În celulele diferitelor organisme au fost evidenţiate trei tipuri de acizi ribonucleici: mesager [ARN–m], solubil (de transfer) [ARN–s] şi ribozomal [ARN–r].
ARN – m este sintetizat în timpul transcripţiei mesajului genetic (procesul de transcriere a informaţiei genetice conţinută de catena de ADN într-o secvenţă complementară de
ARN – m) şi serveşte ca tipar pentru sinteza proteinelor. Pe lângă faptul că ARN – m preia informaţia genetică de la ADN are şi rolul de a transmite această informaţie prin translaţie organitelor citoplasmice (ribozomi) cu rol în sinteza proteinelor.
La ribovirusuri există un alt tip de acid ribonucleic şi anume ARN viral care are acelaşi rol biologic cu ADN celular sau viral.
Acidul ribonucleic MESAGER
E. W o l k i n şi L. A s t r a h a n (1958) au descoperit primii existenţa unui acid ribonucleic de un tip special, denumit mesager. Cercetările lor efectuate la Eschichia coli au pus în evidenţă ca acest A R N-m are caracteristici proprii, astfel că el poate fi diferenţiat de alte fracţii de A R N. Pentru punerea in evidenţă a A R N-m s-a facut următoarea experienţă bacterii de E. coil au fost infectate cu un bacteriofag, jar după două minute au fost trecute pe un mediu cu fosfor radioacfiv (P32). După trei minute bacteriile sunt spălate de mediul radioactiv şi apoi se realizează un extract bacterian, care este supus actiunţi dezoxiribotiucleazei ce hidrolizează A D N. Extrasul bacterian este centrifugat in gradient de densilate cu o soluţie de zaharoză şi în prezenţa ionilor de magneziu (Mg++) în concentraţie de 10 –4 M. În tubul centrifugei se obţin astfel mai multe straluri conţinind A R N ce au viteze de sedimentare diferite, care sunt separate prin găurirea fundului tubului si recoltarea conţinutului picătură cu picătură, numerotindu-se picăturile. Primele sunt recuperate straturile cu viteză de sedimentare mai mare. La fiecare strat în parte se măsoară densitatea optică in U.V. cu lungimea de undă de 2 600 A, pentru a obţine concentraţia în acizi nucleici, şi totodată se măsoară radioactivitatea.
Studiul in U.V. al densităţii optice aratp existenţa a două maxime corespunzătoare vitezelor de sedimentare 50 S şi 30 S, caracteristice particulelor ribozomlale bogate în A R N. Aceste straturi prezintă o tadioactivitate redusă.
Măsurarea radioactivităţii diferitelor straturi arată că maximul se realizează pentru stratul 20 S. A R N corespunzător acestei viteze de sedimentare
reprezintă numai o mica fracţie din cantitatea totală de A R N, sintetizată in timp scurt in prezenta P32. Prin hidroliza uşoară a acestei fracţii şi examenul său cromatografic, s-a constatat că A R N ce conţine nucleotide radioactive are o compoziţie in baze similară cu A D N, dar în care timina esle înlocuită de uracil.
Acest fenomen poate fi evidenţiat şi prin realizarea unor hibrizi moleculari A D N — A R N – m, prin separarea în gradient cu clorură de cesium. S-a observat că 40 — 60% din A R N-m participă la formarea hibridului molecular respectiv.
TAB!!??
Studiul cantitativ al bazelor azotate aflate in molecula de A R N-m, prezentat in tabelul de mai sus, arată că citozina + guanina variază procentual la diferite specii în limite relativ mari, însă această variaţie este foarte asemănătoare cu cea suferită de bazele corespunzătoare din A D N. Acesta este un argument important în sprijinul tezei că acest tip de A R N este complementar A D N şi purtătorul mesajului genetic. Un alt argument îi constituie raportul dintre bazele purinice şi pirimidinice care este aproximativ 1, la fel ca la A D N.
Într-o altă serie de experimente similare s-a marcat A R N-r din ribozoimi cu P32, pus la dispoziţia celulelor bacteriene timp mai lung înainte de începerea experienţei, dar A R N-m s-a marcat cn uridină C14 un timp scurt, în prezenţa ionilor de magneziu (Mg++) în concentraţie de 10-2 . Curba radioactivităţii A R N din ribozomi (P32) prezintă un maximum corespunzător fracţiei de sedimentare 70 S, datorită faptului că ribozoimii şi polisomii nu sunt distruşi în această experienţă. În ceea ce priveşte A R N-m, studiul radioactivităţii C14 a arătat ca acest tip de A R N nou sintetizat se găseşte legat în mare parte de ribozomi. Această fracţie de A R N total este capabilă de hibridare cn A D N, fapt care demonstrează că este vorba de A R N-m rapid sintetizat în prezenţa carbonului radioactiv (C14).
