Compattamento del DNA nel cromosoma

DOGMA CENTRALE DELLA BIOLOGIA

l'informazione genetica, contenuta nel nucleo nella molecola di DNA, si trasferisce al citoplasma. I geni del DNA vengono, nel nucleo, trascritti in una molecola di RNA messaggero, che, passando attraverso i pori della membrana nucleare, va nel citoplasma dove, a livello dei ribosomi, viene operata, tramite il codice genetico, la traduzione dal linguaggio dei nucleotidi a quello degli aminoacidi.

Il processo comincia nel nucleo (negli eucarioti) e termina nel citoplasma o nel

reticolo endoplasmatico ruvido

Dove avviene

ADENINACITOSINAGUANINATIMINA

A-T 2 legami H C-G 3 legami H

Legame fosfodiesterico

Il DNA è il depositario dell’informazione genetica.

• L’informazione genetica controlla la sequenza degli aminoacidi nelle proteine ma il DNA non è lo stampo diretto per questa sintesi

• Esistono altre molecole attraverso le quali l’informazione genetica presente nel DNA è copiata e trasferita nel citoplasma (mRNA).

• Una sequenza di DNA è definita senso se la sua sequenza è la stessa del relativo mRNA. La sequenza posta sul filamento opposto è invece detta antisenso. Dal momento che le RNA polimerasi lavorano producendo una copia complementare, il filamento necessario per la trascrizione è l'antisenso.

• Altre molecole di RNA accessorie sono poi indispensabili per il processo di sintesi proteica (tRNA e rRNA).

TRASCRIZIONE

La trascrizione è il processo mediante il quale le informazioni contenute nel DNA vengono trascritte enzimaticamente in una molecola complementare di RNA.

La trascrizione avviene grazie a particolari enzimi detti genericamente RNA polimerasi. Tali enzimi utilizzano nucleotidi trifosfati (ovvero nucleotidi con tre gruppi fosfato) per formare l'RNA. Durante il processo, dai nucleosidi trifosfati vengono rimossi due gruppi fosfato per formare un legame covalente tra un nucleotide e quello successivo. La RNA polimerasi si lega al DNA solo presso particolari sequenze, dette promotori, che non sono trascritte. Dal promotore iniziano a inserirsi i nucleosidi trifosfato per formare una sequenza di nucleotidi.

La trascrizione genera tre classi principali trascritti:

RNA messaggero (mRNA) RNA transfer (tRNA) RNA ribosomiale (rRNA)

Soltanto le molecole di mRNA vengono tradotte in proteine.

La trascrizione è un processo che presenta caratteristiche simili in procarioti ed eucarioti: il DNA si denatura e la RNA polimerasi catalizza la sintesi di una molecola di RNA in direzione 5’ - 3’. Soltanto una delle due eliche di DNA viene trascritta nella molecola di RNA a singola elica. Sequenze promotrici e terminatrici stabiliscono rispettivamente dove debba cominciare e finire la trascrizione.

In Escherichia coli la sola RNA polimerasi trascrive tutte le diverse classi di RNA della cellula e cioè l’mRNA, il tRNA e l’rRNA.

Nei nuclei delle cellule eucariotiche esistono tre RNA polimerasi con funzioni diverse: la RNA polimerasi I trascrive tre dei quattro rRNAla RNA polimerasi II trascrive gli mRNA e alcuni snRNA la RNA polimerasi III trascrive il quarto rRNA, i tRNA e i rimanenti snRNA.

L’inizio della trascrizione da parte di questi enzimi è mediata da fattori trascrizionali che sono specifici per ciascuna polimerasi e che riconoscono sequenze promotrici appropriate.

La RNA polimerasi non ha soltanto il compito di allungare la catena di RNA ma assolve differenti funzioni. Le principali sono:

•Localizzare il promotore.•Svolgere la doppia elica “a valle”.•Riconoscere una base dalla catena stampo ed aggiungere una base alla catena di RNA.•Richiudere il doppio filamento “a monte”•Riconoscere il terminatore per distaccarsi dalla catena di DNA.

Esistono delle differenze sia strutturali che funzionali tra le RNA polimerasi batteriche ed eucariotiche.

La polimerasi batterica è un enzima costituito da cinque subunità che vengono indicate con le lettere greche alpha (α), beta (β) e sigma (σ). l fattore sigma è “riciclabile” nel senso che una volta che ha riconosciuto e si è legato al promotore avvia la polimerizzazione di circa 6-9 basi e poi si distacca dal complesso enzimatico che procede con la sintesi di RNA. Molto probabilmente il fattore sigma distaccatosi può essere utilizzato da altri complessi α2ββ'.

