Le informazioni contenute nel DNA vengono utilizzate dalla cellula per sopravvivere ed esercitare le proprie funzioni attraverso la sintesi delle proteine, macromolecole che svolgono molti ruoli biologici (strutturale, catalitico, regolatorio…). Il passaggio dal gene, l’unità funzionale del DNA, alla proteina avviene in due fasi: la trascrizione del DNA genera l’RNA, la traduzione dell’RNA porta alla sintesi della proteina.
Il Ruolo del DNA nella Sintesi Proteica
Il DNA è formato da tante piccole unità funzionali dette GENI ed ogni gene codifica per una proteina. Il DNA contiene le informazioni genetiche necessarie per la sintesi delle proteine, che sono essenziali per le attività cellulari. Possiamo immaginare il DNA come il manuale di istruzioni della cellula. Questo manuale è diviso in capitoli, i geni. È stato stimato che il genoma umano (l’insieme dei geni presenti nel DNA delle cellule umane) contenga circa 20.000 sequenze che forniscono alla cellula le istruzioni per sintetizzare proteine (in gergo si dice che “codificano una proteina”). La porzione di DNA non codificante è enorme e il suo ruolo non è ancora ben compreso. Si ipotizza che buona parte di questo abbia funzioni regolatorie ed è noto che i telomeri, porzioni di DNA non codificante poste alla fine dei cromosomi, servono a proteggere il DNA.
Trascrizione: La Prima Fase della Sintesi Proteica
Il primo passaggio nella sintesi di una proteina consiste nella trascrizione del DNA, che possiamo considerare come un “ordine di produzione”. Durante la trascrizione, le informazioni di un gene vengono copiate dal DNA all'RNA. In questo processo, la sequenza del gene viene copiata mediante la sintesi di una molecola di acido ribonucleico (in inglese RiboNucleic Acid, da cui l’abbreviazione RNA). Come il DNA, l’RNA è costituito da nucleoidi contenenti un gruppo fosfato, uno zucchero (il ribosio) e una base azotata (adenina, citosina, guanina e uracile [U], questo ultimo in sostituzione della timina presente nel DNA). Similmente a quanto avviene nella duplicazione, un filamento di DNA funge da stampo per la sintesi del nuovo acido nucleico: il filamento di RNA è quindi complementare al filamento di DNA. L’enzima chiave della trascrizione è l’RNA polimerasi. Questo enzima, assieme a proteine accessorie, si lega al DNA in corrispondenza di una zona a monte del gene che deve essere trascritto, chiamata promotore. Sequenze chiamate enhancer controllano l’attivazione della trascrizione. Man mano che la doppia elica di DNA si svolge, l’RNA polimerasi aggiunge nucleotidi al filamento di RNA; la sintesi avviene in direzione 5’-3’. Nelle cellule umane esistono tre tipi di RNA polimerasi: l’RNA polimerasi II sintetizza l’RNA messaggero (mRNA) che codifica la sequenza della proteina, mentre l’RNA polimerasi I e III sintetizzano l’RNA ribosomiale (rRNA) e l’RNA trasfer (tRNA) coinvolti nel processo di traduzione. Una sequenza di stop segnala alla polimerasi quando interrompere la sintesi dell’RNA.
Splicing: Maturazione dell'RNA messaggero
L’RNA messaggero subisce poi un processo di maturazione, in cui vengono eliminate alcune sequenze intercalanti (introni) e mantenute solo le sequenze codificanti (esoni); l’RNA maturo è perciò più corto di quello appena sintetizzato (pre-mRNA). Grazie al processo di splicing, da un singolo trascritto possono essere generati più mRNA maturi che codificano forme alternative di una stessa proteina. Negli eucarioti si e in più in loro avviene lo splicing: infatti frammenti detti introni si staccano dal filamento di RNA messaggero e quelli che rimangono sono detti esoni.
Traduzione: La Sintesi Proteica nei Ribosomi
Quando la cellula è in possesso dell’ordine di produzione (mRNA), può inviarlo alle fabbriche delle proteine, i ribosomi. È in questi organelli, costituiti da proteine e rRNA e localizzati nel citoplasma, che avviene l’assemblaggio della proteina. Il processo di traduzione dell’RNA si basa sull’esistenza di un codice genetico che mette in relazione la sequenza del DNA con la sequenza degli amminoacidi, le unità base delle proteine. Esistono 20 tipi di amminoacidi (leucina, glicina, metionina…). Una sequenza di tre nucleotidi è detta codone e codifica l’informazione per un singolo amminoacido. Il codice è ridondante: più codoni possono codificare per lo stesso amminoacido. Un esempio per chiarire: sia il codone AAA che il codone AAG codificano per la lisina, ma sia il codone AAA sia il codone AAG codificano solo per la lisina. Esistono 3 codoni di stop, che segnalano la fine della sequenza codificante. Gli amminoacidi arrivano nel ribosoma trasportati dai tRNA. Una porzione del tRNA (anticodone) si appaia al codone corrispondente e permette che sia il corretto amminoacido a legarsi alla catena di amminoacidi nascente. Mutazioni nella sequenza nucleotidica portano a mutazioni nella sequenza amminoacidica della proteina.
