La Sintesi Proteica: come vengono trascritte le sequenze di DNA

Con la sintesi proteica l’informazione genetica contenuta nel mRNA (RNA messaggero) viene convertita in proteine che svolgono nella cellula un’ampia gamma di funzioni.

Cosa serve per la sintesi proteica?

  • RNA messaggero (mRNA): contiene l’informazione genetica, cioè le informazioni sulla sequenza di amminoacidi che deve avere una proteina.
  • RNA transfer (tRNA): trasportano gli amminoacidi per la sintesi proteica.
  • Ribosomi: strutture formate da RNA ribosomale e proteine che mettono in comunicazione mRNA e tRNA permettendo la formazione del legame peptidico tra gli amminoacidi di una proteina.

RNA messaggero e codice genetico

La sequenza di nucleotidi di un gene (DNA) viene trascritta, all’interno del nucleo, e si forma l’RNA messaggero. La sequenza di ribonucleotidi dell’mRNA viene letta e trasferita nella sequenza amminoacidica di una proteina seguendo delle regole imposte dal codice genetico, in cui ogni amminoacido viene specificato da 3 basi dette tripletta o codone.

L’mRNA è un polimero formato da 4 ribonucleotidi diversi (A, G, C, U) e quindi vi sono 43 = 64 possibili combinazioni di 3 ribonucleotidi.

Tuttavia gli amminoacidi che entrano a far parte delle proteine sono solo 20, quindi il codice genetico è ridondante: alcuni amminoacidi sono specificati da più di una tripletta. 3 codoni del codice genetico non specificano per nessun amminoacido e sono detti codoni di stop, perché indicano l’arresto della traduzione (sono UAA, UAG, UGA). Il codone AUG, che codifica per l’amminoacido metionina, è il codone di inizio.

Ricordiamo che nell’RNA al posto della timina abbiamo l’uracile, quindi il codone AUG sul DNA è ATG.

Codoni del codice genetico

 

Caratteristiche dell’RNA messaggero

Tutti gli RNA sono provvisti di un cappuccio in posizione 5’, che consiste in un residuo terminale di 7-metilguanosina legato tramite un legame 5′-5′-trifosfato al primo nucleotide del mRNA.

La sua presenza è importante per il riconoscimento dell’mRNA da parte del ribosoma. Solo quando il ribosoma riconosce il cappuccio si può legare al messaggero.

Siti del ribosoma

Il ribosoma possiede 3 siti per i tRNA:

  • Sito A: in cui arriva il tRNA carico legato ad uno specifico amminoacido (detto amminoacil-tRNA) da incorporare. Detto sito amminoacilico.
  • Sito P: in cui si trova il tRNA (peptidil-tRNA) legato alla catena polipeptidica in crescita. Detto sito peptidilico.
  • Sito E: sito di uscita del tRNA scarico, cioè non legato ad alcun amminoacido.

Fasi della sintesi proteica

Sia negli eucarioti che nei procarioti la sintesi proteica inizia con una metionina codificata dal codone AUG, che è il codone di inizio (nei procarioti viene usato anche GUG come codone di inizio).

La sintesi proteica avviene a livello dei ribosomi e si può suddividere in tre fasi:

  • Inizio: l’RNA messaggero si posiziona correttamente tra le due subunità del ribosoma.
  • Allungamento: i tRNA portano gli amminoacidi che si legano tramite legami peptidici.
  • Terminazione: arrivati al codone di stop termina la sintesi proteica e avviene il distacco e la dissociazione delle due subunità del ribosoma.

Inizio della sintesi proteica

In questa fase intervengono alcuni fattori proteici che permettono il corretto posizionamento del ribosoma sul messaggero. Negli eucarioti le proteine eIF1, eIF1A, eIF3 si legano alla subunità piccola del ribosoma, mentre eIF2 si lega al tRNA iniziatore che trasporta la metionina (che è il primo amminoacido) posizionandolo correttamente nel sito P parziale della subunità piccola del ribosoma.

