Download curs3a biol mol nou

Sisteme de mesageri






Semnal extern
Receptor
Traducere
Efector primar
Al IIlea mesager
Efector secundar






Norepinephrine
Beta-adrenergic-R
Gs –protein
Adenyl cyclase
cAMP
Protein Kinase A
G protein: Protein Phosphorylation
external signal: nt
norepinephrine
Receptor
b adrenergic -R
transducer
primary
effector
GS
adenylyl
cyclase
2d messenger
cAMP
secondary effector
protein kinase
G protein: Protein Phosphorylation
A
C
R
G
GDP
PK
G protein: Protein Phosphorylation
A
C
R
G
GTP
*
GDP
PK
G protein: Protein Phosphorylation
A
C
R
G
ATP
GTP
cAMP
PK
G protein: Protein Phosphorylation
A
C
R
G
ATP
GTP
P
cAMP
PK
Pore





Transducţia
Sinteza în celulă a macromoleculelor de aminoacizi şi
a proteinelor a căror structură primară este
determinată de cea a ADN.
Transducţia constă în citirea ARNm de către ribozomi
care sintetizează proteinele a căror structură primară
este determinată de acest ARNm. Această expresie
se face prin două mecanisme principale:
structura primară a ADN se exprimă prin sinteza
ARNm aceasta fiind transcripţia;
structura transcrisă pe unii ARNm este exprimată
prin sinteza de proteine a căror structură primară se
traduce prin aminoaiczi informaţia purtată de
structura primară aADN – este transducţia.
Transcripţia şi transducţia





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.






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.
Structura primară a ADN (succesiunea bazelor din
lungul catenei helixului, numită încă secvenţă de
ADN) poartă informaţia genetică şi constituie
genomul.
Informaţia genetică specifică zisă codantă este
decriptată, apoi tradusă în secvenţa primară a unei
proteine.
20 aminoaicizi pot fi integraţi sub formă de proteine.





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 AA.
Grupând literele câte 3 în cuvinte putem avea
64 cuvinte ceea ce permite exprimarea celor
20 de AA şi a semnelor de punctuaţie.





Numărul de codoni posibili permit codului genetic
interpretarea corespondenţei între un triplet şi un
aminoacid.
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;




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 şi limbajul
proteic face să se spună că acel cod
genetic este degenerat.



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.




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).
Codul genetic este compus de 61 codoni pentru
codificarea celor 20 de aminoacizi ce participă la
sinteza proteinelor;
fiecare aminoacid poate fi codificat prin mai mulţi
codoni (de la 1-6) care diferă în general prin a III-a
nucleotidă motiv pentru care se spune că este
degenerat.





Corespondenţele între codoni şi aminoacizi au fost
selecţionate pentru ca schimbările de baze să aibe
efectele minime posibile asupra proteinelor
exprimate.
Toţi codonii în care a II-a literă este U corespund
aminoacizilor hidrofili, deci au proprietăţi fizice
apropiate.
La fel aminoacizii care corespund codonilor începând
cu GA fac ca schimbările de la a III-a bază să nu
dispară încărcătura anionică a radicalului.
Cel mai apropiat codon STOP este cel al triptofanului.
O schimbare a oricăruia sau a celor 2 guanine
determină formarea codonului STOP şi deci se
opreşte transducţia.
Dar acest codon corespunde unui aminoacid foarte
rar în proteinele obişnuite.







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 ARNt 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.
ceea ce explică degenerarea obişnuită a celei de-a
III-a litere.






Ribozomii la eucariote
Ribozomii din citoplasma celulelor eucariote
sunt complexe multienzimatice care asociază
82 de lanţuri de aminoacizi şi 4ARN.
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).
Eukaryotic Cells
The Nucleus & Chromosomes
The nuclear membrane
separates the nucleus
from the cell’s cytoplasm
and is made of a
phosoholipid bilayer.
The nuclear membrane separates the nucleus from the
cell’s cytoplasm and is made of a phosoholipid bilayer.
Ribosomes and Protein
Synthesis
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Cisternae
cis face
Proteins
trans face
Golgi
apparatus
Transport
vesicle
Protein
Vesicle
Migrating
budding
transport
from rough vesicle
endoplasmic
reticulum
Ribosome
Fusion
of vesicle
with Golgi
apparatus





Poliribozomii
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.




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.




