ARN

Structura ARNTranscriere

Structura ARN

• ARN sunt produși de policondensare a ribonucleotidelor• Cantitatea de ARN variază atât de la o celulă la alta cât și

în cadrul aceleiași celule, în funcție de intensitatea procesului de biosinteză a proteinelor la momentul dat

• În funcție de rolul pe care îl au în biosinteza proteinelor se clasifică:– ARN ribozomal – ARNr– ARN de transport – ARNt– ARN mesager – ARNm– ARN de dimensiuni mici - ARNsn

Structura ARN

• Structura primară – asemănătoare cu cea a ADN, cu deosebirea că pentoza este riboza iar în locul T avem U; conținutul în A ≠ de cel de U (U formează 2 legături de hidrogen cu A) și de G ≠ de cel de C

• Structura secundară – ARN este monocatenar; pe anumite porțiuni, unde permite complementaritatea bazelor, se organizează în structuri dublu helicoidale; porținuile de baze necomplementare sunt expulzate ca bucle în afara zonelor helicoidale

Structura secundară a ARNt

Structura ARN

• Structura terțiară – ARNt adoptă o structură în forma literei L; brațul care leagă aminoacidul și brațul TYC se află pe o latură iar anticodonul și brațul DHU pe cealaltă latură

ARNr

• Molecule flexibile, deformabile, heterogen ca mărime și formă având zone dublu catenare întrerupte de zone monocatenare

• Este cel mai stabil metabolic• Reprezintă 80% din tolalul ARN• În funcție de coeficientul de sedimentare (1 S = 10-13

sec)(depinde de forma și mărimea moleculei) la procariote se întâlnesc 3 tipuri de ARNr: 23 S, 16 S și 5 S iar la eucariote 4 tipuri de ARNr: 28 S, 18 S, 5,8 S și 5 S

ARNr

• Nucleotidele din ARNr au metilată gruparea 2’-OH din riboză ceea ce le conferă rezistență la antibiotice

• Intră în constituția ribozomilor având rol catalitic (ARNr 23 S reprezintă centrul activ al formării legăturii peptidice)

• Ribozomii reprezintă sediul biosintezei proteinelor și sunt complexe ribonucleoproteice

• După valoarea constantei de sedimentare, la bacterii ribozomii sunt 70 S iar la eucariote sunt 80 S

Ribozomii

• Permit conlucrarea ARNm, ARNt și ARNr în vederea desfășurării biosintezei proteice

Ribozomii

• Pe suprafața fiecărui ribozom există 3 situsuri: situsul aminoacid (A) care leagă ARNt purtător al unui aminoacid, situsul peptid (P) care leagă ARNt purtător al unui peptid și situsul de eliminare (E) de pe care este eliberat ARNt liber

• La ARNm se leagă subunitatea mică a ribozomului astfel încât locusul P să se afle în dreptul codonului ce specifică aminoacidul inițiator; legarea subunității mari la acest complex determină formarea ribozomului funcțional

ARNt

• Reprezintă 15% din ARN total și conține aprox. 75 -90 nucleotide

• Procentul de baze complementare este mare; raportul A+G / U+C este aprox.1

• Are aspect de foaie de trifoi, având 4 zone de perechi complementare și 3 necomplementare, expulzate ca bucle

• Molecula de ARNt are cel mai mare conținut de baze minore: dihidrouridină (DHU), ribotimidină (T), pseudouridină ( ), Y etc

ARNt

• La capătul 3’ toți ARNt maturi au secvența CCA la care se leagă aminoacidul iar la capătul 5’ un rest guanilic.

