Biosinteza E Proteinave

Proteinat kryejnë një sërë funksionesh kritike si enzima, proteina strukturore ose hormone. Sinteza e proteinave është një proces shumë i ngjashëm si për prokariotët ashtu edhe për eukariotët, por ka disa dallime.

Sinteza e proteinave mund të ndahet gjerësisht në dy faza: transkriptim dhe përkthim. Gjatë transkriptimit, një pjesë e ADN-së që kodon një proteinë, e njohur si gjen, shndërrohet në një molekulë shabllon të quajtur ARN-ja e dërguar (mRNA). Ky shndërrim kryhet nga enzimat, të njohura si ARN polimeraza, në bërthamën e qelizës. Në eukariotët, kjo mARN fillimisht prodhohet në një formë të parakohshme (para-mRNA) e cila i nënshtrohet modifikimeve pas transkriptimit për të prodhuar mRNA të pjekur. mARN-ja e pjekur eksportohet nga bërthama e qelizës nëpërmjet poreve bërthamore në citoplazmën e qelizës që të ndodhë përkthimi. Gjatë përkthimit, mARN-ja lexohet nga ribozomet të cilët përdorin sekuencën nukleotide të mRNA-së për të përcaktuar sekuencën e aminoacideve. Ribozomet katalizojnë formimin e lidhjeve peptide kovalente midis aminoacideve të koduara për të formuar një zinxhir polipeptid.

Pas përkthimit, zinxhiri polipeptid duhet të paloset për të formuar një proteinë funksionale, për shembull, për të funksionuar si një enzimë, zinxhiri polipeptid duhet të paloset saktë për të prodhuar një vend aktiv funksional. Për të adoptuar një formë funksionale tredimensionale (3D), zinxhiri polipeptid duhet së pari të formojë një seri strukturash më të vogla themelore të quajtura struktura sekondare. Zinxhiri polipeptid në këto struktura dytësore më pas paloset për të prodhuar strukturën e përgjithshme terciare 3D. Pasi paloset saktë, proteina i nënshtrohet maturimit të mëtejshëm përmes modifikimeve të ndryshme pas përkthimit. Modifikimet pas përkthimit mund të ndryshojnë aftësinë e proteinës për të funksionuar, ku ajo ndodhet brenda qelizës (p.sh.: citoplazma ose bërthama) dhe aftësinë e proteinës për të ndërvepruar me proteina të tjera.

Biosinteza e proteinave ka një rol kyç në sëmundje pasi ndryshimet dhe gabimet në këtë proces, përmes mutacioneve të ADN-së ose palosjes së gabuar të proteinave, janë shpesh shkaqet themelore të një sëmundjeje. Mutacionet e ADN-së ndryshojnë sekuencën pasuese të mARN-së, e cila më pas ndryshon sekuencën e aminoacideve të koduar të mRNA. Mutacionet mund të bëjnë që zinxhiri polipeptid të jetë më i shkurtër duke gjeneruar një sekuencë ndalimi që shkakton ndërprerjen e hershme të përkthimit. Përndryshe, një mutacion në sekuencën e mRNA-së ndryshon aminoacidin specifik të koduar në atë pozicion në zinxhirin polipeptid. Ky ndryshim i aminoacideve mund të ndikojë në aftësinë e proteinës për të funksionuar ose për t'u palosur siç duhet. Proteinat e palosura shpesh përfshihen në sëmundje pasi proteinat e palosura në mënyrë jo të duhur kanë një tendencë të ngjiten së bashku për të formuar grumbuj të dendur proteinash. Këto grumbullime janë të lidhura me një sërë sëmundjesh, shpesh neurologjike, duke përfshirë sëmundjen e Alzheimerit dhe të Parkinsonit.

Transkriptimi ndodh në bërthamë duke përdorur ADN-në shabllon për të prodhuar mARN-ën. Tek eukariotët, kjo molekulë mARN-je njihet si para-mARN pasi pëson modifikime pas transkriptimit në bërthamë për të prodhuar një molekulë të pjekur të mARN-së. Megjithatë, tek prokariotët modifikimet posttranskriptuese nuk kërkohen kështu që molekula e pjekur e mARN-së prodhohet menjëherë nga transkriptimi.

