La sintesi proteica1 LICEO SCIENTIFICO STATALE LEONARDO da VINCI di FIRENZE CORSO SPERIMENTALE F...

la sintesi proteica 1

LICEO SCIENTIFICO STATALE“LEONARDO da VINCI” di FIRENZE

CORSO SPERIMENTALE FDOCENTE Prof. Enrico Campolmi

La sintesi proteica


Il DNA contiene tutte le informazioni necessarie al funzionamento delle cellule; in questo modo esso determina tutte le caratteristiche ereditarie degli esseri viventi

Il DNA è suddiviso in unità funzionali, i geni, ognuno dei quali controlla uno o più caratteri dell’individuo

Ma in che modo una sequenza di nucleotidi riesce ad esprimersi in un carattere? In che modo il genotipo determina il fenotipo?

A partire dagli anni ’40 del ‘900 i biologi cominciarono a capire che tutte le attività metaboliche delle cellule dipendevano da diversi enzimi specifici, capaci di catalizzare le relative reazioni biochimiche

Studi specifici riuscirono a dimostrare che alcune mutazioni potevano essere spiegate sulla base di cambiamenti enzimatici negli organismi mutanti


I risultati ottenuti spinsero i genetisti a formulare l’ipotesi riassumibile come un gene → un enzima

Tale espressione risultò in seguito una semplificazione, in quanto molte altre proteine, anche non sono enzimi, ad es. l’ormone insulina, la proteina strutturale collagene o le proteine della membrana cellulare, sono comunque determinate da geni.

Su queste basi nel 1958 Francis Crick formulò l’espressione passata alla storia come il dogma centrale della genetica: un gene → una proteina

Successivamente, quando ci si accorse che alcune proteine erano formate dall’unione di più polipeptidi, ognuno controllato da uno specifico gene, l’espressione divenne un gene → una catena polipeptidica


Da questo momento risultò chiaro che il DNA conteneva solo le istruzioni per fabbricare tutte le proteine di vario tipo dell’organismo cui apparteneva, attraverso le quali controllava ogni carattere dell’organismo stesso

La funzione di una proteina dipende, in ultima analisi, dalla sequenza lineare degli amminoacidi che la compongono.

Il problema divenne allora capire come la disposizione delle basi azotate del DNA potesse essere tradotta in una sequenza di amminoacidi di una proteina

A questo punto si scoprì che un importante ruolo di intermediario nel processo di traduzione del DNA in una proteina era svolto dall’RNA, il secondo tipo di acido nucleico


L’RNA differisce dal DNA nei seguenti elementi:

Il ribosio sostituisce il deossiribosio

L’uracile sostituisce la timina

Inoltre, contrariamente al DNA, l’RNA è costituito da un filamento singolo e può trovarsi anche nel citoplasma delle cellule, ove è particolarmente abbondante in quelle che sintetizzano molte proteine

Le molecole di RNA coinvolte nel processo di traduzione sono di tre tipi diversi e tutte vengono sintetizzate nel nucleo, a partire dal DNA


Il primo tipo di RNA prende il nome di RNA messaggero (mRNA) ed il processo con il quale viene copiato da un filamento di DNA, secondo la regola dell’appaiamento delle basi, prende il nome di trascrizione

Il DNA costituisce allora la copia originale dell’informazione genetica, che rimane sempre archiviata nel nucleo, per essere utilizzato molte volte.

L’mRNA costituisce invece una copia di lavoro, di un singolo gene, che viene trascritta nel nucleo dall’originale presente nel DNA e successivamente trasportata nel citoplasma per essere tradotta

Una volta esaurito il suo compito, l’mRNA si decompone ed i suoi nucleotidi sono di nuovo disponibili per la sintesi di altre molecole di mRNA

La trascrizione è un processo molto frequente, in quanto si verifica ogni volta che la cellula deve sintetizzare una specifica proteina


La trascrizione è catalizzata dall’enzima RNA polimerasi, che si attacca al DNA in prossimità del gene da copiare, aprendo la doppia elica Fig. 15.5

pag. 201

Spostandosi lungo la molecola di DNA, l’RNA polimerasi legge la sequenza dei nucleotidi e sintetizza la molecola di mRNA, secondo la regola di appaiamento della basi, con l’uracile che sostituisce la timina

Anche l’RNA viene sintetizzato nella direzione che va dal 5’ al 3’

Terminata la trascrizione il DNA riassume la sua conformazione originale, mentre l’mRNA si stacca e si trasferisce nel citoplasma

Identificare l’mRNA come copia di lavoro dell’informazione genetica, che la conduce fuori dal nucleo per essere tradotta, non era però sufficiente

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Restava da decifrare l’insieme delle regole con le quali passare dal linguaggio del DNA (basato su 4 lettere, i nucleotidi) a quello delle proteine (basato su 20 lettere, gli aminoacidi).

Era cioè necessario identificare il codice genetico, ovvero l’insieme di regole per tradurre in proteine le informazioni genetiche del DNA

Codice: insieme di regole che consente di passare da un linguaggio ad un altro


Se ciascun nucleotide codificasse per un amminoacido si potrebbero indicare solo 4 amminoacidi (41 possibilità)

Utilizzando combinazioni di 2 nucleotidi si specificherebbero però solo 16 amminoacidi (42 possibilità)

Utilizzando combinazioni di 3 nucleotidi si specificano invece 64 amminoacidi (43 possibilità)

E’ quindi una tripletta di nucleotidi (detta anche codone) a codificare per un amminoacido

L’esatta corrispondenza tra codoni ed amminoacidi venne identificata solo agli inizi degli anni ‘60

Fig. 15.6 pag. 202


Il codice genetico è ridondante (più codoni codificano per lo stesso amminoacido), ma non è ambiguo (un codone non può codificare per più di un amminoacido).