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Fasi della Traduzione
- Inizio della traduzione: il sito A accoglie il tRNA con l'amminoacido associato (l'amminoacil-tRNA) e permette il riconoscimento tra codone (dell'mRNA) e anticodone (del tRNA).
- Allungamento del polipetide: nel sito P, se il legame è corretto, avviene il legame peptidico tra l’amminoacido associato al tRNA e la proteina in formazione. Fase di allungamento: il filamento scorre lungo il ribosoma e vengono lette tuttE le triplette che richiamano gli anticodoni e gli amminoacidi corrispondenti che poi si legano fra loro e l RNA t si allontana.
- Terminazione della traduzione: nel Sito E (da exit, uscita) il tRNA, ormai privo dell'amminoacido, può lasciare il ribosoma. Codoni specifici come UAA, UAG e UGA segnalano al ribosoma che la traduzione deve terminare e a questo punto la proteina può essere rilasciata.
Il Codice Genetico: Un Linguaggio Universale e Degenato
Il codice genetico è il motore che guida la sintesi delle proteine, guidando il processo a partire da come viene organizzata l'informazione nel DNA, passando dalla copia temporanea di mRNA. Due aspetti fondamentali del codice genetico sono la sua universalità e la sua degenerazione. È definito universale perché è presente e viene usato in tutti gli organismi viventi con piccole eccezioni. La degenerazione, invece, deriva dal fatto che i 64 codoni possibili (generati dalle quattro basi azotate in triplette) codificano per soli 20 amminoacidi; tre di questi codoni agiscono come segnali di terminazione (UAG, UAA, UGA), mentre i restanti 61 specificano gli amminoacidi. Questa ridondanza implica che più codoni possono codificare per lo stesso amminoacido, un aspetto cruciale del codice genetico.
Catabolismo degli Amminoacidi
Gli aminoacidi derivanti dalla digestione delle proteine di origine interna o alimentare possono essere deaminati ed il loro scheletro carbonioso puo' essere utilizzato per produrre energia. L'ammoniaca derivante dalla deaminazione degli aminoacidi e' tossica e non puo' essere usata per produrre energia; viene invece convertita in urea nel ciclo omonimo ed eliminata con le urine. Nel caso degli aminoacidi diversi dall'acido glutamico il meccanismo piu' comune di deaminazione avviene in due passaggi: prima una amino transferasi specifica trasferisce il gruppo aminico dall'aminoacido in questione all'acido α - chetoglutarico (un metabolita del ciclo di Krebs); i prodotti di questa reazione sono il chetoacido corrispondente all'aminoacido e l'acido glutamico. Nel secondo passaggio l'acido glutamico prodotto viene deaminato dalla glutamico deidrogenasi. In ogni caso, alla fine di questo processo i prodotti sono α - chetoacidi e ammoniaca.
Il Ciclo dell'Urea
Il ciclo dell'urea e' un percorso catabolico dissimilatorio, il cui fine non e' produrre energia ma utilizzare l'ammoniaca prodotta nel corso del metabolismo degli aminoacidi per sintetizzare l'urea, molecola che viene finalmente escreta nelle urine. Tutti gli animali assorbono con la dieta aminoacidi in eccesso rispetto al loro fabbisogno; questi vengono deaminati, trasformati in acetil-CoA ed avviati al ciclo di Krebs. L'ammoniaca derivante dalla deaminazione degli aminoacidi e' tossica e deve essere eliminata. Il ciclo dell'urea inizia con la biosintesi del carbamil-fosfato a partire da ammoniaca e bicarbonato; la reazione, catalizzata dalla carbamilfosfato sintetasi consuma due molecole di ATP. L'enzima ornitina carbamil transferasi combina tra loro una molecola di ornitina e una di carbamilfosfato per sintetizzarne una di citrullina (reazione 1; ornitina e citrullina sono due aminoacidi non proteici). La argininsuccinato sintetasi utilizza citrullina e acido aspartico (un aminoacido proteico) per produrre acido argininosuccinico, con consumo di ATP (reazione 2). L'arigininosuccinato liasi rompe l'acido argininosuccinico per produrre acido fumarico e arginina (altro aminoacido proteico; reazione 3); ed infine l'arginasi degrada l'arginina in ornitina ed urea. I due atomi di azoto della molecola di urea vengono uno dall'ammoniaca ed uno dall'acido aspartico.
