Ogni cellula eucariote custodisce nel DNA presente nel nucleo le istruzioni necessarie per sintetizzare le proteine, le "tuttofare" del nostro organismo. Queste molecole, straordinariamente versatili, vengono assemblate grazie alla sintesi proteica, il processo biochimico attraverso il quale l'informazione genetica contenuta nel mRNA viene convertita in proteine.
La sequenza di nucleotidi (ATCG) del DNA contiene l'informazione genetica che viene temporaneamente copiata nell'RNA (AUCG) - trascrizione - e, successivamente, grazie al codice genetico viene poi tradotta in una sequenza di amminoacidi - traduzione -, le unità di base che compongono le proteine.
Il Processo di Trascrizione: Da DNA a RNA Messaggero
Il DNA, l'acido desossiribonucleico, è definito la molecola della vita, al suo interno sono contenute tutte le informazioni che ci rendono unici. Possiamo immaginarlo come un libro di istruzioni scritto con un alfabeto di quattro lettere: adenina (A), timina (T), citosina (C) e guanina (G), le basi azotate.
Queste lettere si appaiano specificamente (A con T, C con G) formando una struttura a doppia elica che ricorda una scala a chiocciola. Le 4 lettere formano i "gradini" della scala mentre i "corrimano" sono costituiti da una catena di zuccheri pentosi (deossiribosio) e gruppi fosfato. L'insieme di base azotata, zucchero e gruppo fosfato forma il nucleotide, l'unità monomerica caratteristica degli acidi nucleici.
Ognuno dei due filamento di DNA ha una direzione precisa, come una strada a doppio senso, indicata dalle estremità 5′ e 3′, che riflettono la chimica dello zucchero presente all'estremità del filamento. In questo libro chiamato DNA, sono presenti alcune "frasi" (sequenze di ATCG), i geni, che contengono le istruzioni per costruire le proteine. Queste parti di DNA sono formate da sezioni codificanti, gli esoni, che trasportano le informazioni vere e proprie per la proteina, e sezioni non codificanti, gli introni, che vengono rimossi prima che il messaggio venga tradotto.
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L'informazione, per arrivare ai costruttori delle proteine, i ribosomi, deve passare attraverso un intermediario: l'RNA messaggero (mRNA). Questo avviene tramite la trascrizione, il processo in cui un enzima, una proteina che accelera una reazione chimica, chiamato RNA polimerasi II, legge il DNA e crea una copia temporanea, l'mRNA, formata da un solo filamento. Questo enzima si muove lungo il DNA in direzione 5′ → 3′, costruendo l'mRNA con un alfabeto simile a quello del DNA, ma con una differenza: al posto della T, usa la U (uracile). Quindi, quando legge una A sul DNA, mette una U sull'mRNA, e viceversa e quando legge una C mette una G e viceversa.
DNA e RNA differiscono, oltre che per il numero di filamenti e la lettera U, anche per o zucchero pentoso che li costituisce, infatti, nell'mRNA è presente il ribosio.
Modifiche all'mRNA prima della traduzione:
- Cappuccio all'estremità 5′: un "cappuccio" chimico viene aggiunto all'inizio dell'mRNA per proteggerlo e aiutarlo a legarsi ai ribosomi nella fase successiva.
- Coda di poli-A all'estremità 3′: una lunga coda di adenine (poli-A) viene aggiunta alla fine dell'mRNA, per stabilizzarlo e facilitarne l'uscita dal nucleo.
- Splicing: in questa fase vengono rimossi i tratti di RNA non codificanti (introni) e uniti tra loro i tratti codificanti (esoni), quelli che effettivamente portano le istruzioni per costruire le proteine.
Ora l'mRNA maturo è pronto per lasciare il nucleo e portare il suo messaggio ai ribosomi nel citoplasma, dove verranno costruite le proteine.
La Sintesi Proteica: Cos'è e Come Funziona
La sintesi proteica o traduzione è il passo successivo alla trascrizione, in cui l'informazione contenuta prima del DNA e poi nell'mRNA viene "tradotta" nel linguaggio delle proteine. Proprio come tradurre un testo da una lingua all'altra, la cellula decodifica la sequenza di nucleotidi (A, U, C, G nell'RNA) in una sequenza di amminoacidi.