A R N-m are următoarele caracteristici: este sintetizat rapid in celulă, fapt evidenţiat prin experimentele amintite, este heterogen privind viteza de sedimentare şi respectiv greutatea moleculară, este capabil de hibridare cu o
catenă de A D N a cărei secvenţă de nucleotidă o copiează, este responsabil de
asocierea ribozomilor 70 S în polisomi şi are un rol important în sinteza proteinelor.
In ceea ce priveşte viteza de sedimentare, A R N-m de la E. coli asociat cu ribozomi face parte dintr-o fractie superioarä 70 S, insă A R N-m liber are o greutate molecularä mai redusă şi o viteză de sedimentare cuprinsă între 7 S şi 15 S, fiind deci heterogen. Se pare că heterogenitatea se datoreşte măririi genelor copiate din A D N. Prin separarea celor două catene de A D N s-a reuşit realizarea de hibrizi A R N-m A D N numai cu una din catene, fapt care indică posibilitatea de copiere a mesajului genetic numai a uneia dintre catene. La E. coli, de pildă, molecula de A R N-m conţine intre 900—1 500 nucleotide din cauză că proteinele au în medie între 300—500 aimnoacizi.
A R N-m este responsabil cu asocierea ribozomilor 70 S în polisomi cu o viteză de sedimentare care depăşeşte uneori chiar 100 S. S-a constatat experimental că blocarea formării polisomilor împiedică sinteza proteică din celulă.
În sfirşit, rolul A R N-m în sinteza proteică a fost demonstrat expetimental, prin adausul de A R N-m de la A D N bacteriofagic la un sisterm acelular de E. coli conţinând metaboliţi şi ribozomi. S-a observat o sinteză rapidă de proteine specifice bacteriofagului.
A R N din ribovirusuri este considerat un fel de A R N-m, el având capacitatea de a provoca sinteza proteinei virale atât într-un sistem acelular cât şi în celula-gazdă.
Sinteza A R N-m este inhibată de unii antibiotici, printre care şi actinomicina D atât ,,in vivo" cât şi „in vitro". Mecanismul de acţiune al antibioticului nu este bine cunoscut, se consideră însă că actinomicina intră în cormpetiţie cu enzima polimerizantă, astfel că sinteza A R N-m este blocată.
Greutatea moleculară a A R N-m este foarte variabilă, în funcţie de cantitatea de informaţie genetică a genelor respective. Ea variază între 100 000 şi câteva milioane (de la un organism la altul).
Cantitatea de A R N-m în celulă este de numai circa 2% din totalul A R N celular, fiid deci cel mai redus în cantitate.
A R N-m are o greutate moleculară şi o viteză de sedimentare la ultracentrifugare foarte variabilă (8 S - 45 S). El este cormplernentar unei catene a moleculei de A D N, fapt pentru care se produc uşor hibrizi moleculari ADN - ARN-m.
In celule, A R N-m se găseşte adesea asociat cu ribozomii formând poliribozomi sau polisomi. Studiul in vitro al vitezei proteice pare să arate că moleculele de A R N-m conţin una sau mai multe regiuni care initiază sinteza
lantului polipeptidic şi care ar fi reprezentatä dc o triplelă iniţiatoare ce ar codifica aminoacidul N-formilmetionina. Aceşti codoni sunt A U G, G U G şi U U G. Aceste regiuni specifice ar actiona selectiv în citirea mesajului genetic.
La bacterii s-a constatat în general că prezenţa inductorului şi respectiv corepresorului determinp modificări rapide în sinteza enzimatică. Pe baza observţiei privind rapida adaptare a bacteriilor la schinibările de mediu s-a studiat stabilitatea moleculelor de A R N-m, constatindu-se că ele au o viată foarte scurtă, de numai circa două minute, după care sunt hidrolizate. Deşi nu se cunoaşte mecanismul prin care moleculele de A R N-m sunt descormpuse, se consideră totuşi că ele îşi păstrează stabilitatea atâta timp cât se găsesc ataşate de ribozomi. De exemplu, adăugarea sau eliminarea lactozei în mediu (inductor) determină rapida modificare a cantităţii de A R N-m, la E. coli.
La animalele superioare s-a constatat însă că în celulele diferenţiate A R N-m este metabolic stabil. De pildă, în globulele roşii ale sângelui care sintetizează hemoglobina s-a constatat că nu are loc un proces de sinteză a A R N. Din cauza mediului foarte constant al organismului, s-a constatat că în aceste celule nu este nevoie de sinteza si hidroliza continua a A R N-m, de asemenea celulele trebuie să producă aproape continuu hemoglobină. Încercările experimentale cu ajutorul precursorilor A R N marcaţi cu tritiu (H3) au demonstrat că A R N-m existent în celule este metabolic stabil, având o viaţă lungă. Acelaşi fenormen al stabilităţii A R N-m s-a constatat şi în celulele ficatului.
