ARN-ul - tipuri de Acizi RiboNucleici, acidul ribonucleic MESAGER

ARN-ul

Tipuri de Acizi RiboNucleici

In celulele diferitelor organisme au fost evidentiate trei tipuri de acizi ribonucleici: mesager [ARN-m], solubil (de transfer) [ARN-s] si ribozomal [ARN-r].

ARN - m este sintetizat in timpul transcriptiei mesajului genetic (procesul de transcriere a informatiei genetice continuta de catena de ADN intr-o secventa complementara de ARN - m) si serveste ca tipar pentru sinteza proteinelor. Pe langa faptul ca ARN - m preia informatia genetica de la ADN are si rolul de a transmite aceasta informatie prin translatie organitelor citoplasmice (ribozomi) cu rol in sinteza proteinelor.

La ribovirusuri exista un alt tip de acid ribonucleic si anume ARN viral care are acelasi rol biologic cu ADN celular sau viral.

Acidul ribonucleic MESAGER

E. Wolkin si L. Astrahan (1958) au descoperit primii existenta unui acid ribonucleic de un tip special, denumit mesager. Cercetarile lor efectuate la Eschichia coli au pus in evidenta ca acest A R N-m are caracteristici proprii, astfel ca el poate fi diferentiat de alte fractii de A R N. Pentru punerea in evidenta a A R N-m s-a facut urmatoarea experienta bacterii de E. coil au fost infectate cu un bacteriofag, jar dupa doua minute au fost trecute pe un mediu cu fosfor radioacfiv (P32). Dupa trei minute bacteriile sunt spalate de mediul radioactiv si apoi se realizeaza un extract bacterian, care este supus actiunti dezoxiribotiucleazei ce hidrolizeaza A D N. Extrasul bacterian este centrifugat in gradient de densilate cu o solutie de zaharoza si in prezenta ionilor de magneziu (Mg++) in concentratie de 10 -4 M. In tubul centrifugei se obtin astfel mai multe straluri continind A R N ce au viteze de sedimentare diferite, care sunt separate prin gaurirea fundului tubului si recoltarea continutului picatura cu picatura, numerotindu-se picaturile. Primele sunt recuperate straturile cu viteza de sedimentare mai mare. La fiecare strat in parte se masoara densitatea optica in U.V. cu lungimea de unda de 2 600 A, pentru a obtine concentratia in acizi nucleici, si totodata se masoara radioactivitatea.

Studiul in U.V. al densitatii optice aratp existenta a doua maxime corespunzatoare vitezelor de sedimentare 50 S si 30 S, caracteristice particulelor ribozomlale bogate in A R N. Aceste straturi prezinta o tadioactivitate redusa.

Masurarea radioactivitatii diferitelor straturi arata ca maximul se realizeaza pentru stratul 20 S. A R N corespunzator acestei viteze de sedimentare reprezinta numai o mica fractie din cantitatea totala de A R N, sintetizata in timp scurt in prezenta P32. Prin hidroliza usoara a acestei fractii si examenul sau cromatografic, s-a constatat ca A R N ce contine nucleotide radioactive are o compozitie in baze similara cu A D N, dar in care timina esle inlocuita de uracil.

Acest fenomen poate fi evidentiat si prin realizarea unor hibrizi moleculari A D N - A R N - m, prin separarea in gradient cu clorura de cesium. S-a observat ca 40 - 60% din A R N-m participa la formarea hibridului molecular respectiv.

Studiul cantitativ al bazelor azotate aflate in molecula de A R N-m, prezentat in tabelul de mai sus, arata ca citozina + guanina variaza procentual la diferite specii in limite relativ mari, insa aceasta variatie este foarte asemanatoare cu cea suferita de bazele corespunzatoare din A D N. Acesta este un argument important in sprijinul tezei ca acest tip de A R N este complementar A D N si purtatorul mesajului genetic. Un alt argument ii constituie raportul dintre bazele purinice si pirimidinice care este aproximativ 1, la fel ca la A D N.

Intr-o alta serie de experimente similare s-a marcat A R N-r din ribozoimi cu P32, pus la dispozitia celulelor bacteriene timp mai lung inainte de inceperea experientei, dar A R N-m s-a marcat cn uridina C14 un timp scurt, in prezenta ionilor de magneziu (Mg++) in concentratie de 10-2 . Curba radioactivitatii A R N din ribozomi (P32) prezinta un maximum corespunzator fractiei de sedimentare 70 S, datorita faptului ca ribozoimii si polisomii nu sunt distrusi in aceasta experienta. In ceea ce priveste A R N-m, studiul radioactivitatii C14 a aratat ca acest tip de A R N nou sintetizat se gaseste legat in mare parte de ribozomi. Aceasta fractie de A R N total este capabila de hibridare cn A D N, fapt care demonstreaza ca este vorba de A R N-m rapid sintetizat in prezenta carbonului radioactiv (C14).