Fillimisht, një enzimë e njohur me emrin helikazë vepron në molekulën e ADN-së. ADN-ja ka një strukturë spirale antiparalele, të dyfishtë, të përbërë nga dy zinxhirët polinukleotide plotësuese, të mbajtura së bashku nga lidhjet hidrogjenore ndërmjet çifteve bazë. Enzima helikazë prish lidhjet hidrogjenore duke bërë që një rajon i ADN-së, që korrespondon me një gjen, të shpërbëhet, duke ndarë dy zinxhirët e ADN-së dhe duke ekspozuar një sërë bazash. Pavarësisht se ADN-ja është një molekulë me dy zinxhirë, vetëm njëra prej vargjeve vepron si shabllon për sintezën para-mRNA, ky varg njihet si vargu shabllon. Vargu tjetër i ADN-së (i cili është plotësues me vargun e shabllonit) njihet si vargu kodues.

Si ADN-ja ashtu edhe ARN-ja kanë drejtim të brendshëm, që do të thotë se ekzistojnë dy skaje të dallueshme të molekulës. Kjo veti e drejtimit është për shkak të nënnjësive nukleotide themelore asimetrike, me një grup fosfat në njërën anë të sheqerit pentozë dhe një bazë në anën tjetër. Pesë karbonet në sheqerin pentozë numërohen nga 1 (do të thotë kryesor) deri në 5. Prandaj, lidhjet fosfodiesterike që lidhin nukleotidet formohen duke bashkuar grupin hidroksil të karbonit 3' të një nukleotidi me grupin fosfat në karbonin 5' të një nukleotidi tjetër. Prandaj, vargu kodues i ADN-së shkon në një drejtim 5' deri në 3' dhe vargu plotësues, i modelit të ADN-së shkon në drejtim të kundërt nga 3' në 5'.

Enzima ARN polimeraza lidhet me vargun e ekspozuar të shabllonit dhe lexon nga gjeni me drejtimin 3' deri në 5'. Njëkohësisht, ARN-ja polimeraza sintetizon një varg të vetëm të para-mRNA në drejtimin 5'-në-3' duke katalizuar formimin e lidhjeve fosfodiesterike ndërmjet nukleotideve të aktivizuara (të lira në bërthamë) që janë të afta të çiftojnë bazën plotësuese me vargun shabllon. Pas ARN-së polimerazë lëvizëse dy vargjet e ADN-së ribashkohen, kështu që vetëm 12 çifte bazë të ADN-së ekspozohen në të njëjtën kohë. ARN-ja polimeraza ndërton molekulën para-mRNA me një shpejtësi prej 20 nukleotide në sekondë duke mundësuar prodhimin e mijëra molekulave të para-mRNA nga i njëjti gjen në një orë. Pavarësisht shpejtësisë së shpejtë të sintezës, enzima e ARN-se polimerazës përmban mekanizmin e vet të korrigjimit. Mekanizmat e korrigjimit lejojnë që ARN-ja polimeraza të heqë nukleotidet e pasakta (të cilat nuk janë komplementare me vargun shabllon të ADN-së) nga molekula në rritje e para-mARN-së përmes një reaksioni heqjeje. Kur ARN polimerazat arrijnë një sekuencë specifike të ADN-së e cila përfundon transkriptimin, ARN polimeraza shkëputet dhe sinteza para-mARN përfundon.

Molekula para-mARN e sintetizuar është komplementare me vargun e ADN-së shabllon dhe ndan të njëjtën sekuencë nukleotide si vargu kodues i ADN-së. Sidoqoftë, ekziston një ndryshim thelbësor në përbërjen nukleotide të molekulave të ADN-së dhe mARN-së. ADN-ja përbëhet nga bazat - guanina, citozina, adenina dhe timina (G, C, A dhe T) - ARN gjithashtu përbëhet nga katër baza - guanina, citozina, adenina dhe uracili. Në molekulat e ARN-së, baza e ADN-së timina zëvendësohet nga uracili i cili është në gjendje të çiftëzohet baza me adeninën. Prandaj, në molekulën para-mARN, të gjitha bazat plotësuese që do të ishin timina në vargun kodues të ADN-së zëvendësohen nga uracili.

