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CAPITOLO 5SINTESI PROTEICA

E CODICE GENETICO

LIGUORI EDITORE

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© 2008 by Liguori Editore, S.r.l.Tutti i diritti sono riservatiPrima edizione italiana Settembre 2008

Barcaccia, Gianni :Genetica e genomica. Vol. I. Genetica generale/Gianni Barcaccia, Mario FalcinelliNapoli : Liguori, 2008 ISBN-13 978 - 88 – 207 – 4449 - 6

1. DNA ed ereditarietà 2. Mappe genetiche I. Titolo

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5.2 DOGMA CENTRALE DELLA GENETICA MOLECOLARE

Figura 5.1Dogma centrale della genetica molecolare.

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5.2 DOGMA CENTRALE DELLA GENETICA MOLECOLARE

Figura 5.2Compartimenti della cellulavegetale interessati alla trascrizione e alla sintesi proteica.

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Figura 5.3aMeccanismo di allungamentodel filamento di RNAdurante il processodi trascrizione(da: P.J.Russell 1998, modificata).

5.3 TRASCRIZIONE DELL’RNA

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Figura 5.3bEsempio di sequenza nucleotidica di DNA e di quella dell’RNA risultante dalla sua trascrizione.

5.3 TRASCRIZIONE DELL’RNA

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Figura 5.4Bolla di trascrizione (A) e fasi della trascrizione (B) (da: R.J. Brooker 1999, modificata).

5.3 TRASCRIZIONE DELL’RNA

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Tabella 5.1Tipi di RNA ribosomale di procarioti ed eucarioti, con informazioni riguardanti la lunghezza approssimativa in nucleotidi e la subunità ribosomica di localizzazione.

5.3 TRASCRIZIONE DELL’RNATIPI DI ACIDI RIBONUCLEICI E DI RNA POLIMERASI

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Figura 5.5Struttura dei ribosomi procariotici ed eucariotici.

5.3 TRASCRIZIONE DELL’RNATIPI DI ACIDI RIBONUCLEICI E DI RNA POLIMERASI

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Figura 5.6aStruttura dellamolecola di un RNA di trasferimento (tRNA)(da: R.J. Brooker 1999, modificata).

5.3 TRASCRIZIONE DELL’RNATIPI DI ACIDI RIBONUCLEICI E DI RNA POLIMERASI

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Figura 5.6bRappresentazione del tRNA per la fenilalanina (tRNAPhe) di frumento (da: R.J. Brooker 1999, modificata).

5.3 TRASCRIZIONE DELL’RNATIPI DI ACIDI RIBONUCLEICI E DI RNA POLIMERASI

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Figura 5.7Azione dell’enzima aminoacil-tRNA sintetasi.

5.3 TRASCRIZIONE DELL’RNATIPI DI ACIDI RIBONUCLEICI E DI RNA POLIMERASI

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Figura 5.8Rappresentazioni schematichedell’organizzazione discontinua dei geni eucariotici: ovoalbumina di pollo (A) e emoglobina di topo (B) aventi, rispettivamente, sette introni ed un introne.

5.3 TRASCRIZIONE DELL’RNATIPI DI ACIDI RIBONUCLEICI E DI RNA POLIMERASI

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Figura 5.9Azione della RNA polimerasinella trascrizione di un gene.

5.3 TRASCRIZIONE DELL’RNA

TIPI DI ACIDI RIBONUCLEICI E DI RNA POLIMERASI

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Tabella 5.2Proprietà delle RNA polimerasi degli eucarioti.

5.3 TRASCRIZIONE DELL’RNATIPI DI ACIDI RIBONUCLEICI E DI RNA POLIMERASI

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Figura 5.10Organizzazionedi un geneeucariotico:unità ditrascrizione.

5.3 TRASCRIZIONE DELL’RNA

CONCETTO DI GENE COME UNITÀ DI TRASCRIZIONE E MECCANISMO DI TRASCRIZIONE

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Figura 5.11Struttura tipica di un promotorericonosciuto dalla RNA polimerasi II (A); esempi di organizzazione di alcuni promotori eucariotici contenentigli elementi TATA, CAAT e GC (B).

5.3 TRASCRIZIONE DELL’RNA

CONCETTO DI GENE COME UNITÀ DI TRASCRIZIONE E MECCANISMO DI TRASCRIZIONE

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Figura 5.12Fasi di formazione del complessoproteico comprendente i fattoridi trascrizione necessari per l’azionedella RNA polimerasi (da: D.P. Snustade M.J. Simmons 1997, modificata).

5.3 TRASCRIZIONE DELL’RNA

CONCETTO DI GENE COME UNITÀ DI TRASCRIZIONE E MECCANISMO DI TRASCRIZIONE

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Figura 5.13Modificazioni principali che subiscono i precursori dei trascritti genici degli eucarioti: aggiunta del cappuccio di 7-metil guanosina in 5’, rimozione degli introni (splicing) nella regione codificante e poliadenilazione in 3’.