ARN-m are urmatoarele caracteristici: este sintetizat rapid in celula, fapt evidentiat prin experimentele amintite, este heterogen privind viteza de sedimentare si respectiv greutatea moleculara, este capabil de hibridare cu o catena de A D N a carei secventa de nucleotida o copieaza, este responsabil de asocierea ribozomilor 70 S in polisomi si are un rol important in sinteza proteinelor.

In ceea ce priveste viteza de sedimentare, A R N-m de la E. coli asociat cu ribozomi face parte dintr-o fractie superioarä 70 S, insa A R N-m liber are o greutate molecularä mai redusa si o viteza de sedimentare cuprinsa intre 7 S si 15 S, fiind deci heterogen. Se pare ca heterogenitatea se datoreste maririi genelor copiate din A D N. Prin separarea celor doua catene de A D N s-a reusit realizarea de hibrizi A R N-m A D N numai cu una din catene, fapt care indica posibilitatea de copiere a mesajului genetic numai a uneia dintre catene. La E. coli, de pilda, molecula de A R N-m contine intre 900-1 500 nucleotide din cauza ca proteinele au in medie intre 300-500 aimnoacizi.

A R N-m este responsabil cu asocierea ribozomilor 70 S in polisomi cu o viteza de sedimentare care depaseste uneori chiar 100 S. S-a constatat experimental ca blocarea formarii polisomilor impiedica sinteza proteica din celula.

In sfirsit, rolul A R N-m in sinteza proteica a fost demonstrat expetimental, prin adausul de A R N-m de la ADN bacteriofagic la un sisterm acelular de E. coli continand metaboliti si ribozomi. S-a observat o sinteza rapida de proteine specifice bacteriofagului.

ARN din ribovirusuri este considerat un fel de A R N-m, el avand capacitatea de a provoca sinteza proteinei virale atat intr-un sistem acelular cat si in celula-gazda. inteza ARN-m este inhibata de unii antibiotici, printre care si actinomicina D atat ,,in vivo' cat si "in vitro'. Mecanismul de actiune al antibioticului nu este bine cunoscut, se considera insa ca actinomicina intra in cormpetitie cu enzima polimerizanta, astfel ca sinteza A R N-m este blocata.

Proiect: Dezvoltarea prenatala si nasterea - factorii ce influenteaza dezvoltarea Eseu: Bazele moleculare ale apoptozei

Greutatea moleculara a A R N-m este foarte variabila, in functie de cantitatea de informatie genetica a genelor respective. Ea variaza intre 100 000 si cateva milioane (de la un organism la altul).

Cantitatea de A R N-m in celula este de numai circa 2% din totalul A R N celular, fiid deci cel mai redus in cantitate.

ARN-m are o greutate moleculara si o viteza de sedimentare la ultracentrifugare foarte variabila (8 S - 45 S). El este cormplernentar unei catene a moleculei de A D N, fapt pentru care se produc usor hibrizi moleculari ADN - ARN-m.

In celule, A R N-m se gaseste adesea asociat cu ribozomii formand poliribozomi sau polisomi. Studiul in vitro al vitezei proteice pare sa arate ca moleculele de A R N-m contin una sau mai multe regiuni care initiaza sinteza lantului polipeptidic si care ar fi reprezentatä dc o triplela initiatoare ce ar codifica aminoacidul N-formilmetionina. Acesti codoni sunt A U G, G U G si U U G. Aceste regiuni specifice ar actiona selectiv in citirea mesajului genetic.

La bacterii s-a constatat in general ca prezenta inductorului si respectiv corepresorului determinp modificari rapide in sinteza enzimatica. Pe baza observtiei privind rapida adaptare a bacteriilor la schinibarile de mediu s-a studiat stabilitatea moleculelor de A R N-m, constatindu-se ca ele au o viata foarte scurta, de numai circa doua minute, dupa care sunt hidrolizate. Desi nu se cunoaste mecanismul prin care moleculele de A R N-m sunt descormpuse, se considera totusi ca ele isi pastreaza stabilitatea atata timp cat se gasesc atasate de ribozomi. De exemplu, adaugarea sau eliminarea lactozei in mediu (inductor) determina rapida modificare a cantitatii de A R N-m, la E. coli.

La animalele superioare s-a constatat insa ca in celulele diferentiate A R N-m este metabolic stabil. De pilda, in globulele rosii ale sangelui care sintetizeaza hemoglobina s-a constatat ca nu are loc un proces de sinteza a A R N. Din cauza mediului foarte constant al organismului, s-a constatat ca in aceste celule nu este nevoie de sinteza si hidroliza continua a A R N-m, de asemenea celulele trebuie sa produca aproape continuu hemoglobina. Incercarile experimentale cu ajutorul precursorilor A R N marcati cu tritiu (H3) au demonstrat ca A R N-m existent in celule este metabolic stabil, avand o viata lunga. Acelasi fenormen al stabilitatii A R N-m s-a constatat si in celulele ficatului.