Le RNA polimerasi eucariotiche sono strutturalmente più complesse rispetto alle RNA polimerasi procariotiche.Il tipo di RNA polimerasi eucariotica più studiato è la II che, per certi versi, serve da modello per comprendere il funzionamento delle altre. La RNA polimerasi II è formata da 12 subunità.

l'RNA polimerasi si aggancia in un punto qualsiasi del DNA stampo, formando un complesso chiuso, e inizia a dirigersi verso 5' . Durante il tragitto la polimerasi può incontrare una particolare sequenza nucleotidica che prende il nome di promotore che “segnala” all'enzima di iniziare la trascrizione; se ciò non avviene è molto probabile che la polimerasi si stacchi dal DNA e si agganci in un altro punto sempre casuale. A livello del promotore si forma il cosiddetto complesso aperto.Solitamente il promotore si trova subito a monte del sito di inizio

Una volta che la proteina ha riconosciuto il sito di attacco mette in atto una serie di reazioni enzimatiche che portano alla denaturazione della doppia elica per un segmento di circa 12-16 basi formando il già menzionato complesso aperto. L'apertura della doppia elica può essere vista al microscopio elettronico e, per via della caratteristica forma che assume viene, chiamata bolla di trascrizione.Subito dopo l'aggancio della polimerasi i primi nucleotidi vengono reclutati per essere inseriti seguendo l'ordine 5' → 3'.A livello della bolla di trascrizione l'enzima crea un ibrido DNA-RNA.

La catena viene allungata e il fattore sigma viene allontanato poiché può essere “riciclato”. Ci sono numerose proteine che legandosi ai promotori ne favoriscono o ne reprimono l’associazione con la RNA polimerasi.

PROTEINA CAP (proteina attivatrice dei geni da catabolita) che viene sintetizzata quando i batteri crescono in un ambiente povero di glucosio. Tale proteina si lega ai promotori di geni che codificano per enzimi implicati nel catabolismo di substrati alternativi, favorendone la trascrizione

TRASCRIZIONE PROCARIOTI

Il PROMOTORE possiede alcuni particolari caratteristiche:

Presenta solitamente una sequenza di inizio che, in genere, è CAT.A -10 basi a monte del punto di inizio possiede un esamero, o sequenza consensus TATAAT A -35 basi rispetto al punto di inizio possiede una ulteriore sequenza consensus TTGACA

ALLUNGAMENTO

Il fattore sigma si dissocia o, comunque, non partecipa più agli eventi di polimerizzazione, non appena l'RNA polimerasi sintetizza pochi nucleotidi, di solito meno di una dozzina.

La bolla di DNA, ovvero la struttura derivante dalla temporanea denaturazione operata dall'RNA polimerasi, avanza in direzione 3' → 5' e in questo modo, grazie al complesso della RNA polimerasi, vengono inseriti nucleotidi tramite legamifosfodiesterici tra gli zuccheri adiacenti allungando la catena di RNA nascente.

Il DNA è fortemente spiralizzato per cui la RNA polimerasi deve trovare il modo per poter rilassare la molecola al fine di leggere dal filamento stampo e continuare la trascrizione. Il modello più accreditato che spiega l'avanzamento del complesso DNA/Polimerasi/RNA è quello secondo il quale la molecola di DNA si svolge di fronte alla polimerasi per poi riappaiarsi immediatamente dopo che è stato letto il nucleotide e, di conseguenza, trascritto.

Interviene un enzima appartenente alla classe delle topoisomerasi che spezza uno o due filamenti del DNA rendendo possibile di conseguenza un rilassamento della lunga molecola.

Terminazioni rho dipendenti.Terminazioni rho indipendenti od intrinseche.

Le terminazioni rho-indipendenti o terminazioni intrinseche non hanno bisogno di alcuna struttura per interrompere la trascrizione. Il DNA contiene al proprio interno delle sequenze che istruiscono l'RNA polimerasi a fermarsi; questi segmenti di informazione genica hanno la particolarità di essere specularmente uguali. Prendiamo ad esempio questa sequenza di DNA ed il suo trascritto:AGTGTTAGTAACACT (DNA)(trascrizione)UCACAAUCAUUGUGA (RNA) Rispetto alla G del DNA ed alla C dell'RNA (ambedue evidenziate nella sequenza di sopra), le due catene, se lette dalla base marcata verso sinistra o dalla base marcata verso destra sono complementari. Questo vuol dire che, mentre la RNA polimerasi sintetizza l'RNA, questa molecola si può “auto-appaiare” formando una forcina caratteristica. La forcina pare bloccare la terminazione e, di conseguenza, sembra poter coadiuvare il rilascio dell'RNA già trascritto.

Le Terminazioni rho-dipendentiLa proteina rho è strutturalmente un esamero di circa 275KD.In realtà la proteina rho riconosce una specifica sequenza nell'RNA trascritto e grazie alla presenza di questo gruppo di basi si lega ad essa e prosegue in direzione opposta rispetto alla direzione di sintesi della molecola di mRNA. In altre parole, la proteina rho, una volta riconosciuta la sequenza tipica, si lega all'RNA e scorrre fino a giungere alla RNA-polimerasi.

TERMINAZIONE

MATURAZIONE rRNA e tRNA PROCARIOTI

Nei procarioti l’mRNA subisce poche modificazioni dopo la sintesi, mentre i tRNA gli rRNA sono sottoposti a tagli e modificazioni

rRNA e tRNA (RNA ribosomiale e transfer) nei procarioti provengono da tratti di DNA ripetuti una decina di volte. Nel trascritto finale troviamo sia le sequenze degli rRNA maturi che quelle dei tRNA, che verranno staccati tra loro da una RNAasi III.