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Le proteine, infatti, sono polimeri, lunghe catene di amminoacidi a loro volta composti da carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto e talvolta zolfo. Per portare a termine la traduzione, gli amminoacidi non si assemblano in modo autonomo ma la cellula impiega i ribosomi, organelli costituiti da due subunità (una maggiore e una minore) di RNA ribosomiale (rRNA) e proteine.
I ribosomi "leggono" la sequenza di nucleotidi dell'mRNA a gruppi di tre, chiamati codoni, e a ogni codone associano la sequenza complementare, l'anti-codone, presente su un'altra categoria di RNA, i tRNA o RNA di trasporto. L'anti-codone è specifico per un amminoacido, caricato sul tRNA dall'enzima aminoacil-tRNA sintetasi.
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.
- 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.
Facciamo un esempio pratico: il ribosoma scorre l'mRNA e incontra inizialmente il codone di inizio AUG, che codifica per l'amminoacido metionina (Met). Un tRNA specifico, con l'anticodone complementare, si lega al sito A del ribosoma, portando con sé la metionina. Il codone successivo sull'mRNA, ad esempio GUC, specifica l'amminoacido valina (Val). Un altro tRNA, con l'anticodone CAG, si posiziona nel sito A, recando la valina. A questo punto, la metionina, precedentemente legata al tRNA nel sito P, forma un legame peptidico con la valina nel sito A. Il tRNA "scarico" nel sito P si sposta nel sito E e viene rilasciato, mentre il tRNA con la catena peptidica (Met-Val) si trasloca nel sito P. Il sito A è ora libero per accogliere il tRNA corrispondente al codone successivo. Questo processo si ripete, con l'aggiunta sequenziale di amminoacidi alla catena in crescita, finché il ribosoma non incontra un codone di stop (UGA, UAA o UAG) sull'mRNA, segnalando la fine della traduzione e il rilascio della proteina completa.
Ogni codone, quindi, codifica per un particolare amminoacido (o un segnale di inizio o fine della traduzione), determinando così l'ordine preciso in cui gli amminoacidi verranno assemblati per formare la proteina. Il ribosoma deve essere molto preciso, un solo errore può causare la perdita di struttura della proteina e anche della sua funzione.
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Il Codice Genetico: Un Linguaggio Universale e Degenerato
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 Aminoacidi
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 Aminoacidi
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.
Tabella dei Prodotti del Catabolismo di Alcuni Aminoacidi
| Aminoacido | Prodotto del Catabolismo | Destinazione Metabolica |
|---|---|---|
| Acido aspartico, Asparagina | Acido ossalacetico | Ciclo di Krebs |
| Acido glutamico, Glutamina | Acido alfa chetoglutarico | Ciclo di Krebs |
| Arginina, Prolina, Istidina | Acido glutamico -> alfa chetoglutarico | Ciclo di Krebs |
| Lisina | Acetil-CoA | Ciclo di Krebs |
| Leucina | Acetil-CoA | Ciclo di Krebs |
| Fenilalanina, Tirosina | Acetil-CoA | Ciclo di Krebs |
| Triptofano | Alanina | - |
Catabolismo di Glicina, Alanina, Serina, Cisteina, Arginina, Prolina, Istidina e Aminoacidi Ramificati
La glicina puo' essere metabolizzata attraverso tre percorsi metabolici distinti: transaminazione ad acido gliossalico (che viene ossidato ad ac. CATABOLISMO DI ALANINA, ASPARAGINA, AC. ASPARTICO, GLUTAMINA ED AC. GLUTAMICO. I chetoacidi derivanti da questi aminoacidi 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 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. CATABOLISMO DELL'ARGININA.
L'arginina viene degradata dall'arginasi a urea e ornitina (si veda la formula di questo composto nello schema del ciclo dell'urea); 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.
Catabolismo degli Aminoacidi Aromatici e della Metionina
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.
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.
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
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.