• În partea opusă brațului aminoacid se află brațul anticodon care conține o secvență de 3 nucleotide numită anticodon, care variază cu natura ARNt

• Brațul DHU are rol în recunoașterea și legarea aminoacil-ARNt-sintetazei, brațul TC asigură legarea la ribozom a complexului aminoacil-ARNt (pe aceste brațe se află baze azotate minore); brațul variabil cuprine 4-21 nucleotide

• În soluție adoptă forma literei L

ARNt

ARNt

• Funcții:– Asigură legarea aminoacizilor specifici, activați la

restul adenilic din secvența CCA și transportul lor la ribozomi; există cel puțin 20 tipuri diferite de ARNt (un aminoacid poate fi specificat de mai mulți codoni)

– Adaptarea aminoacidului transportat în dreptul codonului de pe ARNm corespunzător, prin recunoașterea codon-anticodon (pe baza complementarității bazelor)

ARNm

• Monocatenar, de lungimi variabile, sintetizat prin transcriere utilizând una din catenele ADN ca matriță

• Informația depozitată în ARNm sub forma tripletelor de nucleotide numite codoni este decodificată la nivelul ribozomilor

• La capătul 3’ se află o secvență netradusă numită leader iar la capătul 5’ o secvență, desemeni netradusă, numită trailer

• ARNm procariot este monocistronic (monogenic; conține informația privind sinteza unui singur polipeptid) sau policistronic (poligenic; conține informația privind sinteza mai multor proteine implicate în aceeași cale metabolică)

ARNm

• La procariote între gena transcrisă, ARNm și proteină există o relație de coliniaritate (succesiunea de nucleotide dintr-o genă corespunde exact celei de aminoacizi din proteină)

• ARNm eucariot este monocistronic și de cele mai multe ori ARNm transcris este cu mult mai mare decât ARNm citoplasmatic (matur)

• La eucariote, gena este mult mai lungă decât proteina obținută; ea cuprinde secvențe codificatoare, exoni (expressed regions) și secvențe necodificatoare, introni (intervening sequences)

ARNsn

• Există în nucleu, citosol și mitocondrie• Se prezintă sub forma mai multor specii moleculare,

bogate în uridină (U1-U6)• Asociate cu proteine formează particule

ribonucleoproteice (small nuclear ribonucleoproteins), snRNP sau “snurps”, cu rol în excizia intronilor din transcriptele primare ale ARNm, controlul traducerii sau recunoașterea proteinelor ce urmează a fi exportate.

Transcrierea

• Este procesul prin care se sintetizează ARN pe matriță de ADN

• Acest proces are loc ori de câte ori este nevoie în viața unei celule

Elementele necesare replicării

• Substraturi – ATP, GTP, CTP, UTP • Matrița – una din cele două catene ale ADN, numită

și catena necodificatoare (catena codificatoare va fi cealaltă și este identică cu catena de ARN sintetizată, cu excepția înlocuirii T cu U); transcrierea este asimetrică; dacă pe molecula de ADN se află mai multe gene, catenele ADN vor fi catene matriță pentru unele gene și catene codificatoare pentru altele

Elementele necesare replicării

• Enzime – ARN polimeraze-ADN dependente – Nu necesită prezența primerului pentru că poate iniția

catene– Are acțiune asemănătoare cu a ADN polimerazelor ADN

dependente– Sintetizează catene cu direcția 5’3’ (ca și ADN

polimerazele)– Nu au activitate de corector– La procariote există o singură enzimă pentamerică a2bb’ :s

• Enzima miez a2bb’ - importantă în procesul de elongare• Subunitatea s – esențială pentru inițierea transcrierii

Elementele necesare replicării

• Enzime – ARN polimeraze-ADN dependente– La eucariote:• ARN polimeraza mitocondrială – localizată în matrixul

mitocondrial, sintetizează toate tipurile de ARN mitocondrial• ARN polimeraza I – în nucleoli, sintetizează ARNr 45 S• ARN polimeraza II – în nucleoplasmă, sintetizează

ARNm, ARNsn• ARN polimeraza III – în nucleoli, sintetizează ARNt,

ARNr 5S, ARN sn

Elementele necesare replicării

• Secvența promotor P – orientează corect polimeraza la situsul de inițiere; punctul de start este notat +1, secvențele situate “în amonte” se notează cu – iar secvențele “în aval”, cu +– La procariote – sunt situați în amonte, pe catena

codificatoare; sunt foarte bine conservate în evoluție• Caseta -10 = caseta Pribnow = 5’ TATAAT 3’• Caseta -35 = caseta TATA = 5’ TTGACA 3’