Ndryshimet pas transkriptimit

Pasi transkriptimi të përfundojë, molekula para-mRNA i nënshtrohet modifikimeve pas transkriptimit për të prodhuar një molekulë të maturuar të mRNA-së.

 

Ekzistojnë 3 hapa kryesorë brenda modifikimeve pas transkriptimit:

1. Shtimi i një kapaku 5' në skajin 5' të molekulës para-mRNA
2. Shtimi i një bishti poli(A) 3' i shtohet molekulës së para-mRNA me fundin 3’
3. Heqja e introneve nëpërmjet bashkimit të ARN-së

Kapaku 5' i shtohet skajit 5' të molekulës para-mRNA dhe përbëhet nga një nukleotid guanine i modifikuar përmes metilimit. Qëllimi i kapakut 5' është të parandalojë zbërthimin e molekulave të mRNA-së të maturuara përpara përkthimit, kapaku gjithashtu ndihmon lidhjen e ribozomit me mRNA për të filluar përkthimin dhe mundëson që mARN-ja të diferencohet nga ARN-të e tjera në qelizë. Në të kundërt, bishti 3' Poly(A) i shtohet skajit 3' të molekulës së mRNA dhe përbëhet nga 100-200 baza adenine. Këto modifikime të dallueshme të mRNA-së i mundësojnë qelizës të zbulojë se mesazhi i plotë i mRNA-së është i paprekur, nëse janë të pranishëm edhe kapaku 5' dhe bishti 3'.

Kjo molekulë e modifikuar para-mRNA i nënshtrohet më pas procesit të bashkimit të ARN-së. Gjenet përbëhen nga një seri intronesh dhe ekzonesh, intronet janë sekuenca nukleotide që nuk kodojnë një proteinë ndërsa, ekzonet janë sekuenca nukleotide që kodojnë drejtpërdrejt një proteinë. Intronet dhe ekzonet janë të pranishëm si në sekuencën e ADN-së, ashtu edhe në molekulën para-mRNA, prandaj, në mënyrë që të prodhohet një molekulë e pjekur mARN që kodon një proteinë, duhet të ndodhë bashkimi. Gjatë bashkimit, intronet ndërhyrëse hiqen nga molekula para-mRNA nga një kompleks multiproteinik i njohur si spliceosome (i përbërë nga mbi 150 proteina dhe ARN). Kjo molekulë e pjekur mRNA eksportohet më pas në citoplazmë përmes poreve bërthamore në mbështjellësin e bërthamës.

Gjatë përkthimit, ribozomet sintetizojnë zinxhirë polipeptidikë nga molekulat e modelit të mRNA. Tek eukariotët, përkthimi ndodh në citoplazmën e qelizës, ku ribozomet ndodhen ose lundrues të lirë ose të bashkëngjitur në rrjetin endoplazmatik. Në prokariotët, të cilëve u mungon bërthama, proceset e transkriptimit dhe të përkthimit ndodhin në citoplazmë.

Ribozomet janë makineri komplekse molekulare, të përbëra nga një përzierje e proteinave dhe ARN ribozomale, të rregulluara në dy nënnjësi (një nënnjësi e madhe dhe një nënnjësi e vogël), të cilat rrethojnë molekulën mARN. Ribozomi lexon molekulën e mRNA në një drejtim 5'-3' dhe e përdor atë si një shabllon për të përcaktuar rendin e aminoacideve në zinxhirin polipeptid. Për të përkthyer molekulën mRNA, ribozomi përdor molekula të vogla, të njohura si ARN transferuese (tRNA), për të dhënë aminoacidet e duhura në ribozom. Çdo tARN përbëhet nga 70-80 nukleotide dhe adopton një strukturë karakteristike të gjetheve të tërfilit për shkak të formimit të lidhjeve hidrogjenore midis nukleotideve brenda molekulës. Ekzistojnë rreth 60 lloje të ndryshme tARN-sh, secila tARN lidhet me një sekuencë specifike të tre nukleotideve (të njohura si kodon) brenda molekulës së mRNA dhe jep një aminoacid specifik.