Rolul ARN-m in sinteza proteinelor - alimentelor

Proteinele sunt componente esentiale ale organismelor vii. Ele reprezinta circa 50% din nsubstanta uscata a celulelor. Unele proteine, cum este colagenul au rol in realizarea structurilor organismului, iar altele cum sunt enzimele au rolul de a cataliza reactiile metabolice.

Sinteza proteinelor "in vivo' se realizeaa pe baza informatiei genetice din acizii nucleici.

Pict!!??

Rezultatul cercetarilor privind funtiile materialului genetic

pot fi sintetizate in relatia

ADN ARN proteine. Conform acesteia informatia

genetica se reproduce prin replicatie si este decodificata (transformata intr-o proteina sau enzima specifica) prin transcritie si translatie.

Prin transcriptie se intelege procesul de copiere a informatiei inregistrata in ADN de catre moleculele de ADN, iar prin translatie, un complex de procese prin care se deccaodifica informatia cuprinsa in ARN-m.

Prima etapa in procesul de sinteza proteica 0 coflstitue transcriptia inforrnatiei genetice din ADN in ARN-m.

Fenomenul de transcriptie a iniormatiei genetice de la ADN la ARN se realizeaza cu ajutorul enzimei ARN-polimeraza. ARN-m copiaza informatia genetica numai a unei catene din macromolecuta de ADN.

In celulele procariotelor, ARN-m copiaza informatia genetica a mai multor gene adiacente care alcatuiesc un operon. Ca urmare, se sintetizeaza concomitent mai multe proteine, de care celula are nevoie la un moment dat. Pe masura ce se sintetizeaza moieculele de ARN-m, incepe si sinteza catenelor polipeptidice.

Pict!!??

La eucariote, ARN-m copiaza de regula informatia genetica a unei singure gene. Acest ARN-m, dupa ce sufera unele modificari prin eliminarea secventelor noninformationale, migreaza in citoplasma, unde are loc sinteza proteica.

Prin transcriptia informatiei genetice se intelege nu numai sinteza ARN-m, ci si a celorlalte doua tipuri de acizi ribonucleici (ARNr si ARNt), care sunt necesari pentru realizarea sintezei proteice.

Etapa urmatoare a sintezei proteice este reprezentanta de translatie, in urma careia o secventa de nucleotide din ARN-m este transformata intr-o secventa de aminoacizi in molecula proteica. ARN-m se cupleaza cu ribozomii din citoplasma formand poliribozomi. Concomitent are loc activarea aminoacizilor (AA) din citoplasma prin legarea lor de ATP (adenozintrifosfat), substanta chimica ce serveste ca donator de energie.

Cele 3 faze ale biosintezei proteice pot fi redate sintetic astfel:

1.AA+ATP aminoacil AA ~ AMP + P ~ P, adica un amino acid oarecare

sintetaze

este activat in urma reactiei cu molecula de ATP donatoare de energie sub influenta enzimelor denumite aminoacilsintetaze. Ca urmare, aminoacidul se leaga de AMP (adenozinmonofosfat), iar doua grupari fosfat sunt puse in libertate.

aminoacil

2. AA ~ AMP + ARNt                            AA ~ ARNt + AMP.

sintetaze

In aceastafaza are loc transferul aminoacizilor activati la ARNt, sub influenta acelorasi enzime din etapa precedenta. Cu ajutorul moleculelor de ARNt, aminoacizii sunt transferati la locul sintezei proteice in ribozomi.

3. In ultima faza (a treia) are loc asamblarea polipeptidelor cu ajutorul ribozomilor, astfel:

peptid

AA1 ~ ARNt1 + AA2 ~ ARNt2 AA1 ~ AA2 + ARNt1 + ARNt2.

polimeraze

In aceasta faza, aminoacizii, de pibda AA1 si AA2, se unesc intre ei prin legaturi peptidice cu ajutorul enzimetor peptidpolimeraze. Se formeaza astfel catene polipeptidice, iar moleculele de ARNt sunt puse in libertate si sunt reciclate, adica refobosite in procesul sintezei proteice. De asemenea si robozomii sunt reciclati in cursul sintezei proteice.

Proteinele avand un rol plastic, ca substante alimentare se gasesc atat in produse alimentare de origine animala cat si vegetala. Carnea, pestele, ouale, mezelurile, branzeturile etc. sunt bogate in proteine animale. Leguminoasele uscate (mazarea, fasolea, lintea), cartofii, painea etc. contin proteine vegetale.