Gene și cromozomi 3: gene, proteine și mutații

Introducere

Planul pentru construirea și funcționarea corpului uman este stocat în secvențe de acid dezoxiribonucleic (ADN) numite gene. Această informație genetică este utilizată pentru a produce proteine cu funcții diferite, de la proteine structurale esențiale pentru construirea mușchilor, oaselor și pielii până la enzime care catalizează reacțiile biochimice esențiale pentru supraviețuirea organismului. Erori în codul genetic uman, care se numesc mutații, duc uneori la producerea de proteine anormale care pot provoca boli, inclusiv boli autoimune și malignități.

Proteine

Proteinele sunt esențiale atât pentru structura, cât și pentru funcționarea corpului uman. Aceste macromolecule complexe sunt construite din blocuri de construcție numite aminoacizi, compuși organici simpli care conțin o grupă carboxil (-COOH) și o grupă amino (-NH2). Există 20 de aminoacizi care apar în mod natural (Caseta 1); alte variante pot fi produse sintetic în laborator.

Aminoacizi

Pentru a funcționa eficient, celulele umane trebuie să construiască continuu proteine noi pentru a le înlocui pe cele mai vechi și deteriorate. Acest lucru necesită o aprovizionare constantă cu toți cei 20 de aminoacizi. În timpul digestiei, tractul gastrointestinal descompune secvențial proteinele mari de origine animală și vegetală conținute în alimente în polipeptide, peptide și, în cele din urmă, în aminoacizi „liberi” care sunt capabili să traverseze peretele intestinal pentru a fi absorbiți în fluxul sanguin (VanPutte et al, 2017).

Aminoacizii naturali (Caseta 1) sunt împărțiți în două categorii:

• Esențiali – cei nouă aminoacizi pe care celulele umane nu îi pot sintetiza și, prin urmare, trebuie să îi obțină direct din alimente;
• Nonesențiali – cei 11 aminoacizi pe care celulele umane îi pot sintetiza în cazul în care aportul direct prin alimentație este scăzut.

Această terminologie poate crea confuzie, deoarece așa-numiții aminoacizi neesențiali sunt de fapt esențiali pentru construirea proteinelor; termenul este folosit doar pentru a indica faptul că aceștia nu trebuie să fie obținuți din alimentație.

Dacă se menține o nutriție adecvată printr-o alimentație sănătoasă și echilibrată, celulele primesc aminoacizii necesari pentru reînnoirea proteinelor. Cu toate acestea, o dietă deficitară, tulburările alimentare, anumite medicamente și procesul de îmbătrânire (care poate reduce pofta de mâncare) pot limita disponibilitatea alimentară a aminoacizilor, în special a celor nouă aminoacizi esențiali. Acest lucru compromite capacitatea organismului de a înlocui proteinele, ceea ce poate duce la irosirea mușchilor și la boli.

Varietăți de proteine

Proteinele formează cea mai mare componentă organică a corpului uman, constituind aproximativ 50% din masa uscată a unei celule umane tipice (Radivojac, 2013). Ele sunt sintetizate în citoplasma celulelor, unde aminoacizii sunt legați între ei prin legături peptidice pentru a forma lanțuri lungi ramificate care variază de la câțiva aminoacizi la mii. Aceste lanțuri de aminoacizi se pliază sau se răsucesc ulterior în configurațiile tridimensionale unice pe care trebuie să le adopte pentru a-și îndeplini rolurile desemnate în organism (VanPutte et al, 2017).

Cea mai mare proteină cunoscută în prezent în corpul uman este o proteină musculară numită titină (sau connectină), care constă din aproximativ 33.000 de aminoacizi. Aceasta funcționează ca un resort molecular și se crede că contribuie la forța de contracție a mușchilor (Powers et al, 2014).

Proiectul genomului uman a arătat că oamenii au puțin sub 20.000 de gene structurale care codifică pentru proteine individuale. Cu toate acestea, fiecare genă poate da naștere la până la 100 de variante ale proteinei pentru care codifică, astfel încât în corpul uman pot fi prezente până la două milioane de varietăți diferite de proteine (Ponomarenko et al, 2016).