Maturazione dei pre-rRNA negli eucarioti

La maturazione degli mRNA (RNA messaggero) è un processo esclusivo degli eucarioti:Nei procarioti invece l'estremità 5' dell'mRNA viene legata subito dai ribosomi, per cui la

traduzione avviene assieme alla trascrizione

CappingPoliadenilazione

MetilazioneSplicing

Negli eucarioti l'mRNA appena sintetizzato nel nucleo risulta più grande di quello che servirà alla fine nel citoplasma per la traduzione (sintesi delle proteine).

.

MATURAZIONE mRNA DEGLI EUCARIOTI

La poliadenilazione è il legame covalente di un filamento di adenina ad una molecola di RNA messaggero. La coda di poli-A all'estremità 3' terminale aiuta la stabilità dell‘mRNA, proteggendolo dalle esonucleasi. La poliadenilazione è importante anche per la terminazione della trascrizione, il trasporto dell‘mRNA fuori dal nucleo cellulare e la traduzione (o sintesi proteica). Anche alcuni mRNA procariotici sono poliadenilati, nonostante la funzione di taglio della poli-A sia differente da quella degli organismi eucarioti.Dopo che le trascrizione è terminata, vengono aggiunti al sito di taglio dagli 80 ai 250 residui di adenosina Questa reazione è catalizzata dalla poliadenilato polimerasi (o poli-A polimerasi).

Il capping consiste nell'aggiunta di un 'cappuccio' all'estremità 5' di una 7-metilguanosina legata a tre gruppi fosfato. Tale cap dovrebbe avere la funzione di proteggere l'estremità 5' e di favorire il legame del ribosoma per l'inizio della traduzione. Rende inoltre più stabile l’mRNA

Negli eucarioti troviamo tratti di mRNA che saranno mantenuti e tratti che saranno eliminati, rispettivamente introni ed esoni. Lo splicing consiste appunto nella rimozione degli esoni e ricucitura tra loro degli introni. Questo è possibile grazie agli snRNP (small nuclear ribonucleoprotein particles) costituite da snRNA e proteine, che costituiscono un complesso (detto spliceosoma) localizzati in punti ben definiti del nucleo. Esistono casi di splicing alternativo, in cui dallo stesso mRNA iniziale possono originare differenti splicing per rimozione di sequenze introniche ottenendo RNA maturi finali differenti.

Splicing di un trascritto primario. L’RNA messaggero viene prodotto nel nucleo cellulare, sul modello di un filamento di DNA, per mezzo di un enzima denominato RNA polimerasi DNA dipendente. Sempre nel nucleo, l’mRNA primitivo così costituitosi viene sottoposto ad un rimaneggiamento, detto splicing, che consiste essenzialmente nell’eliminazione degli introni, privi di funzione codificante. L’mRNA maturo viene trasferito nel citoplasma e viene letto dai ribosomi.

CODICE GENETICO

1 O PIU’ CODONI AMMINOACIDO

UNIVERSALEDEGENERATO (nucleotide in terza posizione)

64 CODONI 20 AMMINOACIDI

SINTESI PROTEICA

ribosoma, composto da RNA ribosomiale (rRNA) e proteine ribosomiali.

RNA messaggero (mRNA).

RNA transfer (tRNA), una corta catena di RNA che è legata covalentemente ad un dato amminoacido, costituendo un amminoacil-t-Rna.

Le Amminoacil tRNA sintetasi, sono enzimi che catalizzano la formazione del legame ad alta energia tra un dato amminoacido e l‘ RNA transfer corrispondente.

mRNA AMMINOACIDI

I ribosomi sono organelli immersi nel citoplasma - o ancorati al reticolo endoplasmatico - e sono le particelle responsabili della sintesi proteica. La loro funzione è quindi quella di sintetizzare le proteine leggendo le informazioni contenute in una catena di RNA messaggero (m-RNA).

I ribosomi sono formati da tre molecole di RNA ribosomiale e da proteine che si associano a formare due subunità di dimensioni differenti (una più grande dell'altra).

Un ribosoma batterico ha una massa di circa 2700 kDa, un diametro di circa 20 nm ed un coefficiente di sedimentazione di 70 S.Esso si può suddividere in due parti o subunità, una più grande ed una più piccola:una subunità grande di 50 S avente almeno 34 proteine (L1-L34) e due molecole di RNA (23 S e 5 S),una subunità piccola di 30 S contenente almeno 21 proteine (S1-S21) ed un RNA di 16 S.

Il ribosoma della cellula eucariota (fatta eccezione per quelli contenuti nei mitocondri e nei cloroplasti), invece, è più grande ed ha una massa molecolare di 4000 kDa, un diametro di 23 nm ed un coefficiente di sedimentazione di 80 S. Anch'esso è composto da due subunità, maggiore a 60 S e minore a 40 S:la subunità maggiore è costituita da tre molecole di rRNA, una a 28 S, una a 5,8 S e un'ultima a 5 S. la minore consta di una sola catena di RNA 18 S. Nel complesso le due subunità presentano inoltre più di 80 proteine.

La loro disposizione all'interno della cellula varia a seconda del tipo di cellula ed è collegata alla funzione di quest'ultima:se la cellula secerne le proteine prodotte, possiede solo ribosomi attaccati al reticolo endoplasmatico(che occupa gran parte del citosol) e alla membrana nucleare; se la cellula immagazzina queste proteine, possiede ribosomi liberi nel citoplasma.