Sono presenti inoltre 3 codoni di arresto

Il codice genetico è universale, rimane cioè lo stesso per tutti i viventi

Ciò ha un forte significato evolutivo ed importanti conseguenze per l’ingegneria genetica


Vediamo adesso in che modo l’informazione genetica, contenuta nel DNA, e trascritta sull’mRNA viene tradotta nel citoplasma della cellula.

Innanzitutto dobbiamo chiamare in causa gli altri due tipi di RNA, anch’essi trascritti da specifici geni presenti sul DNA con meccanismi analoghi a quelli già visti per l’mRNA

Il primo è l’RNA ribosomiale (rRNA), che, assieme a specifiche proteine, forma la struttura dei ribosomi

Subunità piccola

Sito P

Subunità grande

Sito AQuesti sono piccoli organelli,

deputati alla sintesi delle proteine, e formati da due subunità: la subunità piccola e la subunità grande. Quest’ultima presenta due siti denominati sito P e sito A


Fig. 15.8pag. 203

Il tRNA ha una forma a quadrifoglio e presenta ad un’estremità il sito di attacco dell’amminoacido, mentre all’estremità opposta presenta l’anticodone, cioè una tripletta complementare a quella che sul mRNA specifica l’amminoacido relativo.

Nel citoplasma sono presenti molteplici copie di 20 tipi differenti di tRNA, ognuna delle quali trasporta uno specifico amminoacido

Il vero e proprio processo di traduzione ha luogo nel citoplasma e coinvolge una molecola di mRNA, uno o più ribosomi ed i 20 tipi di tRNA

Il processo si compone di tre fasi: inizio, allungamento e terminazione

L’altro RNA è l’RNA di trasporto (tRNA), il vero dizionario bilingue della traduzione dei geni in proteine


Subunità piccola

La fase di inizio comincia quando la subunità ribosomiale più piccola si attacca all’mRNA presso l’estremità 5’, che espone il primo codone (AUG)

mRNA

A U G C U A U U U C G5’

Poi il primo tRNA si colloca in modo da appaiare il proprio anticodone col primo codone dell’mRNA

1-tRNA

U A C

met


Subunità piccola

Sito P

Subunitàgrande

Sito A

Successivamente la subunità ribosomiale più grossa si attacca a quella più piccola ed il tRNA di inizio va ad occupare il sito P

mRNA


1-tRNA

U A C

met


Sito P

Sito A

Inizia quindi la fase di allungamento: un nuovo tRNA, con anticodone complementare al secondo codone esposto dall’mRNA, si colloca nel sito A della subunità più grande

mRNA


1-tRNA

U A C

met

2-tRNA

G

leu

A U

Legame peptidico

Enzimi specifici legano poi i due amminoacidi con un legame peptidico

A A C


mRNA

A U G C U A U U U C G

2-tRNA

1-tRNA

U A C

G

metleu

A UA

3-tRNA

A A A

phe

Sito P

Sito A

Il primo tRNA abbandono il ribosoma, lasciandovi il proprio amminoacido

Il ribosoma scorre in avanti di un codone lungo l’mRNA



2-tRNA

G A UA

3-tRNA

A A A

4-tRNA

G C U

thr

A C U

met

Sito P

Sito A

Il secondo tRNA passa dal sito A al sito P

Un nuovo tRNA occupa il sito A ed il suo amminoacido si aggiunge alla catena, mentre il ribosoma continua a scorrere lungo l’mRNA

leu phe



2-tRNA

G

met leu

A U

A

3-tRNA

A A A

4-tRNA

G C U

arg

A C U

Sito P

Sito A

phe

Anche il secondo tRNA lascia il ribosoma. Mentre questo continua a scorrere lungo l’mRNA nuovi amminoacidi si aggiungono alla catena


G C U A U U U C G

met leu

A

3-tRNA

A A A

4-tRNA

G C UA C U

5-tRNA

U G A

thr

Sito P

Sito A

argphe

Il processo si ripete allo stesso modo per l’aggiunta di ogni nuovo amminoacido: il tRNA passa dal sito A al sito P e quindi abbandona il ribosoma, lasciando il proprio amminoacido legato alla catena peptidica


A C A U G U

met

U

200-tRNA

U A GC U

valhis

Codone di stop

leu

phe

argthr

Terminazione: è la fase finale del processo; alla fine dell’mRNA viene esposto un codone di stop, cui non corrisponde nessun amminoacido. La catena polipeptidica si stacca e le due subunità ribosomiali si separano

la sintesi proteica 21polipeptidepolipeptide

mRNA1 2 3 4 5 6 7

Via via che il ribosoma si sposta lungo l’mRNA la parte iniziale di questa molecola rimane libera ed un altro ribosoma vi si può legare, avviando la traduzione

Un gruppo di ribosomi che leggono contemporaneamente lo stesso mRNA forma un poliribosoma

I poliribosomi consentono la rapida sintesi di copie multiple di un polipeptide a partire da una stessa molecola di mRNA

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