Ribozomi fillimisht i bashkëngjitet mARN-së në kodonin fillestar (AUG) dhe fillon të përkthejë molekulën. Sekuenca e nukleotideve të mARN lexohet në treshe - tre nukleotide ngjitur në molekulën e mARN korrespondojnë me një kodon të vetëm. Çdo tARN ka një sekuencë të ekspozuar prej tre nukleotideve, të njohura si antikodon, të cilat janë plotësuese në sekuencë me një kodon specifik që mund të jetë i pranishëm në mARN. Për shembull, kodoni i parë që haset është kodoni fillestar i përbërë nga nukleotidet AUG. ARN-ja e saktë me antikodonin (sekuenca plotësuese 3 nukleotide UAC) lidhet me mARN duke përdorur ribozomin. Kjo tARN jep aminoacidin e saktë që korrespondon me kodonin mARN, në rastin e kodonit fillestar, ky është aminoacidi metioninë. Më pas, kodoni i radhës (në afërsi të kodonit fillestar) lidhet nga tARN-ja e duhur me antikodonin plotësues, duke i dhënë ribozomit aminoacidin tjetër. Ribozomi më pas përdor aktivitetin enzimatik të peptidil transferazës për të katalizuar formimin e lidhjes peptide kovalente midis dy aminoacideve ngjitur.

Ribozomi më pas lëviz përgjatë molekulës së mARN në kodonin e tretë. Ribozomi më pas lëshon molekulën e parë tARN, pasi vetëm dy molekula tARN mund të bashkohen nga një ribozom i vetëm në të njëjtën kohë. Përzgjidhet tARN-ja e radhës plotësuese me antikodonin e duhur, komplementar ndaj kodonit të tretë, duke i dhënë aminoacidin tjetër ribozomit, i cili është i lidhur në mënyrë kovalente me zinxhirin polipeptid në rritje. Ky proces vazhdon me lëvizjen e ribozomit përgjatë molekulës mARN duke shtuar deri në 15 aminoacide në sekondë në zinxhirin polipeptid. Pas ribozomit të parë, deri në 50 ribozome mund të lidhen me molekulën e mARN duke formuar një polisom, kjo mundëson sintezën e njëkohshme të shumë zinxhirëve polipeptidikë identikë. Ndërprerja e zinxhirit polipeptid në rritje ndodh kur ribozomi ndeshet me një kodon stop ​​(UAA, UAG ose UGA) në molekulën e mARN. Kur kjo ndodh, asnjë tARN nuk mund ta njohë atë dhe fakor nxit lirimin e zinxhirit të plotë polipeptid nga ribozomi. Dr. Har Gobind Khorana, një shkencëtar me origjinë nga India, deshifroi sekuencat e ARN-së për rreth 20 aminoacide. Ai u nderua me çmimin Nobel në vitin 1968, së bashku me dy shkencëtarë të tjerë, për punën e tij.

Shumë sëmundje shkaktohen nga mutacionet në gjene, për shkak të lidhjes së drejtpërdrejtë midis sekuencës nukleotide të ADN-së dhe sekuencës aminoacide të proteinës së koduar. Ndryshimet në strukturën primare të proteinës mund të rezultojnë në palosjen ose mosfunksionimin e proteinës. Mutacionet brenda një gjeni të vetëm janë identifikuar si shkaktar i sëmundjeve të shumta, duke përfshirë sëmundjen e qelizave drapër, të njohura si çrregullime të një gjeni.