Le singole molecole di rRNA (tranne la 5 S) vengono sintetizzate nei nucleoli come RNA 45 S. Il DNA contenuto nel nucleolo viene trascritto dalla RNA polimerasi I a partire da più punti della catena di DNA, in strutture che vengono dette ad "albero di Natale"; il tronco verrebbe rappresentato dal DNA, i rami dalle molte catene di rRNA che vengono trascritte nello stesso momento. L’ rRNA 45 S appena trascritto è detto pre-rRNA; in seguito a tagli, esso darà origine a rRNA 18 S (per la subunità minore del ribosoma) e 32 S, il quale verrà tagliato ulteriormente in 28 S e 5,8 S. Nel pre-rRNA sono presenti pseudouridine e basi azotate metilate. La funzione di queste modifiche nelle basi si pensa sia di evitare il taglio enzimatico, o favorire le interazioni dell'RNA interne alla catena o con altre molecole.

Maturazione dei pre-rRNA negli eucarioti

Le due subunità del ribosoma si uniscono tra loro ed operano insieme per tradurre un RNA messaggero in una catena polipeptidica durante la sintesi proteica.

Sembra che la parte più importante del ribosoma, sotto quest'aspetto, siano le molecole di RNA ribosomiale le quali da sole sono in grado, seppur lentamente, d'operare il processo di traduzione. Questo lascia ipotizzare che la componente proteica agisca in modo tale da potenziare e velocizzare l'azione dell'RNA ribosomiale.Prima che le subunità si uniscano insieme per incominciare a tradurre la molecola di m-RNA, c’è bisogno che il complesso di pre-inizio si leghi alla subunità inferiore; a questo punto il ribosoma si può collegare alla molecola dell’RNA messaggero, ed una volta che la subunità minore riconosce la tripletta di inizio, si staccano i fattori di pre-inizio, le due subunità si collegano ed il ribosoma può incominciare a sintetizzare la proteina.

La subunità maggiore è composta da tre siti, in ordine E (exit), P (peptidilico) ed A (amminoacilico).La subunità minore possiede solo un sito d’attacco predisposto per l’mRNA.

Il primo tRNA si va ad inserire nel sito P, a questo punto arriva un ulteriore tRNA il quale si andrà a posizionare nel sito A, ora il ribosoma scorre di una tripletta, portando gli amminoacidi tradotti presente dal sito P, a legarsi nel sito A. La tripletta codificata da P a questo punto passa al sito E, dove verrà rilasciato

I RIBOSOMI

Il sito A è il sito che attende l’arrivo di nuove triplette da codificare; Il sito P tiene salda la sequenza amminoacidica, rilasciandola solamente quando il sito A ha tradotto un’ulteriore amminoacido; Il sito E è il sito di rilascio

La struttura dei ribosomi nei procarioti e negli eucarioti

L'RNA transfer (tRNA), è una piccola catena di RNA (di 74-93 nucleotidi) che trasferisce un amminoacido specifico ad una catena polipeptidica in crescita nel sito ribosomiale della sintesi proteica. Il tRNA ha un sito di attacco per l'amminoacido ed una regione con tre basi, chiamata anticodone, che riconosce il corrispondente codone a tre basi dell‘mRNA attraverso l'appaiamento di basi complementari. Ogni tipo di molecola di tRNA può legarsi ad un solo tipo di amminoacido, ma essendo presenti nel DNA tipi diversi di codoni che codificano per uno stesso amminoacido, più tipi di tRNA con anticodoni differenti possono portare lo stesso amminoacido.

ADATTATORE TRA AMMINOACIDI TRIPLETTE

ATTIVAZIONE DEGLI AMMINOACIDI

amminoacido + ATP → amminoacil-AMP + PPi

Gli amminoacidi devono essere attivati, per essere trasformati in composti a più alta energia, per rendere energeticamente favorevole la formazione del legame peptidico

Ogni tRNA è amminocilato (o caricato) con uno specifico amminoacido dall‘ amminoacil-tRNA sintetasi. Esiste soltanto una amminoacil-tRNA sintetasi per ogni amminoacido..Le amminoacil-tRNA sintetasi hanno anche la funzione di correzione di errori nell’accoppiamento tra amminoacido e tRNA

amminoacil-AMP + tRNA → amminoacil-tRNA + AMP

FASI DELLA BIOSINTESIINIZIO: i ribosomi si legano al codone di avvio dell'mRNA, che indica il punto in cui l'mRNA comincia a codificare la proteina. Questo codone è generalmente AUG (adenina-uracile-guanina) che codifica per la metionina. Nei batteri invece la proteina inizia con la N-formil-metioninaNei procarioti, il corretto legame tra il ribosoma e l'mRNA è facilitato dall'accoppiamento di una serie di basi nota come sequenza di Shine-Dalgarno, che si trova tra 8 e 13 nucleotidi prima del codone di avvio.Il tRNA, sia che rechi metionina o N-formil-metionina, accoppia le sue basi con quelle del codone di avvio coadiuvato da dei fattori di inizio (IF) e si lega al sito P (peptide) del ribosoma formando un ponte tra la subunità minore e la subunità maggiore. La subunità maggiore forma quindi un complesso con quella minore e i fattori di inizio vengono liberati.