La subunità piccola del ribosoma eucariotico (40S), associata al tRNA iniziatore, scorre sul filamento di RNA finché non riconosce il codone di inizio AUG. Raggiunto AUG tutti i fattori proteici vengono rilasciati e la subunità grande si unisce alla subunità piccola del ribosoma formando il complesso 80S.

sintesi proteica

Allungamento delle proteine

Con la fase di inizio le due subunità del ribosoma si sono associate formando il complesso 80S dove, nel sito P, è presente il tRNA iniziatore legato alla metionina. Durante la fase di allungamento la catena polipeptidica viene sintetizzata grazie all’aggiunta di amminoacidi specificati dalle triplette dell’RNA messaggero.

All’inizio dell’allungamento il codone di inizio AUG si trova nel sito P del ribosoma mentre il secondo codone si trova a livello del sto A. Uno specifico amminoacil-tRNA (tRNA legato con l’amminoacido) riconosce il secondo codone e si posiziona nel sito A del ribosoma. Siamo nella situazione in cui nel sito P è presente il tRNA iniziatore (legato alla metionina) mentre nel sito A è presente un amminoacil-tRNA legato con il secondo amminoacido.

A questo punto avviene la reazione catalizzata dalla peptidil transferasi che catalizza la formazione del legame peptidico tra il gruppo amminico dell’amminoacido presente nel sito A e il gruppo carbossilico della metionina presente nel sito P. Nel sito A avremo quindi un dipeptidil-tRNA mentre nel sito P rimane il tRNA iniziatore scarico. Avviene la traslocazione di 3 basi sull’mRNA e il tRNA iniziatore scarico si sposta da P a E, mentre il dipeptidil-tRNA si sposta dal sito A al sito P, lasciando il sito A libero per un nuovo amminoacil-tRNA.

sintesi proteica

Ora un nuovo amminoacil-tRNA entra nel sito A e la peptidil transferasi catalizza la formazione del legame peptidico tra l’amminoacido situato nel sito A e il dipeptide presente nel sito P. Dopo che il legame peptidico si è formato avremo nel sito A un tripeptidil-tRNA, mentre nel sito P un nuovo tRNA scarico. Avviene nuovamente la traslocazione di 3 paia di basi e il tRNA iniziatore situato nel sito E viene “espulso”, il tRNA scarico dal sito P passa al sito E e il tripeptidil-tRNA passa dal sito A al sito P lasciando nuovamente libero il sito A per l’ingresso di un nuovo amminoacil-tRNA.

sintesi proteica

Questo processo continua finché non si arriva ad uno dei 3 codoni di stop.

La peptidil transferasi catalizza la formazione del legame peptidico e non è un enzima ma è un ribozima, cioè un RNA ribosomale con attività catalitica localizzato a livello della subunità maggiore del ribosoma.

Terminazione della sintesi proteica

L’ultima fase della sintesi proteica è la terminazione e si verifica quando nel sito A del ribosoma giunge uno dei 3 codoni di stop. A livello dei codoni di stop nessun amminoacil-tRNA può entrare nel sito A e quindi specifici fattori proteici di rilascio si legano al ribosoma provocandone il distacco. La proteina neosintetizzata viene liberata.

Destino delle proteine sintetizzate

Esistono due vie principali di smistamento delle proteine:

  • La via co-traduzionale o secretoria
  • La via post-traduzionale o citoplasmatica

Cosa sono le proteine?

Le proteine sono delle macromolecole costituite da una catena di amminoacidi (chiamata anche catena peptidica per via del tipico legame che unisce gli amminoacidi). Negli organismi viventi, le proteine svolgono diverse funzioni di fondamentale importanza ed è per questo che la sintesi proteica è un processo indispensabile. Tra le funzioni più importanti delle proteine negli esseri viventi troviamo le seguenti:

  • Trasporto di molecole da un luogo all’altro;
  • Catalisi delle reazioni metaboliche;
  • Sintesi (replicazione del DNA);
  • Risposta agli stimoli.