Promotorii la procariote

Elementele necesare replicării

• Secvența promotor P– La eucariote – sunt diferite pentru fiecare polimerază în

parte; pentru ARN polimeraza I și II se află în amote iar pentru polimeraza III în aval față de punctul start al transcrierii• Caseta TATA, asemănătoare casetei Pribnow, centrată la 25-35

perechi de baze de start – responsabilăd e acuratețea inițierii transcrierii

• Casetele CAAT și GC – responsabile de frecvența transcrierii

• Factorii de inițiere:– La procariote – factorul s– La eucariote – 6 factori diferiți

Promotorii la eucariote

Etapele transcrierii

• Inițierea subunitatea s orientează corect enzima față de punctul de

start, recunoscând regiunea -35; se formează “complexul închis”

Deschiderea ADN pe o porțiune de aprox. 10 perechi de baze și formarea, datorită subunității s a unei bucle care se întinde până la punctul de inițiere a transcrierii; se formează “complexul deschis”

Formarea primei legături fosfat diesterice dintre nucleotidul +1 (întotdeauna purinic) și nucleotidul +2

După legarea a 10 nucleotide subunitatea s se disociază ( se poate asocia cu alte ARN polimeraze miez și începe o nouă rundă de transcriere)

Etapele transcrierii

• Elongarea are loc în bucla de transcriere (12-17 perechi de

baze); ADN se desface în fața buclei de transcriere și se renaturează în spatele buclei

Pe măsură ce se sintetizează catena de ARN are loc disocierea lui din duplexul hibrid ADN-ARN permițând refacerea ADN dublu catenar

Viteza de elongare nu este constantă, depinzând de secvențele de ADN transcrise

Animație transcriere

Etapele transcrierii

• Terminarea la procarioteRho –independentă – catena matriță de ADN conține secvențe

stop = secvențe palindromice bogate în perechi GC, urmate de o zonă bogată în perechi AT; prin transcrierea acestei zone se formează o structură în “ac de păr” a transcriptului ARN care se termină cu o coadă poli U; din cauza împrecherii mai sumare cu catena de ADN, are loc disocierea ARN din hibridul rezultat la transcriere

Rho –dependentă – în cazul în care nu avem secvențe stop; factorul proteic rho (r) se leagă la o secvență specifică a ARN monocatenar si glisează pe el spre bucla de transcriere (proces care necesită hidroliza ATP), desprinzându-l de catena matriță și de enzimă

Terminarea rho-independentă

Terminarea rho-dependentă

Modificarea transcriptelor primare(prelucrări post-transcriere)

• Eliminarea exo- și endonucleazică a unor fragmente polinucleotidice

• Adăugarea unor fragmente polinucleotidice la capetele 3’ și 5’

• Modificări covalente la nivelul unor resturid e nucleotide

Prelucrări post-transcriere

• Eliminarea intronilor– Intronii au dimensiuni mult mai mari decât exonii;

doar 5-10% din genom reprezintă secvențe codificatoare

– Se realizează în nucleu pentru toate tipurile de ARN

– Enzime specifice recunosc joncțiunea intron-exon, taie intronul și leagă apoi exonii rezultați

– La ARNr – se face autocatalitic (molecule de ARN au activitate catalitică; ele se numesc ribozimi)

Prelucrări post-transcriere

• Eliminarea intronilor– La ARNm – este realizată de un complex

asemănător ribozomului, numit splicozom format din snurps și transcriptul primar ARNm

– La ARNt – este realizată de un complex multienzimatic care prezintă activitate endonucleazică și de ligază