ALLUNGAMENTO: Un nuovo aminoacil-tRNA complessato con il fattore di allungamento (una proteina GTP dipendente, EF-Tu nei procarioti, αEF1 negli eucarioti, più semplicemente Tu) entra sul sito A del ribosoma ed accoppia le sue basi con quelle dell'mRNA. La subunità ribosomiale maggiore possiede azione peptidil-transferasica, grazie alla quale crea un legame peptidico tra gli amminoacidi vicini. Appena questo accade, l'amminoacido sul sito P si stacca dal suo tRNA e la catena peptidica in crescita si lega al tRNA sul sito A. Il ribosoma quindi si muove lungo l'mRNA spostando il peptidil-tRNA dal sito A al sito P liberando nel contempo il tRNA vuoto. Questo processo è noto come traslocazione.

TERMINAZIONE: Il processo continua finché il ribosoma non incontra uno dei tre possibili codoni di arresto (stop), che sono UAG, UAA, UGA. La crescita della proteina si interrompe ed i fattori di rilascio (RF1, RF2, RF3 nei batteri, RF1 ed RF3 negli eucarioti), proteine che simulano l'azione del tRNA, si legano al sito A e liberano la proteina nel citoplasma

Fasi Della Traduzione: inizio• Attacco delle subunità ribosomali e del primo a.a.

portato dal tRNA iniziatore all’mRNA• Posizionamento sul primo codon da tradurre

PROCARIOTI EUCARIOTISubunità 30S/ 50S 40S/60S

Fattori d’inizio Sì Sì

tRNA iniziatore formilmetionina metionina

Fonte di Energia GTP ATP/GTP

Fasi Della Traduzione: allungamento

Allungamento della catena polipeptidica mediante attacco diaminoacil-tRNA e sintesi del legame peptidico.

PROCARIOTI EUCARIOTI

Subunità 30S/50S 40S/60S

Fattori di Allungamento Sì Sì

tRNA tutti tutti

Fonte di energia GTP GTP

Fasi Della Traduzione: terminazione• Avviene quando il ribosoma arriva ad un

codone di stop (UAA, UAG, UGA) che si colloca nel sito A

• Rilascio della catena polipeptidica e rilascio delle due subunità ribosomali

GTPGTPFonte di energia

13Fattori di terminazione

40S/60S30S/50SSubunità

EUCARIOTIPROCARIOTI

La fase di traduzione ha inizio quando l’RNA messaggero si attacca al ribosoma.

G C U C A A C C U G U A

C G A

Ala

UG U

Gln

AG G

Gly

UC A

Val

codoneanticodone

G C U C A A C C U G U A

C G A

Ala

UG U

Gln

AG G

Gly

UC A

Val

Successivamente su ogni codone si attaccherà il tRNA con l’anticodone complementare, portandosi dietro un amminoacido.

La fase di traduzione ha inizio quando l’RNA messaggero si attacca al ribosoma.

G C U C A A C C U G U A

C G A

Ala

UG U

Gln

AG G

Gly

UC A

Val

Successivamente su ogni codone si attaccherà il tRNA con l’anticodone complementare, portandosi dietro un amminoacido.

G C U C A A C C U G U A

C G A

Ala

UG U

Gln

AG G

Gly

UC A

Val

G C U C A A C C U G U A

C G A

Ala

UG U

Gln

AG G

Gly

UC A

Val

G C U C A A C C U G U A

C G A

Ala

UG U

Gln

AG G

Gly

UC A

Val

G C U C A A C C U G U A

C G A

Ala

UG U

Gln

AG G

Gly

UC A

Val

G C U C A A C C U G U A

C G A

Ala

UG U

Gln

AG G

Gly

UC A

Val

G C U C A A C C U G U A

C G A

Ala

UG U

Gln

AG G

Gly

UC A

Val

L’amminoacido del primo tRNA si lega poi a quello del secondo…

G C U C A A C C U G U A

C G A

Ala

UG U

Gln

AG G

Gly

UC A

Val

L’amminoacido del primo tRNA si lega poi a quello del secondo…

G C U C A A C C U G U A

C G A

Ala

UG U

Gln

AG G

Gly

UC A

Val

L’amminoacido del primo tRNA si lega poi a quello del secondo…

G C U C A A C C U G U A

C G A

Ala

UG U

Gln

AG G

Gly

UC A

Val

… il primo tRNA si allontana…

G C U C A A C C U G U A

C G A

Ala

UG U

Gln

AG G

Gly

UC A

Val

… il primo tRNA si allontana…

G C U C A A C C U G U A

C G A

Ala

UG U

Gln

AG G

Gly

UC A

Val

… il primo tRNA si allontana…

G C U C A A C C U G U A

C G A

Ala

UG U

Gln

AG G

Gly

UC A

Val

… e un nuovo tRNA si attacca all’RNA messaggero

G C U C A A C C U G U A

Ala

UG U

Gln

AG G

Gly

UC A

Val

… e un nuovo tRNA si attacca all’RNA messaggero

G C U C A A C C U G U A

Ala

UG U

Gln

AG G

Gly

UC A

Val

… e un nuovo tRNA si attacca all’RNA messaggero

G C U C A A C C U G U A

UG U AG G

Gly

UC A

Val

… e così via.

