La sintesi proteica, nota anche come traduzione, è il processo attraverso il quale le cellule viventi producono proteine a partire dall'informazione genetica contenuta nella sequenza nucleotidica dell'mRNA (RNA messaggero) e quindi del DNA da cui l'mRNA è stato precedentemente codificato. La sintesi proteica avviene nel citoplasma delle cellule dove sono presenti differenti organuli cellulari.
Questo processo è uno dei più conservati in tutti gli organismi viventi ed è il processo cellulare più complesso per numero di componenti e di interazioni molecolari implicate. Impegna una gran parte delle risorse energetiche della cellula.
Infatti, l'apparato di sintesi proteica include, oltre all'mRNA e ai ribosomi, anche più di trenta tipi di tRNA (RNA transfer o di trasferimento), una ventina di enzimi implicati nell'attivazione degli amminoacidi e numerosi fattori proteici necessari per le fasi di inizio, allungamento e terminazione della traduzione.
In una cellula procariotica ci sono circa 20.000 ribosomi e 200.000 molecole di tRNA per tradurre 1000-2000 molecole di mRNA; in complesso, tra il 30 e il 50% del peso secco di una cellula procariotica è dedicato alla sintesi proteica.
Le Fasi della Sintesi Proteica
La sintesi proteica consiste nella costruzione di proteine da parte del ribosoma che, con l'ausilio di altri componenti dell'apparato di traduzione, scorre sull'mRNA decifrandone l'informazione codificata e catalizza l'aggiunta progressiva di amminoacidi, uno alla volta, alla catena proteica nascente.
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L'mRNA viene 'letto' dai ribosomi sempre nella direzione 5′→3′, mentre la proteina viene sintetizzata sempre nella direzione ammino→carbossiterminale. La velocità di allungamento della catena amminoacidica è di circa venti amminoacidi al secondo nei procarioti ed è quasi dieci volte inferiore negli eucarioti.
L'efficienza della produzione di proteine è inoltre aumentata dal fatto che più ribosomi possono legarsi in successione allo stesso mRNA e procedere in fila lungo lo stesso formando così un 'polisoma'.
Componenti Essenziali della Sintesi Proteica
I principali componenti dell'apparato di traduzione sono:
- Ribosomi: Macchinari molecolari che sintetizzano le proteine decodificando l'informazione portata dall'mRNA.
- tRNA (RNA di trasferimento): Molecole che trasportano gli amminoacidi ai ribosomi e interagiscono con l'mRNA tramite anticodoni.
- mRNA (RNA messaggero): Molecole che contengono le informazioni genetiche per la sintesi delle proteine.
Il Ruolo dei Ribosomi
I ribosomi sono delle 'macchinette' molecolari che sintetizzano le proteine decodificando l'informazione portata dall'mRNA. Nonostante alcune differenze di grandezza e composizione che si riscontrano tra ribosomi di varie specie, le loro struttura e funzione sono rimaste altamente conservate durante l'evoluzione. Tutti i ribosomi procariotici ed eucariotici sono particelle ribonucleoproteiche, cioè sono composti da RNA e proteine assemblati a costituire due subunità ribosomali distinte, una maggiore e una minore.
I ribosomi e le loro subunità vengono generalmente denominati in base alla loro velocità di sedimentazione, misurata mediante ultracentrifugazione ed espressa in unità Svedberg. Così i ribosomi procariotici vengono chiamati 70S perché hanno una velocità di sedimentazione di 70 Svedberg, mentre quelli citoplasmatici eucariotici, che sono un po' più grandi e sedimentano più velocemente, vengono chiamati 80S.
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I ribosomi procariotici 70S sono costituiti dalle due subunità chiamate 50S e 30S, e quelli eucariotici 80S dalle subunità 60S e 40S. Ciascuna subunità è costituita da una o più molecole di rRNA e da numerose r-proteine (proteine ribosomali).
