utilizarea Codon și organizarea citoplasma celulei
deoarece codul genetic este redundant, secvențe de codare prezintă modele foarte variabile de utilizare codon. Dacă nu există părtinire, toți codonii pentru un aminoacid dat ar trebui utilizați mai mult sau mai puțin în mod egal. Genele lui B. subtilis au fost împărțite în trei clase pe baza prejudecății lor de utilizare a codonilor. O clasă cuprinde cea mai mare parte a proteinelor, alta este formată din gene care sunt exprimate la un nivel ridicat în timpul creșterii exponențiale, iar o a treia clasă, cu codoni bogați în A+T, corespunde porțiunilor genomului care au fost schimbate orizontal. Care este sursa acestor prejudecăți? Mutațiile aleatorii ar fi de așteptat să fi atenuat orice diferențe, dar acest lucru nu este cazul. Există, de asemenea, efecte sistematice ale contextului, unele secvențe de ADN fiind favorizate sau selectate împotriva.
citoplasma unei celule nu este o eprubetă minusculă. Una dintre cele mai nedumerite caracteristici ale organizării citoplasmei este că aceasta găzduiește prezența unei molecule foarte lungi asemănătoare firului, ADN, care este transcrisă pentru a genera o multitudine de fire de ARN care de obicei sunt la fel de lungi ca lungimea întregii celule. Dacă moleculele de ARNm ar fi lăsate libere în citoplasmă, ar apărea tot felul de structuri înnodate. Prin urmare, trebuie să existe unele principii organizaționale care împiedică moleculele de ARNm și ADN-ul să se încurce. Mai multe modele, susținute de experimente, postulează un aranjament în care regiunile transcrise sunt prezente la suprafața unui cromoid, în așa fel încât ARN polimeraza nu trebuie să circumscrie dubla helix în timpul transcrierii. Compartimentarea este importantă chiar și pentru moleculele mici, în ciuda faptului că acestea pot difuza rapid. Într-o celulă B. subtilis care crește exponențial în mediu bogat, ribozomii ocupă mai mult de 15% din volumul celulei. Citoplasma este, prin urmare, o rețea ribozomală, în care ratele locale de difuzie ale moleculelor mici, precum și macromoleculele, sunt relativ lente. De-a lungul acelorași linii, concentrația proteică calculată a celulei este ca. 100-200 mg ml-1, o concentrație foarte mare.
mașina de translație necesită un grup adecvat de factori de alungire, aminoacil-Arnt sintetaze și Arnt. Numărând numărul de molecule de Arnt adiacente unui ribozom dat, se conceptualizează un număr mic, finit de molecule. În consecință, un ribozom Translator este un atractor care acționează asupra unui grup limitat de molecule de Arnt. Această situație oferă o formă de presiune selectivă, al cărei rezultat ar fi adaptarea prejudecății de utilizare a codonului mesajului tradus în funcție de poziția sa în citoplasmă. Dacă tendința de utilizare a codonilor s-ar schimba de la ARNm la ARNm, aceste molecule diferite nu ar vedea aceiași ribozomi în timpul ciclului de viață. În special, dacă două gene ar avea modele de utilizare a codonilor foarte diferite, acest lucru ar prezice că ARNm-urile corespunzătoare nu se formează în același sector al citoplasmei.
când firele de ARNm ies din ADN, ele devin angajate de rețeaua ribozomilor și se rotesc de la un ribozom la altul, ca un fir într-o mașină de desenat sârmă (rețineți că acest lucru este exact opus vizualizării traducerii prezentate în manuale, unde ribozomii ar trebui să călătorească de-a lungul moleculelor fixe de ARNm). În acest proces, proteinele născute sunt sintetizate pe fiecare ribozom și se răspândesc în citoplasmă prin difuzia liniară a moleculei ARNm de la un ribozom la altul. Cu toate acestea, atunci când ARNm se decuplează de ADN, complexul de transcripție trebuie uneori să se descompună. ARNm rupt este probabil să fie o moleculă periculoasă, deoarece, dacă este tradusă, ar produce o proteină trunchiată. Astfel de fragmente de proteine sunt adesea toxice, deoarece pot perturba arhitectura complexelor multisubunitare (acest lucru explică de ce mulți mutanți nonsens sunt dominanți negativi, mai degrabă decât recesivi). Există un proces care face față acestui tip de accident în B. subtilis. Când o moleculă de ARNm terminată prematur ajunge la capăt, ribozomul se oprește din traducere, nu se disociază și așteaptă. Un ARN specializat, tmRNA, care este pliat și prelucrat la capătul său de 3′ ca un Arnt și încărcat cu alanină, intră, introduce alanina sa la capătul C al polipeptidei în curs de formare, apoi înlocuiește ARNm într-un ribozom, unde este tradus ca ASFNQNVALAA. Această coadă este o etichetă proteică care este apoi utilizată pentru a o direcționa către un complex proteolitic (ClpA, ClpX), unde este degradată.
organizarea rețelei ribozomale, cuplată la organizarea suprafeței de transcriere a cromoidului, asigură că moleculele de ARNm sunt traduse paralel între ele, astfel încât să nu facă noduri. Operonii policistronici se asigură că proteinele cu funcții conexe sunt coexprimate local, permițând canalizarea intermediarilor de cale corespunzători. În acest fel, structura moleculelor de ARNm este cuplată cu soarta lor în celulă și cu funcția lor în compartimentare. Genele traduse secvențial în operoni sunt conectate fiziologic și structural. Acest lucru este valabil și pentru ARNm care sunt traduse paralel între ele, sugerând că mai multe ARN polimeraze sunt angajate simultan în procesul de transcriere, înjugate ca animale de tracțiune. Într-adevăr, dacă există o corelație a funcției și/sau a localizării într-o singură dimensiune, există o constrângere similară în direcțiile ortogonale. Deoarece ribozomii atrag moleculele de Arnt, ele produc o cuplare locală între aceste molecule și codonii care se traduc. Acest lucru prezice că un ribozom dat ar traduce preferențial ARNm având modele similare de utilizare a codonului. În consecință, pe măsură ce se îndepărtează de un ribozom puternic părtinitor, ar exista din ce în ce mai puțină disponibilitate a celor mai părtinitoare Arnt. Acest lucru creează o presiune de selecție pentru un gradient de utilizare a codonului, pe măsură ce se îndepărtează de cele mai părtinitoare mesaje și ribozomi, transcrieri cuibăritoare în jurul miezului central, formate din transcrieri pentru gene extrem de părtinitoare. În cele din urmă, sinteza ribozomilor creează o forță respingătoare care împinge firele ADN departe una de cealaltă, în special din regiunile apropiate de originea replicării. Împreună, aceste procese au ca rezultat un gradient genetic de-a lungul cromozomului, care este un element important al arhitecturii celulei.