AlaGln

G C U C A A C C U G U A

UG U AG G

Gly

UC A

Val

… e così via.

AlaGln

G C U C A A C C U G U A

UG U

AG G

Gly

UC A

Val

… e così via.

AlaGln

G C U C A A C C U G U A

UG U

AG G

Gly

UC A

Val

… e così via.

AlaGln

G C U C A A C C U G U A

UG U

AG G

Gly

UC A

Val

… e così via.

AlaGln

G C U C A A C C U G U A

AG G

Gly

UC A

Val

… e così via.

AlaGln

G C U C A A C C U G U A

AG G

Gly

UC A

Val

… e così via.

AlaGln

G C U C A A C C U G U A

AG G

Gly

UC A

Val

… e così via.

AlaGln

G C U C A A C C U G U A

AG G UC A

Val

… e così via.

Gly

AlaGln

G C U C A A C C U G U A

AG G UC A

Val

… e così via.

Gly

AlaGln

Eventi post-traduzionali

Specifici segnali, contenuti nella sequenza amminoacidica delleproteine, le dirigono alle loro destinazioni cellulari finali

La sintesi proteica inizia sui ribosomi liberi nel citoplasma. Le proteine destinate a nucleo e mitocondri sono completate qui e hanno segnali che permettono il legame e l’entrata negli organelli a cui sono destinate.

Le proteine destinate a: RE, Golgi, lisosomi e all’esternodella cellula completano la loro sintesi su ribosomi attaccatialla superficie del RE. Entrano, quindi nel RE grazie all’interazione di una sequenza segnale idrofobica con un canale della membrana.

Il reticolo endoplasmatico (RE) è un complesso organulo, con una struttura cellulare costituita da regioni citoplasmatiche delimitate da membrane che possono avere la forma di cisterne o tubuli. Lo spazio interno che si identifica tra le pieghe del reticolo è detto lume ricco di enzimi che catalizzano diverse reazioni chimiche.

Vi sono due tipologie di RE differenti per morfologia e funzione: il reticolo endoplasmatico rugoso (RER), detto così per la presenza di numerosi ribosomi che gli danno, nella visione al microscopio, un aspetto ruvido, e quello liscio (REL), che evidentemente non presenta i ribosomi sulla superficie.

Dentro ai compartimenti del reticolo endoplasmatico si svolge un'intensa attività di reazioni chimiche che elaborano continuamente materiali, alcuni dei quali vengono ivi depositati, altri trasportati in altre parti della cellula, altri ancora avviati verso l'esterno.

L'apparato del Golgi è un organulo di composizione lipo-proteica

Esso è formato da cisterne membranose appiattite, impilate le une sulle altre, deputate alla sintesi di lipidi, glicolipidi e glicoproteine (mediante l'aggiunta di residui glucidici).

L'apparato di Golgi ha una funzione molto importante ovvero di rielaborare, selezionare ed esportare i prodotti cellulari.

Questo organulo può interagire con altri (come il reticolo endoplasmatico rugoso) per indirizzare ed etichettare certe vescicole contenenti prodotti cellulari verso la loro destinazione, che può essere quello di confluire in altri organi o fondersi con la membrana plasmatica e farne uscire il contenuto.

Le vescicole che gemmano dal Reticolo Endoplasmatico Rugoso (RER) sono trasportate alla faccia cis dell'apparato del Golgi, dove si fondono con la sua

membrana rilasciando il loro contenuto all'interno del lume. Una volta nel lume, le molecole vengono modificate, raggruppate e spedite verso la loro destinazione

finale

MODIFICAZIONI POST-TRADUZIONALI

Una modificazione post traduzionale è la modificazione chimica di una proteina in seguito alla sua traduzione. Per molte proteine, si tratta dell'ultima tappa di biosintesi.Ogni proteina è un polipeptide composto da una catena in cui possono essere incorporati (durante la sintesi proteica vera e propria) 20 diversi amminoacidi. Molti di questi amminoacidi possono essere modificati attraverso l'aggiunta di alcuni gruppi funzionali in grado di allargare la funzionalità complessiva della proteina. Modificazioni tipiche, ad esempio, sono l'aggiunta di gruppi acetile, fosfato, lipidici o glucidici.

Un ulteriore tipo di modificazione post traduzionale è la rimozione di amminoacidi dalla regione N-terminale della proteina attraverso l'azione di una proteasi.

Modificazioni come la fosforilazione, sono comuni meccanismi di attivazione ed inattivazione di proteine ed enzimi.

Spesso nelle cellule eucariotiche, la catena peptidica subisce il taglio di alcuni frammenti che non sono direttamente implicati nella funzione biologica. Tali frammenti sono i peptidi segnale e sono necessari per l’ingresso della proteina nel reticolo endoplasmatico.

SINTESI INSULINA IN CELLULA PANCREATICA

ESONE 1 ESONE 2

CATENA A 30 aaCATENA B 21 aa

Unite da ponti S-S

PREPROINSULINA

PROINSULINA

INSULINA

PEPTIDE SEGNALE

FORMA S-S

IN APPARATO DEL GOLGI UN ENZIMA RIMUOVE 33aa

ABC l‘ ormone insulina, in seguito alla formazione dei

ponti disolfuro, è tagliato due volte, con la rimozione del cosiddetto propeptide presente nel centro della catena. L'insulina matura consiste dunque di due polipeptidi legati tra loro attraverso ponti disolfuro.