Exemple de proteine comune includ:

• Actina și miozina – proteine contractile care se găsesc în mușchi;
• Keratina – o proteină densă care se găsește în păr, unghii și în epiderma pielii;
• Colagenul – o proteină structurală de uz general (utilizată, de exemplu, pentru construirea unui cadru de cartilaj și os) care poate exista în diverse forme fibroase;
• Hormoni proteici, cum ar fi insulina sau glucagonul – de obicei sub formă de lanțuri scurte numite peptide, aceștia circulă în sânge și acționează ca mesageri chimici;
• Enzime digestive catabolice, cum ar fi pepsina, tripsina și amilaza – acestea ajută la digerarea și descompunerea macromoleculelor alimentare în componente simple pe care organismul le poate absorbi;
• Enzime anabolice precum ADN polimeraza, acidul ribonucleic (ARN) polimeraza și glicogen sintetaza – implicate în construirea moleculelor de ADN, ARN și glicogen (amidon animal);
• Hemoglobina – implicată în transportul oxigenului și dioxidului de carbon în celulele roșii din sânge (eritrocite);
• Anticorpi, adesea numiți imunoglobuline – proteine mici în formă de Y care joacă un rol crucial în sistemul imunitar, legându-se de materialul străin, marcându-l astfel pentru a fi distrus;
• Neurotransmițători – proteine mici care funcționează ca mesageri chimici în sistemul nervos (de exemplu, substanța P);
• Receptorii neurotransmițătorilor – aceștia (de exemplu, receptorul de acetilcolină) primesc mesaje de la neurotransmițători.

Ribosomi

Proteinele sunt sintetizate în celule de către ribozomi, mici organite dens dispuse și înglobate în reticulul endoplasmatic (RE) din citoplasmă. ER este un sistem de membrane aplatizate interconectate și interconectate, iar cea mai mare parte a suprafeței sale este acoperită de ribozomi, ceea ce îi conferă un aspect aspru, neuniform, care a dus la faptul că această regiune este cunoscută sub numele de ER aspru. Aici, ribozomii „traduc” codul genetic prin asamblarea aminoacizilor pentru a crea proteine (Lewis, 2018).

Ribosomii sunt compuși în cea mai mare parte dintr-o formă specializată de ARN numită ARN ribozomal (ARNr), care este stabilizată de cantități mici de proteine care ajută, de asemenea, la asamblarea ribozomilor în sine (De la Cruz et al, 2015). Într-o singură celulă umană, mii de ribozomi pot construi în mod activ proteine în orice moment.

De la gene la proteine

Genele structurale conțin secvențe de ADN care determină secvențele de aminoacizi din proteine. Genele de control (sau de reglare) controlează ce gene structurale sunt exprimate („pornite”) într-un anumit țesut.

Utilizarea informației genetice conținute în ADN pentru a construi proteine implică câteva etape distincte:

• Transcriere;
• Modificare post-transcripțională;
• Translație;
• Modificări post-translaționale.

Transcripția

Informația genetică stocată în nucleul unei celule trebuie să ajungă la ribozomii din citoplasmă. În interiorul nucleului celulelor, ADN-ul există sub forma unor duble elice uriașe. Moleculele de ADN sunt prea mari pentru a fi transmise direct la ribozomi, astfel încât informația genetică stocată în ADN trebuie să fie copiată pe un mediu mai mic și mai mobil – acest proces se numește transcripție.

În timpul transcripției, o secvență genetică ce codifică o proteină este copiată din ADN bicatenar pe ARN monocatenar (Fig. 1). Moleculele de ARN monocatenar sunt mult mai mici decât moleculele de ADN și, prin urmare, pot călători prin porii minusculi ai membranei nucleare. Rolul moleculei de ARN va fi acela de a transmite instrucțiunile de construire a proteinelor către un ribozom. Deoarece această formă de ARN transportă informația din nucleu în citoplasmă, se numește ARN mesager (ARNm).

Ca și ADN-ul, ARN-ul este construit din baze nucleotide, dar spre deosebire de ADN nu are o bază timină. În ARN, timina este înlocuită de o altă bază nucleotidă numită uracil. Regulile de împerechere a bazelor în transcripție diferă ușor, prin urmare, de regulile de împerechere a bazelor în replicarea ADN-ului (Caseta 2).

Procesul de transcriere a ADN-ului este foarte asemănător cu cel de replicare a ADN-ului (vezi partea 2) și implică următoarele etape:

• Enzima ARN polimeraza se leagă de începutul secvenței genei ADN (numită și secvență promotoare);
• ARN polimeraza derulează o mică porțiune din dubla helix de ADN pentru a o face monocatenară (un proces adesea descris ca fiind analog cu desfacerea unui fermoar) – zona mică de ADN monocatenar derulat se numește bulă de transcripție (VanPutte et al, 2017);
• Doar unul dintre șirurile de ADN expuse deține informații utile pentru construirea unei proteine – acel șir este utilizat ca șablon pentru transcriere;
• ARN polimeraza ARN sintetizează un șir complementar de ARNm folosind regulile de împerechere a bazelor de transcriere.