Rolul ARN-m în sinteza proteinelor – alimentelor
Proteinele sunt componente esenţiale ale organismelor vii. Ele reprezintă circa 50% din nsubstanţa uscată a celulelor. Unele proteine, cum este colagenul au rol în realizarea structurilor organismului, iar altele cum sunt enzimele au rolul de a cataliza reacţiile metabolice.
Sinteza proteinelor „in vivo" se realizeaă pe baza informaţiei genetice din acizii nucleici.
Pict!!??
Rezultatul cercetărilor privind funţiile materialului genetic
pot fi sintetizate în relaţia
ADN ARN proteine. Conform acesteia informaţia
genetică se reproduce prin replicaţie şi este decodificată (transformată într-o proteină sau enzimă specifică) prin transcriţie şi translaţie.
Prin transcripţie se înţelege procesul de copiere a informaţiei înregistrată în ADN de către moleculele de ADN, iar prin translaţie, un complex de procese prin care se deccaodifică informaţia cuprinsă în ARN-m.
Prima etapă în procesul de sinteză proteică 0 coflstitue transcripţia inforrnaţiei genetice din ADN in ARN-m.
Fenomenul de transcripţie a iniormaţiei genetice de la ADN la ARN se realizează cu ajutorul enzimei ARN-polimeraza. ARN-m copiază informaţia genetică numai a unei catene din macromolecuta de ADN.
În celulele procariotelor, ARN-m copiază informaţia genetică a mai multor gene adiacente care alcătuiesc un operon. Ca urmare, se sintetizează concomitent mai multe proteine, de care celula are nevoie la un moment dat. Pe măsură ce se sintetizează moieculele de ARN-m, începe şi sinteza catenelor polipeptidice.
Pict!!??
La eucariote, ARN-m copiază de regulă informaţia genetică a unei singure gene. Acest ARN-m, după ce suferă unele modificări prin eliminarea secventelor noninformationale, migrează în citoplasmă, unde are loc sinteza proteică.
Prin transcripţia informaţiei genetice se înţelege nu numai sinteza ARN-m, ci şi a celorlalte două tipuri de acizi ribonucleici (ARNr şi ARNt), care sunt necesari pentru realizarea sintezei proteice.
Etapa următoare a sintezei proteice este reprezentantă de translaţie, în urma căreia o secvenţă de nucleotide din ARN-m este transformată într-o secvenţă de aminoacizi în molecula proteică. ARN-m se cuplează cu ribozomii din citoplasmă formând poliribozomi. Concomitent are loc activarea aminoacizilor (AA) din citoplasmă prin legarea lor de ATP (adenozintrifosfat), substanţă chimică ce serveşte ca donator de energie.
Cele 3 faze ale biosintezei proteice pot fi redate sintetic astfel:
1.AA+ATP aminoacil AA ~ AMP + P ~ P, adică un amino acid oarecare
sintetaze
este activat în urma reactiei cu molecula de ATP donatoare de energie sub influenţa enzimelor denumite aminoacilsintetaze. Ca urmare, aminoacidul se leagă de AMP (adenozinmonofosfat), iar două grupări fosfat sunt puse în libertate.
aminoacil
2. AA ~ AMP + ARNt AA ~ ARNt + AMP.
sintetaze
În aceastăfază are loc transferul aminoacizilor activaţi la ARNt, sub influenţa aceloraşi enzime din etapa precedentă. Cu ajutorul moleculelor de ARNt, aminoacizii sunt transferaţi la locul sintezei proteice in ribozomi.
3. În ultima fază (a treia) are loc asamblarea polipeptidelor cu ajutorul ribozomilor, astfel:
peptid
AA1 ~ ARNt1 + AA2 ~ ARNt2 AA1 ~ AA2 + ARNt1 + ARNt2.
polimeraze
În această fază, aminoacizii, de pibdă AA1 şi AA2, se unesc între ei prin legături peptidice cu ajutorul enzimetor peptidpolimeraze. Se formează astfel catene polipeptidice, iar moleculele de ARNt sunt puse in libertate şi sunt reciclate, adică refobosite în procesul sintezei proteice. De asemenea şi robozomii sunt reciclati în cursul sintezei proteice.
Proteinele având un rol plastic, ca substanţe alimentare se găsesc atât în produse alimentare de origine animală cât şi vegetală. Carnea, peştele, ouăle, mezelurile, brânzeturile etc. sunt bogate în proteine animale. Leguminoasele uscate (mazărea, fasolea, lintea), cartofii, pâinea etc. conţin proteine vegetale.
Bibliografie
Anghel I., Toma V. – Ctologie Vgetală / E.D.P.
Benzer S. – Genetic fine structure/New York, Ed. Academic Press
Burns G. W. – The Science of Genetics/Ed. The Magmillan co.
Crăciun T. – Mecanismele Eredităţii/Ed. Albatros
Gavrilă L. – Curs Genetică
Ionescu – Varo M. – Biologie Celulară
Raicu P. – Genetică /E.D.P.
Microsoft Encarta Deluxe 2001
World Book Encilopedia 1999