Catabolismo dei Residui degli Amminoacidi
Il chetoacido che risulta dalla deaminazione dell'aminoacido puo' essere convertito in uno zucchero o suo derivato (aminoacidi "glicogenici" o in un acido grasso o suo derivato (aminoacidi "lipogenici"). La maggioranza degli aminoacidi e' glicogenica: ad esempio la deaminazione dell'alanina produce acido piruvico (cfr. glicolisi), quella dell'acido glutammico acido ossalacetico (cfr. ciclo di Krebs); quella dell'acido aspartico acido ossalacetico (cfr. ciclo di Krebs); etc. Pochi aminoacidi sono lipogenici: ad es. leucina e lisina. In genere le vie cataboliche e le transaminazioni sono reversibili e quindi consentono non soltanto la degradazione ma anche la biosintesi degli aminoacidi, se necessaria all'organismo.
Catabolismo di Specifici Amminoacidi
- Acido aspartico, asparagina acido ossalacetico (ciclo di Krebs) -> ac.
- Acido glutamico, glutamina acido alfa chetoglutarico (ciclo di Krebs) -> ac.
- Arginina, Prolina, Istidina acido glutamico -> alfa chetoglutarico (ciclo di Krebs) -> ac.
- Lisina acetil-CoA (ciclo di Krebs) + ac.
- Leucina acetil-CoA (ciclo di Krebs) + ac.
- Fenilalanina, Tirosina acetil-CoA (ciclo di Krebs) + ac.
- Triptofano alanina + ac.
Catabolismo di Glicina, Alanina, Serina, Cisteina, Arginina, Prolina e Istidina
La glicina puo' essere metabolizzata attraverso tre percorsi metabolici distinti: transaminazione ad acido gliossalico (che viene ossidato ad ac. I chetoacidi derivanti da alanina, asparagina, acido aspartico, glutamina ed acido glutamico sono metaboliti adatti per il ciclo di Krebs: infatti dall'alanina si ottiene ac. piruvico, da asparagina ed aspartico ac. ossalacetico, da glutamina e ac. glutamico ac. I chetoacidi che derivano dagli aminoacidi contenenti il gruppo OH (serina e treonina) sono cheto- idrossi- acidi ed hanno un metabolismo particolare. Dalla serina si ottiene ac. 3-idrossi 2-cheto propanoico che viene ridotto ad ac. glicerico e fosforilato con consumo di ATP ad ac. 3 fosfoglicerico; di qui in poi si segue il percorso della glicolisi fino all'ac. piruvico. La cisteina puo' venire degradata per tre vie, due delle quali portano all'ac. piruvico con eliminazione di ac. solfidrico o di ac. L'arginina viene degradata dall'arginasi a urea e ornitina; l'ornitina, se non necessaria per il ciclo dell'urea puo' essere transaminata e ossidata fino ad ac. glutamico e poi ad α - chetoglutarico. Anche la prolina, come l'arginina e l'istidina viene convertita in glutamico.
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Catabolismo degli Amminoacidi Ramificati e Aromatici
Lo scheletro carbonioso degli aminoacidi ramificati (valina, leucina, isoleucina) non puo' essere facilmente inserito nelle vie metaboliche usuali (glicolisi, ciclo di Krebs); il metabolismo di questi aminoacidi richiede una serie di decarbossilazioni, isomerizzazioni e rotture della molecola che rimuovano le ramificazioni. Il metabolismo del triptofano e' complesso e forma inizialmente la kinurenina; questa viene convertita in un derivato dell'acido antranilico e poi in carbossimuconato semialdeide. Dalla carbossimuconato semialdeide e' possibile ottenere l'acido chinolinico, un precursore della nicotinamide; la via biosintetica pero' e' inefficiente e pertanto insufficiente ai fabbisogni dell'organismo: per questo la nicotinamide è una vitamina, che deve essere fornita dalla dieta. In massima parte la carbossimuconato semialdeide viene convertita in ac.alfa-chetoadipico e quest'ultimo in acetil-CoA. Tirosina e fenilalanina devono essere considerate insieme in quanto l'una puo' essere convertita nell'altra e viceversa. La tirosina viene quindi convertita in ac. fumarico (un metabolita del ciclo di Krebs) e in acido acetoacetico (che poi viene trasformato in due molecole di acetil-CoA). Due metaboliti importanti di questa via metabolica sono l'ac. fenilpiruvico e l'ac.