Le proteine sono diverse le une dalle altre in base alla sequenza di amminoacidi che le compone, la quale è determinata fondamentalmente dai geni e dal DNA.

La formazione di copie duplicate di geni e l’alterazione della funzione di una proteina nel corso dell’evoluzione hanno portato alla formazione delle circa 500 famiglie proteiche identificate. All’interno di una famiglia, sebbene ciascuna proteina svolga una funzione leggermente diversa dall’altra, la sequenza di amminoacidi, in particolare presso i siti catalitici e in regioni conservate, è quasi identica. Non è tuttavia una legge che vale per tutte le proteine di una famiglia; esistono infatti alcune proteine dalla sequenza amminoacidica molto diversa e, tuttavia, dalla conformazione tridimensionale molto simile.

proteine

Si può quindi affermare che nel corso dell’evoluzione all’interno di una famiglia proteica si è conservata più la conformazione tridimensionale che non la sequenza degli amminoacidi. Generalmente, quando almeno un quarto della sequenza amminoacidica di due proteine corrisponde, esse hanno la stessa struttura generale. Due proteine diverse appartenenti a una stessa famiglia e dalla funzione simile sono dette “paraloghe”, mentre la stessa proteina in due organismi diversi (per esempio uomo e topo) è detta “ortologa”. La parentela tra due proteine è generalmente accettata quando almeno il 30% degli amminoacidi corrisponde, ma per verificarla è possibile ricorrere ai cosiddetti fingerprint, cioè brevi sequenze di amminoacidi comuni in quasi tutte le proteine di una data famiglia.

In sintesi

La trascrizione del messaggio dal DNA all’RNA (acido ribonucleico che si trova sia nel nucleo, sia nel citoplasma, sia nei ribosomi di ogni cellula, formato da: un gruppo fosfato, una molecola di zucchero pentoso, il ribosio, e 4 basi azotate) avviene nel nucleo. Il gene (tratto che codifica una proteina o particella dei cromosomi portatrice dei caratteri ereditari)che deve essere trascritto è preceduto da una sequenza specifica di DNA detta promotore, che funziona come una specie di interruttore: infatti la trascrizione del gene ha inizio solamente se un enzima (DNA-polimerasi) si lega al promotore.

  1. I due filamenti di DNA, grazie al DNA-polimerasi, si srotolano e si separano in un tratto di molecola che è il messaggio da copiare e che ha un sito iniziale e uno finale.
  2. I quattro tipi di ribonucletoidi trifosfato dell’RNA liberi (ATP o adenosintrifosfato, GTP o guanidintrifofato, UTP o uridintrifosfato, CTP o citosintrifosfato) si diffondono tra i due filamenti di DNA, e si appaiano con le rispettive basi azotate complementari di uno solo dei filamenti del DNA, copiandolo. Si noti che nell’RNA la base azotata U (uracile), che sostituisce la base azotata T (timina) del DNA, si appaia alla base A (adenina) come nel DNA fa la base T (timina).
  3. Una volta che i nucletoidi sono al loro posto, l’enzima RNA-polimerasi li collega assieme, formando l’ossatura di subunità alternate di gruppi fosfato e ribosio (RNA messaggero). Il risultato finale sono un nuovo filamento di RNA, che si separa, e il DNA originario, che resta intatto.
  4. A questo punto l’enzima RNA-polimerasi si stacca dall’RNA messaggero (mRNA), mentre l’enzima DNA-polimerasi fa richiudere e riavvolgere il filamento di DNA che ha funzionato da stampo.
  5. Nelle cellule eucarioti, prima della traduzione,  l’mRNA ottenuto va incontro ad alcune modificazioni molecolari di maturazione, mentre nei procarioti passa direttamente nel citoplasma.

La trascrizione in RNA di due geni porta alla formazione di molte molecole di RNA da ciascuno dei tratti di DNA, che funge da stampo. Per ogni gene, il filamento trascritto è sempre lo stesso.

La traduzione delle triplette dell’RNA messaggero in sequenze di amminoacidi avviene nei ribosomi, elementi cellulari costituiti di molecole proteiche associate a molecole di acido ribonucleico (RNA).