Sëmundja e qelizave drapër

 

Një krahasim midis një individi të shëndetshëm dhe një të sëmuri nga anemia drapërocitare që ilustron forma të ndryshme të qelizave të kuqe të gjakut dhe rrjedhjen e ndryshme të gjakut brenda enëve të gjakut. Sëmundja e qelizave drapër është një grup sëmundjesh të shkaktuara nga një mutacion në një nënnjësi të hemoglobinës, një proteinë që gjendet në qelizat e kuqe të gjakut përgjegjëse për transportin e oksigjenit. Më e rrezikshmja nga sëmundjet drapërocitare njihet si anemia drapërocitare. Anemia drapëroqelizore është çrregullimi më i zakonshëm homozigot me një gjen recesiv, që do të thotë se i sëmuri duhet të ketë një mutacion në të dy kopjet e gjenit të prekur (njëra e trashëguar nga secili prind) për të vuajtur nga sëmundja. Hemoglobina ka një strukturë kuaternare komplekse dhe përbëhet nga katër nënnjësi polipeptide, dy nënnjësi A dhe dy nënnjësi B. Pacientët që vuajnë nga anemia drapërocitare kanë një mutacion të gabuar ose zëvendësues në gjenin që kodon zinxhirin polipeptid të nënnjësisë B të hemoglobinës. Një mutacion i gabuar do të thotë se mutacioni nukleotid ndryshon trefishin e përgjithshëm të kodonit në mënyrë që një aminoacid i ndryshëm çiftëzohet me kodonin e ri. Në rastin e anemisë drapërocitare, mutacioni më i zakonshëm i keqkuptimit është një mutacion i vetëm nukleotid nga timina në adeninë në gjenin e nënnjësisë së hemoglobinës B. Kjo ndryshon kodonin 6 nga kodimi i acidit aminoacid glutamik në valinë.

Ky ndryshim në strukturën parësore të zinxhirit polipeptid të nënnjësisë së hemoglobinës B ndryshon funksionalitetin e kompleksit me shumë nënnjësi të hemoglobinës në kushte të ulëta të oksigjenit. Kur qelizat e kuqe të gjakut shkarkojnë oksigjenin në indet e trupit, proteina e hemoglobinës së mutuar fillon të ngjitet së bashku për të formuar një strukturë gjysmë të ngurtë brenda qelizave të kuqe të gjakut. Kjo shtrembëron formën e qelizave të kuqe të gjakut, duke rezultuar në formën karakteristike drapër dhe redukton fleksibilitetin e qelizave. Kjo qelizë e kuqe e ngurtë dhe e shtrembëruar mund të grumbullohet në enët e gjakut duke krijuar një bllokim. Bllokimi parandalon rrjedhjen e gjakut në inde dhe mund të çojë në vdekjen e indeve që shkakton dhimbje të madhe tek individi.

Kanceri

 

Kanceri formohet si rezultat i mutacioneve të gjeneve si dhe përkthimit jo të duhur të proteinave. Përveç që qelizat kancerogjene shumohen në mënyrë jonormale, ato shtypin shprehjen e gjeneve ose proteinave antiapoptotike ose proapoptotike. Shumica e qelizave kancerogjene shohin një mutacion në proteinën sinjalizuese Ras, e cila funksionon si një transduktor sinjali i ndezjes/fikjes në qeliza. Në qelizat kancerogjene, proteina RAS bëhet vazhdimisht aktive, duke nxitur kështu përhapjen e qelizës për shkak të mungesës së ndonjë rregullimi. Për më tepër, shumica e qelizave të kancerit mbajnë dy kopje mutante të gjenit rregullator p53, i cili vepron si një roje për gjenet e dëmtuara dhe fillon apoptozën në qelizat malinje. Në mungesë të saj, qeliza nuk mund të fillojë apoptozën ose të sinjalizojë që qelizat e tjera ta shkatërrojnë atë.

Ndërsa qelizat e tumorit shumohen, ato ose mbeten të kufizuara në një zonë dhe quhen beninje ose bëhen qeliza malinje që migrojnë në zona të tjera të trupit. Shpesh këto qeliza malinje sekretojnë proteaza që thyejnë matricën jashtëqelizore të indeve. Kjo më pas lejon që kanceri të hyjë në fazën e tij terminale të quajtur 'Metastazë', në të cilën qelizat hyjnë në qarkullimin e gjakut ose në sistemin limfatik për të udhëtuar në një pjesë të re të trupit.