Catabolismo della Metionina
Il catabolismo della metionina e' peculiare in quanto passa per la produzione di S-adenosil-metionina, un coenzima che agisce come donatore/trasportatore di gruppi metilici. La S-adenosil-metionina puo' poi essere degradata separandone i componenti e restituisce omocisteina.
Considerazioni Conclusive sul Catabolismo
Quando la dieta contiene un eccesso di aminoacidi, o in condizioni di denutrizione, nelle quali si ha riassorbimento di proteine strutturali (spec. actomiosina dal tessuto muscolare), tutti gli aminoacidi possono essere degradati per produrre energia, attraverso il ciclo di Krebs, o per produrre glucosio, attraverso la gliconeogenesi. La maggioranza degli aminoacidi va incontro a trasformazioni che, dopo deaminazione, convertono la struttura carboniosa della molecola in ossalacetato/piruvato (poiche' queste due molecole sono tra loro interconvertibili grazie agli enzimi piruvato carbossilasi e fosfoenolpiruvato carbossichinasi non ha senso tenerle distinte). Tutti gli aminoacidi dalla cui degradazione e' possibile ottenere ossalacetato/piruvato sono definiti glicogenici in quanto da ossalacetato/piruvato si puo' ottenere glucosio mediante la gliconeogenesi. Soltanto due aminoacidi, lisina e leucina, vengono convertiti ad acetil-CoA senza passare per la coppia ossalacetato/piruvato: questi sono chiamati lipogenici, perche' l'acetil-CoA, oltre a poter entrare nel ciclo di Krebs, puo' essere usato per la biosintesi dei lipidi, essendo il precursore sia degli acidi grassi che del colesterolo. Cinque aminoacidi, che includono i tre aromatici (tirosina, fenilalanina e triptofano) sono sia lipogenici che glicogenici in quanto dalla loro degradazione si ottiene sia acetil-CoA che ossalacetato/piruvato. E' importante considerare a parte il caso degli aminoacidi che vengono convertiti in propionil-CoA (valina, metionina, isoleucina): questa molecola infatti viene convertita in succinil-CoA e poi in ossalacetato nel ciclo di Krebs.
Importanza della Natura Glicogenica o Lipogenica
Per quale motivo si da tanta importanza alla natura glicogenica o lipogenica di un metabolita? Come e' spiegato qui sotto, i composti lipogenici non possono produrre altro che lipidi (o essere bruciati nel ciclo di Krebs); i composti glicogenici invece possono essere usati per produrre sia lipidi che glicidi che altri aminoacidi ed hanno quindi un valore nutrizionale maggiore.
Catabolismo e Produzione di Energia
Il catabolismo dei nutrienti finalizzato alla produzione di energia avviene principalmente attraverso il ciclo di Krebs, il quale richiede come metaboliti iniziali ac. ossalacetico e acetil-CoA. Gli zuccheri possono produrre entrambe queste sostanze: l'ac. ossalacetico grazie alla piruvico carbossilasi, l'acetil-CoA grazie alla piruvico deidrogenasi (o decarbossilasi). Gli acidi grassi producono soltanto acetil-CoA e quindi non possono essere ossidati in assenza di una qualche sorgente di ac. ossalacetico (anche in minima quantita'), necessaria a compensare le eventuali sottrazioni di metaboliti del ciclo (ad es. di ac. α - chetoglutarico). Gli aminoacidi, una volta deaminati possono produrre acetil-CoA e varie possibili sorgenti di ac. ossalacetico (piruvico, ossalacetico, α - chetoglutarico, etc.). E' molto importante considerare quali percorsi catabolici siano reversibili e quali irreversibili: infatti la reversibilita' condiziona la possibilita' di convertire un metabolita in un altro e un nutriente in un altro. Si osserva in questo schema che i lipidi sono metaboliti "poveri" che possono essere usati per produrre energia (come acetil-CoA) ma non possono essere usati per la biosintesi di nient'altro: infatti non esiste nell'organismo umano una acetil-CoA carbossilasi che possa convertire questo metabolita in ac. piruvico. Pertanto non e' possibile utilizzare le nostre riserve di grasso per produrre zuccheri o aminoacidi.
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