ARN de transport sau ARNt (treflă)
ARN constituie legătura chimică necesară
între structura codon recunoscută de
anticodon şi aminoacidul specific purtat prin
ARNt.
Anticodonul este o secvenţă de 3 nucleotide
situate la extremitatea buclei inferioare din
ARNt,
complementare şi antiparalele secvenţei din
codon a aminoacidului corespunzător.



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 încărcat pe situsul A de
elongaţie dacă anticodonul lui se potriveşte
mesagerului la acest nivel.
Elongaţia transferă astfel peptidul pe un
aminoacid nou, el însuşi purtat de un ARNt.


Transfer
Transfer
RNAs,RNAs
or tRNAs, possess
unique identifying
sequences that
allow the correct
amino acid to be
attached and
aligned with the
appropriate codon
in mRNA.
Transfer RNAs
are approximately
70 to 80



Sinteza proteinelor.
Activarea unui aminoacid
Aminoacizii liberi din citoplasmă sunt
substraturi pentru sinteza proteinelor.




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.



Aminoacil ARNt-sintetaza hidrolizează
un ATP în AMP apoi activează
aminoacidul legându-l de fracţiunea
acidă a fosfatului  a AMPc.
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.




Serina ARNt sintetaza
Aminoacyl ARNt sintetazele sunt enzime care încarcă
aminoacizii liberi din citoplasmă pe ARNt
corespunzător.
Legătura ester constituită între aminoacid şi ARNt
său care este bogată în energie şi va fi hidrolizată în
cursul etapei de elongaţie din transducţie.
Aminoacyl-ARNt sintetaza are dublă specifictate
foarte puternică pentru două substraturi:
aminoacidul recunoscut (aici serina) şi ARNt a
căror codoni sunt complmentari cu codoni
corespunzători a acestor aminoacizi în codul
genetic.




Exactitatea transducţiei este dată în
întregime de aceasta dublă specifictate:
aminoacid ARNt sintetaze sunt autori
de dicţionare de traducere,
recunoaşterea ARNt se face de către
anticodon în anumite cazuri sau de
alte servicii de ARNt comune, ARNt
sinonime.
Unele aminoacyl-ARNt sintetaze sunt
reglate prin fosforilare.






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.



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 .




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.
8.11 Initiation of
translation in
eukaryotic cells
(Part 1)
8.11 Initiation of translation in
eukaryotic cells (Part 2)
8.11 Initiation of translation in
eukaryotic cells (Part 3)
The Process of Translation

Elongation factors, which are complexed to GTPs, escort
the aminoacyl tRNA to the ribosome.

The next step in elongation is translocation, which requires
another elongation factor and is coupled to GTP hydrolysis.
The Process of Translation

As elongation continues, the eEF1α, or EF-Tu, that is
released from the ribosome bound to GDP must be
reconverted to its GTP form.

Release factors are proteins that recognize stop codons
and terminate translation of mRNA.
8.14 Termination of translation

Release factors are proteins that recognize stop codons
and terminate translation of mRNA.
Regulation of translation by phosphorylation of eIF2 and eIF2B

Another mechanism of regulating translation in
eukaryotic cells is by modulating the activity of
initiation factors such as eIF2 and eIF4e. This can be
done by phosphorylation of the initation factors.
Post-Translational Modifications




Protein folding
Protein Cleavage
Glycosylation
Attachment of Lipids





N-myristoylation
Prenylation
Palmytolation
Phosphorylation
Ubiquitination
Protein Folding and Processing

The classic principle of protein folding is that all the information required for a
protein to adopt the correct three-dimensional conformation is provided by its
amino acid sequence.

Molecular chaperones are proteins that facilitate the folding of other proteins.

Two specific families of chaperone proteins act in a general pathway of
protein folding in both prokaryotic and eukaryotic cells – Heat shock proteins
and Chaperonins.

Unfolded polypeptide chains are shielded from the cytosol within the chamber of
the chaperonin.
Proteine chaperone

Some chaperones bind to
nascent polypeptide chains
that are still being translated
on ribosomes, thereby
preventing incorrect folding
or aggregation of the aminoterminal portion of the
polypeptide before synthesis
of the chain is finished.

Chaperones also
stabilize unfolded
polypeptide chains
during their transport
into subcellular
organelles.
Action of chaperones during
translation and Transport
Enzymes that Catalyze Protein Folding

Protein disulfide isomerase, or PDI, catalyzes
disulfide bond formation and plays an important role
by promoting rapid exchanges between paired
disulfides.