CONCETTO DI GENE COME UNITÀ DI TRASCRIZIONE E MECCANISMO DI TRASCRIZIONE

5.3 TRASCRIZIONE DELL’RNA

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Figura 5.14a,bSequenze consenso per lo splicing del pre-mRNA negli eucarioti superiori (A);meccanismo di rimozionedegli introni dal pre-mRNA (B).

MECCANISMO DI SPLICING

5.3 TRASCRIZIONE DELL’RNA

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Figura 5.14cRappresentazioneschematica di uno spliceosoma: ogni ribonucleoproteina(U1, U2, U3, U4, U5 e U6) è costituita da snRNA e proteine specifiche.

MECCANISMO DI SPLICING

5.3 TRASCRIZIONE DELL’RNA

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Figura 5.15Schema del processo di auto-splicing.

MECCANISMO DI SPLICING

5.3 TRASCRIZIONE DELL’RNA

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Figura 5.16Molecola di mRNA maturo.

MECCANISMO DI SPLICING

5.3 TRASCRIZIONE DELL’RNA

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Figura 5.17Struttura dei 20 amminoacidi.

MECCANISMO DI SPLICING

QUADRO 5.1 – AMMINOACIDI

5.3 TRASCRIZIONE DELL’RNA

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Figura 5.18Ipotesi di Gamow sulla esistenza di un codice genetico a tre lettere (triplette).

5.4 CODICE GENETICO

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5.4 CODICE GENETICO

Figura 5.19Reazione catalizzata dallapolinucleotide fosforilasi (A); esperimento di Nirenberg e Matthaei: relazione esistente tra nucleotidi e amminoacidi (B).

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Figura 5.20Effetto delle mutazionisingole (A), doppie (B)e triple (C) sul codice di lettura a triplette.

5.4 CODICE GENETICO

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Figura 5.21Sintesi proteica in vitrocon sistemi acellulari attivati usando RNA artificiali in presenza di amminoacidi (A). Corrispondenza tra triplette e singoli amminoacidi: esempio di calcolo (B).

5.4 CODICE GENETICO

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Figura 5.22Corrispondenza fra triplette e amminoacidi: saggio di legame ai ribosomi.

5.4 CODICE GENETICO

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Figura 5.23Codice genetico: ogni codoneè specificato dalle lettererisultanti dalla combinazionedi quelle presenti sul 1°, 2° e 3°asse ed è scritto così come appare nell’mRNA in direzione 5’-3’.

5.4 CODICE GENETICO

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Figura 5.24ORF di 648nucleotidi del genedi erba medicacodificante per laproteina Mob di 215amminoacidi.

5.4 CODICE GENETICO

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Tabella 5.3Vacillamento dell’anticodone:possibili combinazioni di appaiamento.

5.4 CODICE GENETICO

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Figura 5.25Esempi di appaiamento per vacillamento: due diversi codoni per la leucina (A) possono essere riconosciuti da identici tRNA così come tre diversi codoni per la glicina (B).

5.4 CODICE GENETICO

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Figura 5.26Codice genetico: conseguenza di mutazioni puntiformi sul tipo di amminoacido specifico dal codone.

5.4 CODICE GENETICO

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Figura 5.27Relazione tracodogeni, codonie anticodoni.

5.4 CODICE GENETICO

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Figura 5.28Rappresentazione schematica della sintesi proteica (da: R.J. Brooker 2000, modificata).

5.5 SINTESI PROTEICA

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Tabella 5.4Elenco dei fattori proteici di inizio, allungamento e rilascio della catena polipeptidica di procarioti ed eucarioti.

5.5 SINTESI PROTEICA

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Figura 5.29Legame peptidico e proprietàdi una catena polipeptidica.

5.5 SINTESI PROTEICA

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Figura 5.30Poliribosoma (da P.J. Russell 1988, modificata).

5.5 SINTESI PROTEICA

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Figura 5.31Struttura delle proteine (da R.J. Brooker 1999, modificata).

5.6 ORGANIZZAZIONE E SMISTAMENTO DELLE PROTEINE

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Figura 5.32Smistamento delle proteine nella cellula (da: R.J. Brooker 1999, modificata).

5.6 ORGANIZZAZIONE E SMISTAMENTO DELLE PROTEINE

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Figura 5.33aComponenti dell’operone.

5.7 REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA E AVVICENDAMENTO PROTEICOREGOLAZIONE GENICA NEI PROCARIOTI

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Figura 5.33bSiti di legamedi una proteinaregolatrice di geni.

REGOLAZIONE GENICA NEI PROCARIOTI

5.7 REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA E AVVICENDAMENTO PROTEICO

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Figura 5.34Formazione di complessi di attivazione o di repressione della trascrizione: (A) repressore-induttore (inattivo); (B) repressore-corepressore (attivo);(C) attivatore-induttore (attivo); (D) attivatore-corepressore (inattivo).