Struttura del Ribosoma
La subunità 30S dei ribosomi procariotici contiene l'rRNA 16S costituito da circa 1540 nt (nt = nucleotidi) e 21 r-proteine diverse (chiamate S1, S2, S3, ecc.), mentre la subunità 50S contiene l'rRNA 23S (2900 nt), il piccolo RNA ribosomale 5S (120 nt) e 34 r-proteine (chiamate L1, L2, L3, ecc.). Nel complesso la massa del ribosoma procariotico è di circa 2500 kDa ed è costituita per circa metà da RNA e metà da proteine.
Il ribosoma eucariotico è simile a quello procariotico, ma ha rRNA più lunghi, un numero maggiore di proteine e di conseguenza anche una massa maggiore, pari a circa 4200 kDa.
Le cellule eucariotiche contengono, oltre ai tipici ribosomi 80S citoplasmatici, anche ribosomi all'interno dei mitocondri e, nel caso delle piante, anche nei cloroplasti. Questi ribosomi sono per vari aspetti più simili ai 70S procariotici che non agli 80S eucariotici, a ricordarci l'origine di questi organelli come endosimbionti procariotici.
Il numero di ribosomi per cellula è molto variabile a seconda del tipo di cellula e delle sue condizioni di crescita.
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Siti di Legame del Ribosoma
Il ribosoma contiene siti di legame per gli altri componenti dell'apparato di traduzione, l'mRNA e il tRNA, e per la catena proteica nascente.
La subunità minore del ribosoma contiene un canale in cui scorre l'mRNA, mentre il sito di uscita della catena peptidica nascente è costituito da un tunnel che attraversa la subunità maggiore.
Ci sono tre siti di legame per tRNA: il sito A (amminoacilico o accettore) che lega il tRNA amminoacilato in ingresso, il sito P (peptidilico) che lega l'ultimo tRNA entrato e porta la catena peptidica nascente, e il sito E (exit) che lega il tRNA ormai scarico che deve essere rilasciato. I siti A e P si trovano all'interfaccia tra le due subunità, cosicché ciascuno di essi è composto di due emisiti, uno nella subunità minore e uno nella subunità maggiore del ribosoma.
I tRNA sono posizionati in modo che gli anticodoni si possano appaiare con i codoni dell'mRNA nella subunità minore del ribosoma, in quello che viene chiamato 'centro di decodificazione'.
Il Ruolo del tRNA
Verso la fine degli anni Cinquanta del Novecento Francis Crick ipotizzò l'esistenza di 'adattatori' molecolari in grado di riconoscere da una parte i codoni (triplette di nucleotidi) del messaggio genetico e dall'altra parte gli specifici amminoacidi da inserire nella sequenza delle proteine. Negli stessi anni era stata scoperta una classe di piccole molecole di RNA, che si rivelarono presto essere gli adattatori ipotizzati e che sono ora chiamati tRNA (RNA transfer o di trasferimento).
In ogni cellula esiste almeno un tipo di tRNA per ciascuno dei venti tipi di amminoacidi utilizzati nella sintesi proteica, ma spesso ve ne è più di uno. Tutti i tRNA sono piccole molecole costituite da una sequenza di 75÷90 nt. Alcune regioni della sequenza sono conservate nei diversi tRNA, altre sono specifiche per ciascuno di essi.
La struttura secondaria a trifoglio di tutti i tRNA è ripiegata su sé stessa. In effetti i tRNA non possono da soli svolgere il ruolo di adattatori molecolari ipotizzato da Crick. Infatti, mentre essi sono in grado di riconoscere direttamente (seppure con l'aiuto del ribosoma) il codone mediante interazioni specifiche codone-anticodone, non hanno però alcuna diretta affinità specifica per gli amminoacidi che devono caricare.