Căsuța 3 prezintă un exemplu de transcripție.

Modificări post-transcripționale

Nu toate informațiile codificate în șirurile de ARNm sunt utile pentru construirea unei proteine. Un lanț de ARN nou transcris este alcătuit din două elemente:

• Exoni – secvențe de informații esențiale pentru construirea unei proteine care are secvența corectă de aminoacizi;
• Introni – secvențe care întrerup secvențele de codificare a exonilor și care, de obicei, nu dețin informații utile pentru construirea unei proteine. Odată considerați secvențe nedorite, se crede acum că intronii joacă un rol în reglarea expresiei genice (Chorev și Carmel, 2012).

Intonii trebuie să fie tăiați și exonii trebuie să fie îmbinați pentru a forma o secvență contiguă de ARNm de „înaltă fidelitate”: această tăiere și îmbinare – numită modificare post-transcripțională – este realizată de enzimele din nucleu. Procesul este prezentat în figura 2.

Natura codului genetic

Codul genetic este un triplet de trei baze azotate care codifică un aminoacid. Având în vedere că există 20 de aminoacizi naturali, trei baze permit ca fiecare aminoacid să fie reprezentat de un singur cod triplet (iar unii sunt reprezentați de mai multe ori). Codul triplet permite, de asemenea, codificarea instrucțiunilor de „start și stop” în lanțul de ARNm, astfel încât ribozomii să știe când să înceapă și când să termine construcția unei proteine.

Care șir de trei baze (cod triplet) pe un lanț de ARNm se numește codon. Primul codon de pe orice catenă de ARNm este întotdeauna codonul de „start” – numit AUG – care instruiește ribozomul să înceapă sinteza proteinei. Deoarece AUG codifică, de asemenea, pentru aminoacidul metionină, metionina este primul aminoacid încorporat într-o proteină – dacă nu este de fapt necesar, va fi eliminat ulterior (Xiao et al, 2010).

Aminoacizii înșiși sunt livrați ribozomilor de către moleculele de ARN de transfer (ARNt). Fiecărui aminoacid îi corespunde o moleculă unică de ARNt, iar fiecare moleculă de ARNt are propriul său cod unic de tripleți, care corespunde unui codon de pe șirul de ARNm. Aceste secvențe de ARNt completează codonii ARNm și, prin urmare, se numesc anticodoni (VanPutte et al, 2017).

Traducerea

După transcriere și modificare post-transcripțională, se generează o secvență matură, neîntreruptă de ARNm. La intrarea în citoplasmă, această secvență se atașează la un ribozom și poate fi apoi utilizată pentru sinteza proteinelor într-un proces numit traducere.

Traducerea ADN-ului (Fig 3) are loc o serie de etape:

• Un șir de ARNm matur se atașează la un ribozom;
• Trei baze de pe șirul de ARNm (codon) sunt expuse pe ribozom – de exemplu, AUG (codonul de „start” care codifică și pentru metionină);
• O moleculă de ARNt sosește la ribozom, își aliniază anticodonul la codonul de pe șirul ARNm și livrează aminoacidul corespunzător – de exemplu, pentru codonul de „start” AUG, anticodonul corespunzător UAC livrează metionina;
• Brandul de ARNm se deplasează de-a lungul ribozomului cu trei baze, expunând următorul codon, apoi următoarea moleculă de ARNt sosește cu anticodonul său complementar și livrează un alt aminoacid;
• Se formează legături peptidice între fiecare aminoacid adiacent și începe să se formeze un lanț proteic;
• Brandul de ARNm continuă să avanseze de-a lungul ribozomului cu câte trei baze, expunând fiecare codon în parte. Moleculele de ARNt cu anticodonii corespunzători continuă să livreze aminoacizi, legăturile peptidice continuă să se formeze și lanțul proteic continuă să se lungească;
• În cele din urmă, un codon „stop” (UAA, UAG sau UGA) este atins la capătul șirului de ARNm și sinteza proteinei este oprită – procesul de traducere a ADN-ului a creat o proteină brută.

Modificări post-translaționale

Proteina brută trebuie, de obicei, să fie modificată înainte de a putea adopta configurația sa finală 3D și de a începe să își îndeplinească funcția în organism. Aceste modificări au loc în citoplasmă, într-un organit numit aparatul Golgi (cunoscut și sub numele de corpul Golgi sau pur și simplu Golgi), care este adesea descris ca fiind „zona de ambalare și export” a celulei.