  1. L’RNA messaggero maturo passa dal nucleo cellulare, dove è stato sintetizzato, al citoplasma.
  2. Qui si lega ai ribosomi, liberi nel citoplasma, che hanno una tipica struttura scanalata che permette loro di accogliere contemporaneamente sia l’RNA messaggero, sia la nascente proteina.
  3. La catena di amminoacidi in formazione può leggere tre basi azotate alla volta e per ognuna richiama l’amminoacido corrispondente che si trova nel citoplasma.
  4. Il trasporto verso i ribosomi dei vari amminoacidi (composti organici contenenti tre basi azotate variamen-te distribuite nei 20 amminoacidi), che legandosi tra loro formeranno la proteina, avviene grazie a un altro tipo di RNA, detto RNA transfer (tRNA) che è la più piccola molecola di RNA presente nelle cellule e contiene circa 80 nucleotidi.
  5. La molecola di RNA transfer, con il proprio anticodone, si lega al codone dell’RNA messaggero, ad essa complementare. L’RNA transfer fa quindi  da interprete tra l’aminoacido e la tripletta dell’RNA messaggero. Infatti gli amminoacidi da soli non possiedono la struttura chimica capace di riconoscere e tradurre le triplette dell’RNA messaggero.
  6. A questo punto, creato l’amminoacido, l’RNA transfer si stacca dall’RNA messaggero e torna nel citoplasma a cercare un altro amminoacido.
  7. Contemporaneamente l’RNA messaggero slitta di una posizione sul ribosoma, consentendo la traduzione di un altro codone.

Il meccanismo procede fino a quando tutti gli aminoacidi che formeranno la proteina sono stati sintetizzati. A questo punto vengono legati tra di loro rispettando il legame peptidico.

Biochimica

La maggior parte delle proteine sono costituite da polimeri lineari costruiti dalla serie di 20 diversi L-α-aminoacidi. Tutti gli aminoacidi proteinogenici possiedono caratteristiche strutturali comuni, tra cui un carbonio α con un gruppo amminico, un gruppo carbossilico e una catena laterale variabile. Solo la prolina differisce da questa struttura di base in quanto contiene un anello insolito al gruppo amminico. Le catene laterali degli amminoacidi standard, dettagliate nella lista degli amminoacidi standard, hanno una grande varietà di strutture e proprietà chimiche; è l’effetto combinato di tutte le catene laterali di aminoacidi in una proteina che determina infine la sua struttura tridimensionale e la sua reattività chimica. Gli amminoacidi di una catena polipeptidica sono legati da legami peptidici. Una volta collegata nella catena proteica, un aminoacido individuo è chiamato un residuo e la serie collegata di carbonio, azoto e atomi di ossigeno sono noti come “catena principale” o “proteine backbone“.

biochimica

Il legame peptidico ha due forme di risonanza che contribuiscono al doppio legame e inibiscono la rotazione attorno al suo asse, in modo che i carbonio α siano approssimativamente complanari. Gli altri due angoli diedri nel legame peptidico determinano la forma locale assunta dalla “proteina backboneLa fine della proteina con un gruppo carbossilico libero è nota come dominio C-terminale, mentre l’estremità con un gruppo libero amminico è noto come la dominio N-terminale. I termini proteina, polipeptide e peptide sono un po’ ambigui e possono sovrapporsi in alcuni significati. Il termine “proteina” è generalmente usato per riferirsi alla molecola biologica completa in una conformazione stabile, mentre il “peptide” è generalmente riconosciuto per essere un breve oligomero di aminoacidi spesso mancante una struttura tridimensionale stabile. Tuttavia, il confine tra i due composti non è ben definito e di solito il numero di residui che li differenzia è vicino ai 20-30. Con “polipeptide” ci si può riferire a qualsiasi singola catena lineare di amminoacidi, di solito indipendentemente dalla lunghezza, ma spesso il termine implica l’assenza di una conformazione definita.

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