozomii pentru a sintetiza proteinele.

44. Iniţierea transducţiei • Iniţierea este etapa limitantă a transducţiei. • Subunităţile ribozomilor sunt disociate în citoplasmă. • O cascadă de evenimente vor forma un complex de iniţiere, ca răspuns la factorul eIF2 (eucariotic initiation factor 2), purtător a unui GDP, coenzimă care a hidrolizat în cursul ciclului de iniţiere precedentă. • În prezenţa factorului eIF2B un nou GTP este substituit cu un GDP.

45. Factorul eIF2 astfel activat, poate să lege ARNt încărcat cu metionina a cărui anticodon este complementar cu codonul de iniţiere (AUG) a mesagerului. • În prezenţa cofactorului eIF4C, subunitatea mică va fixa factorul eIF3 şi factorul eIF2 activat care poartă ARNt încărcat cu metionina iniţială. • Energia de formare a acestui complex a fost furnizată prin hidroliza legăturii bogate în energie a GTP purtat prin factorul eIF2 .

46. Secvenţa 5 netradusă de ARNm este recunoscută de cofactorul eIF4A, eIF4B şi eIF4F pe care se fixează ca urmare a hidrolizei unui ATP pentru furnizarea energiei. • Mesagerul este transferat pe subunitatea mică faţă în faţă cu situsul P, pentru a hibrida nucleotidele codonului de iniţiere cu cele ale anticodonului ARNt a metioninei iniţiale. • În prezenţa ultimului cofactor eIF5, complexul se va lega cu subunitatea mare pentru a construi ribozomul funcţional. • Cofactorii de iniţiere sunt eliberaţi şi începe transducţia în totalitate. Cofactorul eIF2 totdeauna purtat de GDP-ul său, este eliberat pentru a începe un nou ciclu de iniţiere.

48. În sfârşit datorită factorului eEF2 şi a hidrolizei altui GTP, ARNt din situsul P este eliberat; • ARNm, ARNt rămas şi peptidele în cursul sintezei sunt deci deplasate (translocate) de la situsul A la situsul P, fără ca să aibă loc separarea între codon şi anticodon. • Situsul A este din nou eliberat pentru a primi ARNt a aminoacidului următor.