Amminoacil-tRNA-sintetasi
Come i tRNA, le amminoacil-tRNA-sintetasi sono come minimo venti, essendone necessaria almeno una per ciascun tipo di amminoacido. Ogni amminoacil-tRNA-sintetasi è capace di riconoscere specificamente sia l'amminoacido sia il corrispondente tRNA e catalizza poi la formazione di un legame esterico ad alta energia tra il gruppo carbossilico dell'amminoacido e il gruppo ossidrilico 2′ o 3′ dell'adenosina, che costituisce l'estremità 3′ del tRNA. Questa energia di legame è molto importante perché verrà utilizzata successivamente per la formazione del legame peptidico nel corso della sintesi proteica; essa è derivata dall'idrolisi di una molecola di ATP al momento dell'attivazione dell'amminoacido da parte dell'amminoacil-tRNA-sintetasi stessa.
Questa doppia reazione è molto complessa anche perché è essenziale, per l'accuratezza della sintesi delle proteine, che ogni tRNA sia caricato correttamente con l'amminoacido corrispondente.
Il Ruolo dell'mRNA
Nel loro fondamentale lavoro del 1961 sulla regolazione dell'operone lattosio, François Jacob e Jacques Monod esclusero, sulla base di dati sperimentali, che l'rRNA (l'RNA strutturale dei ribosomi) con la sua grande stabilità metabolica potesse svolgere il ruolo di portatore dell'informazione per la sintesi delle proteine e ipotizzarono, quindi, l'esistenza di una distinta classe di molecole di RNA metabolicamente instabili, che chiamarono 'RNA messaggero', la cui vita media molto breve permettesse alla cellula di rispondere rapidamente ai cambiamenti ambientali adattando la produzione di proteine alle esigenze del momento.
Così, delle tre classi di RNA coinvolte nella sintesi proteica, l'mRNA è quello che è stato scoperto per ultimo, anche perché più difficile da isolare e analizzare rispetto agli altri due componenti, rRNA e tRNA. Infatti, l'mRNA rappresenta quantitativamente una bassa percentuale degli RNA cellulari (2÷5% rispetto all'80% di RNA ribosomale e al 15% di tRNA).
Tutti gli mRNA di tutte le cellule procariotiche ed eucariotiche hanno almeno una regione codificante, cioè una serie di triplette di nucleotidi (codoni) che determinano l'ordine degli amminoacidi nella proteina sintetizzata seguendo le regole di corrispondenza codone/amminoacido del codice genetico. Inoltre, negli mRNA sono presenti anche regioni non codificanti (UTR, Untranslated region) che si trovano all'inizio (estremità 5′) e alla fine (estremità 3′) della molecola, e in alcuni casi anche all'interno della sequenza.
Gli mRNA procariotici possono essere policistronici, cioè possono essere il prodotto della trascrizione di più geni adiacenti nel genoma (operoni) e codificare quindi per più proteine. In tal caso questi mRNA contengono, oltre a una 5′UTR all'estremità 5′ e una 3′UTR all'estremità 3′, anche una o più regioni non codificanti intergeniche (usualmente piuttosto corte, al massimo di qualche decina di nucleotidi), che separano le regioni che codificano per le varie proteine.
Gli mRNA eucariotici sono invece quasi sempre monocistronici, cioè ogni mRNA codifica per una sola proteina essendo costituito da una 5′UTR seguita dalla regione codificante e poi da una 3′UTR.
Un'altra caratteristica degli mRNA eucariotici è costituita dalla presenza di modificazioni delle due estremità 5′ e 3′, modificazioni che avvengono nel nucleo e che rientrano nei processi di maturazione degli mRNA, prima che questi vengano trasportati nel citoplasma. In particolare, l'estremità 5′ è protetta da una struttura chiamata 5′Cap (cappuccio), formata da una base insolita (m7G, cioé Guanina metilata in posizione 7) unita, con un particolare legame fosfodiesterico 5′-5′ trifosfato, al primo nucleotide dell'mRNA. L'estremità 3′ degli mRNA eucariotici è estesa da una coda di poli(A), cioè una sequenza di circa duecento adenine che vengono aggiunte da uno specifico complesso enzimatico al momento della terminazione della trascrizione. Ambedue queste modificazioni, 5′Cap e poli(A) al 3′, non soltanto proteggono le estremità degli mRNA da attacchi esonucleolitici, ma possono anche svolgere un ruolo importante nella traduzione.