Peptidyl prolyl isomerase is a catalyst enzyme that
plays an important role in the folding of some
proteins.
Protein Cleavage

Proteolysis is an important step in the maturation of
many proteins and involves cleavage of the polypeptide
chain.

Signal sequences target many secreted proteins to the
plasma membrane of bacteria or to the endoplasmic
reticulum of eukaryotic cells while translation is still in
progress.
Protein Cleavage

Signal peptidase is a specific membrane protease that
cleaves the signal sequence after the remainder of the
polypeptide chain passes through the channel membrane
during translation.

Active enzymes or hormones, such as insulin, form via
cleavage of larger precursors.
Glycosylation

Glycosylation is a process in
which many proteins,
particularly in eukaryotic cells,
are modified by the addition
of carbohydrates.

Glycoproteins are proteins to
which carbohydrate chains
have been added.

Glycoproteins are classfied as
either N-linked or O-linked,
depending on the site of
attachment of the
carbohydrate side chain.
Attachment of Lipids

N-myristoylation is a process in which myristic acid is attached to an
N-terminal glycine residue.

Prenylation is a type of modification in which specific types of lipids
are attached to the sulfur atoms in the side chains of cysteine residues
located near the C terminus of the polypeptide chain.

Palmitoylation is a type of fatty acid modification in which palmitic
acid is added to sulfur atoms of the side chains of internal cysteine
residues.

Some proteins in eukaryotic
cells are modified by the
attachment of lipids to the
polypeptide chain.

Glycolipids are lipids that are
linked to oligosaccharides
and then added to the Cterminal carboxyl groups of
some proteins, where they
serve as anchors that attach
the proteins to the external
face of the plasma
membrane.

Glycosylphosphatidylinositol
, or GPI anchors, are
glycolipids that are attached
to proteins that contain
phosphatidylinositol.
Attachment of Lipids
Protein Phosphorylation

Protein kinases catalyze protein phosphoylation by
transferring phosphate groups from ATP to the hydroxyl
groups of the side chains of serine, threonine, or tyrosine
residues.
Protein Phosphorylation

Protein-serine/threonine
kinases are protein kinases that
phosphorylate serine and
threonine residues.

Protein-tyrosine kinases are
protein kinases that phosphorylate
tyrosine residues.

Protein phosphatases act to
reverse protein phosphorylation
and catalyze the hydrolysis of
phosphorylated amino acid
residues.
The ubiquitin-proteasome pathway

Damaged proteins are recognized and rapidly degraded within cells, thereby
eliminating the consequences of mistakes made during protein synthesis.

Ubiquitin is a marker in eukaryotic cells that targets cytosolic and nuclear
proteins for rapid proteolysis.

Proteasomes are large, multi-subunit protease complexes that recognize and
degrade polyubiquinated proteins.
The ubiquitinproteasome
pathway




Cadrul de citire
Poziţionarea mesagerului în raport cu ARNt de la
metionina iniţială determină cadrul de citire a
transducţiei.
ARNt a metioninei ocupă unul din cele două situsuri
de fixaţie a ARNt pe ribozom: situsul P (el conţine
peptide în curs de sinteză).
Codonul AUG a mesagerului se hibridează în sistusul
P cu anticodonul CAU din ARNt al metioninei plasând
mesagerului codonii următori (N1, N2, N3) să apară
în celelalte situsuri de fixare (situsul A sau
aminoacizi) întrucât va servi la fixarea noilor
aminoacizi încorporaţi, Nucleotidul N1 va fi tot timpul
primul al fiecărui codon (Fig. 51).




Elongaţia transducţiei
Ribozomii iniţiali au situsul A vacant. Factorul
de elongaţie eEF1B catalizează schimbul GTP
cu un GDP pe factorul eEF1A. Acesta activat,
va primi un ARNt încărcat care se va fixa pe
acest situs A, hidrolizând GTP în GDP.
Din moment ce codonul mesagerului din
situsul A a putut să se lege complementar cu
anticodonul din ARNt adus, factorul eEF1A
este eliberat cu GDP-ul său.
Ribozomul catalizează atunci transferul
peptidelor situate pe ARNt din situsul P pe
funcţiunea amino a aminoacidului ARNt din
situsul A.




Pentru aceasta utilizează energia de hidroliză
a legăturii ester bogată în energie dintre
peptid şi ARNt din situsul P.
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.