Il cloramfenicolo inibisce la sintesi proteica legandosi alla subunità 50S ribosomiale bloccando il meccanismo di traduzione. Il cloranfenicolo si interpone in uno spazio della subunità 50s tra il sito A e il sito P, bloccando l' enzima peptidil-transpeptidasi, che è adibito al trasporto della catena proteica dal sito A al sito P. Le tetracicline inibiscono la sintesi proteica dei batteri legandosi alla subunità 30S del ribosoma batterico in modo tale da impedire l’accesso dell’aminoacil tRNA al sito accettare (A).La streptomicina inibisce la sintesi proteica legandosi alla subunità 16S del rRNA batterico interferendo con la subunità 30S e impedendole di interagire col formil-metionil-tRNACiò quindi previene l'inizio della sintesi proteica, impedendo al batterio di espletare le proprie attività e causandone la morte La cicloesimide blocca la peptidil transferasi dei ribosomi eucarioticiTossina ricina e difterica (natura proteica) inattivano rispettivamente la subunità 60s dei ribosomi eucariotici e il fattore di allungamento EF-2.

GLI ANTIBIOTICI E ALCUNE TOSSINE INTERFERISCONO CON LA SINTESI PROTEICA

La regolazione dell’attività dei geni

La trascrizione di un gene e la sintesi di una proteina specifica è soggetta a controllo; essa avviene:

• secondo le necessità della cellula e• in base alle disponibilità dell’ambiente

- In assenza del substrato, è inutile sintetizzare gli enzimi che “lavorano” quel substrato.

- Quando un metabolita sia presente nella cellula in grande quantità, è dannoso continuare a produrlo senza necessità

operone

Come la cellula regola l’espressione dei geni secondo le necessità dell’organismo e in

risposta alla situazione dell’ambiente

In biologia si definisce operone un insieme di geni che vengono regolati in modo strettamente coordinato.

L'organizzazione dei geni in operoni è un elemento fondamentale nella regolazione genica dei procarioti

gli operoni contengono infatti, oltre ai geni che devono essere trascritti, sequenze particolari, denominate siti di controllo, che con vari meccanismi regolano l'espressione dei geni dell'intero operone

Un operone contiene sempre i seguenti elementi:

uno o, di solito, più geni strutturali, ovvero geni che codificano per determinati enzimi o proteine necessari alla cellula.

un promotore, situato a monte dei geni, ovvero una sequenza di DNA che, legandosi all‘ RNA polimerasi, permette l'inizio della trascrizione. L'RNA polimerasi ha infatti bisogno di riconoscere la sequenza del promotore per iniziare il processo.

un operatore, un frammento di DNA, che può essere situato a monte, a valle o anche lontano dal promotore, che regola l'espressione dei geni strutturali. L'operatore svolge questa funzione interagendo con una specifica proteina chiamata proteina repressore o proteina attivatore, a seconda che, appunto, impedisca o stimoli l'espressione.

un gene regolatore, che codifica per la proteina regolatrice. Questo gene, tuttavia, non viene normalmente considerato parte integrante dell'operone, in quanto in alcuni casi può essere dislocato in un punto del genoma anche molto lontano dall'operone stesso.

CONTROLLO ESPRESSIONE GENICA

-REGOLAZIONE LENTA (CONTROLLO TRASCRIZIONALE): regola il livello endocellulare di una proteina e quindi l’efficienza dei meccanismi ad essa correlati.

-REGOLAZIONE RAPIDA (ENZIMATICA): controllo mediato da modificazioni chimiche dell’enzima (fosforilazione) o dall’interazione con una o più molecole prodotte direttamente o indirettamente dalla proteina stessa

REGOLAZIONE DELLA TRASCRIZIONE (procarioti)

-GENE STRUTTURALE: codifica per le proteine enzimatiche

Ogni gene strutturale è preceduta da DNA con funzione di regolazione:-PROMOTORE: regione per il legame dell’RNA polimerasi-OPERATORE: regione per il legame di molecole di repressore-GENE REGOLATORE: codificano per proteine che “gestiscono” il programma (repressori o induttori della sintesi di proteine enzimatiche)presente anche a notevole distanza dai geni controllati

OPERONE gruppo di geni che sintetizzano enzimi coinvolti in una catena di reazioni controllati dagli stessi geni regolatori

Il controllo genico degli operoni è un tipo di regolazione che permette agli organismi di regolare l'espressione a seconda delle condizioni dell'ambiente in cui vivono. La regolazione può essere positiva o negativa.La regolazione negativa coinvolge il legame di una proteina repressore all'operatore per impedire la trascrizione. Gli operoni sottoposti a regolazione negativa si distinguono in operoni inducibili o repressibili.

Negli operoni negativi inducibili, una proteina repressore si trova legata, in condizioni normali, all'operatore, impedendo così la trascrizione dei geni dell'operone. Se però nella cellula è presente una particolare molecola, detta induttrice, essa si lega alla proteina repressore, cambiandone la conformazione e rendendola incapace di legare l'operatore e permettendo così la trascrizione.