Proteinele suferă modificări post-translaționale după cum urmează:

• Versiunea brută a proteinei este împachetată într-un mic sac legat de membrană, vezicula de transfer;
• Vesicula de transfer părăsește ER dur și migrează spre aparatul Golgi;
• În aparatul Golgi, proteina brută este rafinată, ceea ce implică adesea adăugarea de reziduuri de zahăr la lanțul de aminoacizi prin glicozilare (Huang și Wang, 2017) – multe proteine din corpul uman sunt de fapt glicoproteine (proteine cu adaos de zahăr);
• Proteina rafinată părăsește aparatul Golgi și este fie utilizată în celulă, fie împachetată într-o veziculă secretorie pentru a fi exportată;
• Proteinele concepute pentru a fi exportate sunt evacuate din celulă pe măsură ce vezicula lor secretorie fuzionează cu membrana plasmatică.

Proteinele exportate pot fi fie utilizate într-un țesut la nivel local, fie transportate în regiuni îndepărtate ale corpului prin sânge. De exemplu, hormonul insulină, sintetizat în celulele beta pancreatice, este eliberat direct în circulație atunci când nivelul glucozei din sânge crește. Acesta funcționează apoi ca un mesager chimic care se leagă de receptorii (care sunt ei înșiși proteine) de pe multe celule umane, instruindu-le să preia glucoza, normalizând astfel concentrația de glucoză din sânge.

Mutații

Pentru a funcționa corect, proteinele trebuie să aibă secvențele corecte de aminoacizi, ceea ce se bazează, în cele din urmă, pe menținerea constantă a codului genetic. Cu toate acestea, există atât de multe baze nucleotidice în genomul uman (aproximativ trei miliarde de perechi de baze) încât apar invariabil erori. Astfel de erori sunt denumite mutații și pot duce la producerea de proteine care ar putea să nu funcționeze corect. Proteinele anormale sunt asociate cu o varietate de boli, inclusiv cu unele forme de boli autoimune și de malignitate.

Mutațiile genetice pot apărea în mod aleatoriu în urma unor erori de replicare a ADN-ului (descrise în partea 1 a acestei serii), în special pe măsură ce organismul îmbătrânește; alternativ, ele pot fi cauzate de factori de mediu care deteriorează direct moleculele de ADN. Orice lucru care poate deteriora ADN-ul și poate duce la mutații se numește mutagen (VanPutte et al, 2017). Multe mutații genetice apar în secțiuni de ADN care nu codifică proteine (de exemplu, în intronii necodificatori), astfel încât, de obicei, au un impact redus asupra funcției fiziologice.

Factorii despre care se știe că deteriorează ADN-ul și, prin urmare, cresc riscul de mutație, includ:

• Creșterea vârstei;
• Poluanți;
• Infecții – în special infecții virale, deoarece virușii își inserează adesea genele în ADN-ul uman, putând întrerupe secvențe genetice;
• Radiații – de exemplu, lumina ultravioletă (UV) de la soare sau razele X din imagistica medicală.

Se știe că lumina UV de la soare (în special UVB) deteriorează ADN-ul din celulele pielii. Dacă are loc o mutație în genele de control care reglează diviziunea celulară sau în genele care codifică enzimele de reparare a ADN-ului, rezultatul poate fi diviziunea celulară necontrolată și cancerul de piele (Hopkins, 2015). Deși pielea umană expusă la soare își produce propria protecție UV naturală sub formă de melanină (pigmentul întunecat care bronzează pielea), epuizarea stratului de ozon și timpul excesiv petrecut la soare pot duce la doze dăunătoare de radiații UV care cresc riscul de cancer de piele. Cremele de protecție solară oferă o mai bună protecție UV și s-a demonstrat că reduc semnificativ leziunile cutanate induse de UV și cancerele de piele (Green și Williams, 2007).

Mutațiile, cum ar fi cele cauzate de radiațiile UV asupra ADN-ului din piele, nu se transmit, în general, din generație în generație. Cu toate acestea, atunci când mutațiile afectează celulele germinale ale testiculelor și ovarelor, ele pot fi moștenite de descendenți. Au fost raportate peste 100.000 de mutații în celulele germinale umane, multe dintre acestea fiind asociate cu boli genetice ereditare comune (Vipond, 2013; Cooper et al, 2010). Unele dintre acestea vor fi explorate în cel de-al patrulea și ultimul articol din această serie.

.