Eliminarea intronilor în ARNt

Prelucrări post-transcriere

• Modificări suplimentare– La ARNm eucariot (ARNm procariot se naște

matur)• formarea capătului 5’ = adăugarea unui rest de 7-metil

guanozină (acesta protejează moleculele de acțiunea 5’3’ exonucleazelor și este recunoscut de ribozomi ca semnal de inițiere a sintezei proteinelor• formarea unei cozi poli A de 200-300 nucleotide la

capătul 3’- ajută la stabilizarea moleculei de ARNm

Prelucrări post-transcriere

• Modificări suplimentare– La ARNt• Transcriptul primar este multimeric și este tăiat de

ribonucleaze, rezultând mai mulți ARNt monomerici• Formarea capătului 5’ – cu ajutorul ribonucleazei P =

un ARN de câteva sute de nucleotide, având rol catalitic și o proteină bazică )• Formarea capătului 3’ (CCA)– la procariote este relevat

de către o enzimă cu activitate exonucleazică; la eucariote este adăugat

Prelucrări post-transcriere

• Modificări suplimentare– La ARNr• La eucariote - are loc clivarea unui transcriptul primar

45 S rezultând toate ARNr mature• La procariote – dintr-un transcript 30 S se obțin prin

clivare ARNr 23 S, 16 S și ARN t iar ARNr 5 S (dintr-un alt transcript)

Modificări suplimentare la ARNr

Inhibitorii transcrierii

• Antibioticul actinomicina D și colorantul acridina se intercalează între perechile de GC și distorsionează molecula de ADN ămpiedicând replicarea și transcrierea

• a-amanitina din cipercile otrăvitoare este inhibitor al ARN polimerazei

• Antibioticele din clasa rifamicinelor inhibă inițierea transcrierii la bacterii prin legarea la subunitatea b

Reglarea transcrierii la procariote

• Enzime constitutive – enzime la care Ks =Kd; ele catalizează procese fundamentale pentru existența celulei. Se găsesc în celule în cantități relativ constante. Nu suferă fluctuații semnificative în raport cu factorii de mediu.

• Enzime inductibile – sunt enzimele pentru care Ks>Kd; sunt implicate în general în căi catabolice. Enzima este sintetizată numai dacă există substratul asupra căruia să acționeze. Substratul acționează ca inductor, accelerând sinteza enzimei

• Enzime represibile – sunt enzimele pentru care Ks<Kd; pot fi implicate în procese de sinteză a unor constituenți celuari (căi anabolice). Sinteza lor este încetinită de produsul final al reacției catalizate.

Reglarea transcrierii la procariote

• Jacob și Monod au propus teoria operonului pentru a explica inducția și represia genelor

• Operonul lac = un grup de gene reglate coordonat ai căror produși au rol în metabolizarea lactozei– Gene structurale (x, y și z) conțin informația pentru sinteza

a 3 enzime (cele 3 gene sunt adiacente și au un singur promotor)

– Gena reglatoare (i) – conține informația pentru sinteza proteinei represor

– Operatorul (o) – permite transcrierea genelor structurale atunci când este liber

Operonul lac

• În absența glucozei E.Coli poate utiliza lactoza ca sursă de energie

• În absența lactozei (inductorul), represorul se leagă la operator blocând transcrierea genelor structurale

• În prezența lactozei, aceasta se leagă la represorul atașat de operator și inducând o tranziție alosterică, îi schimbă conformația, acesta desprinzându-se de operator; în această situație ARN polimeraza poate face transcrierea celor 3 gene; ca urmare se sintetizează cele 3 enzime necesare bacteriei pentru a utiliza lactoza

Operonul lac

Operonul triptofanului

• Operonul conține 5 gene care codifică enzime necesare biosintezei triptofanului, promotorul, operatorul și gena reglatoare

• În absența triptofanului, represorul sintetizat este inactiv, permitând transcrierea genelor și deci sinteza triptofanului

• La concentrații mari de triptofan, acesta va funcționa ca un corepresor, se leagă la represor, îi determină schimbarea conformației ceea ce va favoriza legarea sa la operator; ca urmare genele structurale nu mai pot fi transcrise, prevenind acumularea în exces a triptofanului

Operonul triptofan