Negli operoni negativi repressibili, la trascrizione dei geni dell'operoni avviene regolarmente in condizioni normali. La proteina repressore, infatti, pur essendo attivamente prodotta dal gene regolatore, è incapace di legarsi all'operatore nella sua conformazione normale. Tuttavia, alcune molecole chiamate corepressori possono legarsi alla proteina repressore, e cambiarne la conformazione in modo da renderla capace di legarsi all'operatore, e di impedire così la trascrizione.

Gli operoni possono anche essere sottoposti a regolazione positiva. In questo caso una proteina attivatore si lega all'operatore stimolando la trascrizione. Anche gli operoni sottoposti a controllo positivo si suddividono in operoni inducibili o repressibili.Negli operoni positivi inducibili, la proteina attivatore è normalmente incapace di legarsi all'operatore. Certe molecole, tuttavia, possono legarsi alla proteina attivatore e cambiare la sua conformazione in modo da renderla capace di legarsi al DNA e incentivare, così, la trascrizione. Negli operoni positivi repressibili, la proteina attivatore si trova legata all'operatore in condizioni normali, e la trascrizione avviene perciò regolarmente. Determinate molecole però possono legarsi all'attivatore e imperdirgli, cambiandone la conformazione, di legarsi all'operatore. In questo modo, la trascrizione viene inibita

lattosio

Il lattosio è un disaccaride formato da galattosio e glucosio

Rappresenta per la cellula una fonte di glucosio da cui ricavare energia

L’utilizzo del lattosio da parte del batterio richiede più enzimi (βgalattossidasi, permeasi) codificati da geni strutturali controllati dagli stessi geni regolatori = operone lac

Operone lac: la strutturaGENI

regolatore promotore operatore Geni strutturali

RNApolimerasi

DNA

RNAProteina repressoreattiva

repressore inattiva

lattosio

RNA RNA RNA

trascrizione

traduzione

Successione eventi: la repressione

repressore attivatoInduttore(lattosio)

repressore legato all’operatore

RNA polimerasi non può legarsi:trascrizione bloccata

Il repressore viene codificatoda un gene regolatore

Promotore lac

1- in assenza del substrato (lattosio) la proteina repressore si lega a un tratto di DNA (operatore) e blocca l’accesso alla RNApolimerasi al promotore dal quale inizia la trascrizione dei geni strutturali

Induttore (substrato)legato al repressore

RNApolimerasi si lega al

promotore

Inizia la trascrizionedei geni strutturali

mRNA trascritto

2- In presenza del substrato (induttore), questo si lega alla proteina repressore e libera l’operatore.3- RNApolimerasi si lega all’operatore e inizia la trascrizione

L’induzione

Operone spento

Operone acceso

In presenza di glucosio non è necessario ricorrere al lattosio per ricavare energia.

La sintesi degli enzimi che attaccano il lattosio viene repressa.

In carenza di glucosio, occorre ricorrere al lattosio per ricavare energia.

Il lattosio si lega al repressore e libera il gene operatore.

La logica del vivente

Geni e loro funzioni

• Gene regolatore• Gene promotore

• Gene operatore

• Geni strutturali

• Proteina repressore• Sito di avvio della trascrizione del

DNA in mRNA• Sito di inserimento per repressore:

blocco della sintesi dell’ mRNA• enzimi

RNA polimerasipromotore

operatore

STRUTTURA DELL’OPERONE

- IN ASSENZA DEL SUBSTARTO, LA PROTEINA REPRESSORE SI LEGA A UN TRATTO DI DNA (gene operatore) E BLOCCA L’ACCESSO ALLA RNA POLIMERASI AL GENE PROMOTORE DAL QUALE INIZIA LA TRASCRIZIONE DEI GENI STRUTTURALI:

IN PRESENZA DEL SUBSTRATO (INDUTTORE), QUESTO SI LEGA ALLA PROTEINA REPRESSORE E LIBERA L’OPERATORE. IN QUESTO MODO, L’RNA POLIMERASI SI LEGA ALL’OPERATORE E INIZIA LA TRASCRIZIONE:

NEGLI EUCARIOTI ANCHE IL LIVELLO DI CONDENSAZIONE DELLA CROMATINA E’ UN ULTERIORE SISTEMA DI CONTROLLO

CORPO DI BARR

L'inattivazione del cromosoma X, è una peculiarità dei caratteri legati al sesso nei mammiferi, legata alla regolazione dell'attività dei geni.

Nei nuclei delle cellule somatiche femminili è visibile il corpo di barr che corrisponde al cromosoma X altamente condensato e per la maggior parte inattivato e che questo viene scelto a caso tra i cromosomi X di derivazione materna o paterna, secondo un processo indipendente da cellula a cellula. Una volta che il cromosoma X è stato inattivato in una cellula, tutti i discendenti da quella cellula erediteranno il tipo di inattivazione

Gli organismi con i cromosomi sessuali hanno un diverso dosaggio genico, cioè un numero di coppie alleliche diverso tra i due sessi, (una femmina normale ha infatti due coppie per ogni locus del cromosoma X, mentre un maschio ne possiede una sola).

L’inattivazione di un cromosoma X è responsabile della compensazione del dosaggio

L'inattivazione non avviene nelle cellule germinali, in quanto questo causerebbe la mancata espressione dei geni legati al sesso nello zigote.