REGOLAZIONE GENICA NEI PROCARIOTI

5.7 REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA E AVVICENDAMENTO PROTEICO

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Figura 5.35Sistema inducibile a controllo negativo (A). Sistema inducibile a controllo positivo (B).

REGOLAZIONE GENICA NEI PROCARIOTI

5.7 REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA E AVVICENDAMENTO PROTEICO

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Figura 5.36Sistema reprimibile a controllo negativo (A). Sistema reprimibile a controllo positivo (B).

REGOLAZIONE GENICA NEI PROCARIOTI

5.7 REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA E AVVICENDAMENTO PROTEICO

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Figura 5.37Operone lac di E. coli.

REGOLAZIONE GENICA NEI PROCARIOTI

5.7 REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA E AVVICENDAMENTO PROTEICO

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Figura 5.38Operone trp di E. coli.

REGOLAZIONE GENICA NEI PROCARIOTI

5.7 REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA E AVVICENDAMENTO PROTEICO

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Figura 5.39Reazione di metilazione per azione della DNA metilasi.

REGOLAZIONE GENICA NEGLI EUCARIOTI

5.7 REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA E AVVICENDAMENTO PROTEICO

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Figura 5.40aMappa delle modificazioni degli istoni (histone code)(da: J. Clayton e C. Dennis 2003, modificata).

QUADRO 5.2 – ACETILAZIONE DELLE PROTEINE ISTONICHE DEL DNA

REGOLAZIONE GENICA NEGLI EUCARIOTI

5.7 REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA E AVVICENDAMENTO PROTEICO

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Figura 5.40bMeccanismo di formazione di stati della cromatinaattivi e inattivi in termini trascrizionali (da: J. Clayton e C. Dennis 2003, modificata).

QUADRO 5.2 – ACETILAZIONE DELLE PROTEINE ISTONICHE DEL DNA

REGOLAZIONE GENICA NEGLI EUCARIOTI

5.7 REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA E AVVICENDAMENTO PROTEICO

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Figura 5.41Livelli di controllo dell’espressionegenica negli eucarioti.

REGOLAZIONE GENICA NEGLI EUCARIOTI

5.7 REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA E AVVICENDAMENTO PROTEICO

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Figura 5.42Fattori di regolazionedella trascrizione:fattori di attivazione (A)e di repressione (B)(da: R.J. Brooker1999, modificata).

REGOLAZIONE GENICA NEGLI EUCARIOTI

5.7 REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA E AVVICENDAMENTO PROTEICO

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Figura 5.43Esempi di proteine di legame al DNA regolatrici della espressione genica: interazione proteina-proteina (A)e modificazione post-traduzionale, come ad esempio, fosforilazione (B);azione di una molecola effettrice, come ad esempio un ormone (C) (da R.J. Brooker, 1999, modificata).

REGOLAZIONE GENICA NEGLI EUCARIOTI

5.7 REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA E AVVICENDAMENTO PROTEICO

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Figura 5.44Ormoni delle piante.

REGOLAZIONE GENICA NEGLI EUCARIOTI

5.7 REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA E AVVICENDAMENTO PROTEICO

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Figura 5.45Elementi di controllo ARE.

REGOLAZIONE GENICA NEGLI EUCARIOTI

5.7 REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA E AVVICENDAMENTO PROTEICO

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Figura 5.46Mutanti omeotici di Drosophila (A) e di Arabidopsis (B).

REGOLAZIONE GENICA NEGLI EUCARIOTI

5.7 REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA E AVVICENDAMENTO PROTEICO

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Figura 5.47Schema sinottico di classificazione della famiglia degli RNA.

5.7 REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA E

AVVICENDAMENTO PROTEICOREGOLAZIONE GENICA NEGLI EUCARIOTIQUADRO 5.3 – IL GRANDE MONDO DEI PICCOLI RNA

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Figura 5.48È sempre più evidente che le due classi di small RNA coinvolte nel silenziamento genico, i micro RNA (miRNA) e gli short interfering RNA (siRNA), vengono prodotte da uno stesso meccaniscmo molecolare. Il processamento del precursore a forcina del miRNA o dei lunghi RNA a doppio filamento (dsRNA) richiede l’enzima Dicer e produce un RNA a singolo filamento di 21-23 nucleotidi. Questo piccolo RNA si lega all’ RNA-induced silencing complex (RISC) e si dirige verso l’mRNA bersaglio. A questo punto il meccanismosi diversifica. Il miRNA si lega all’mRNA bersaglio ma le piccole differenze tra i due filamenti fanno sì che questi formino una protuberanza impedendo all’mRNA di essere tradotto in proteina. Gli siRNA, invece, si appaiano in modo perfetto con l’mRNA bersaglio e lo marcano per la degradazione.

5.7 REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA E

AVVICENDAMENTO PROTEICOREGOLAZIONE GENICA NEGLI EUCARIOTIQUADRO 5.3 – IL GRANDE MONDO DEI PICCOLI RNA