La sintesi proteica è un processo biologico attraverso il quale le cellule costruiscono nuove proteine. Questo complesso processo avviene in diverse fasi e coinvolge vari organelli cellulari e molecole. Questo processo è essenziale per la vita, poiché le proteine svolgono una vasta gamma di funzioni all’interno dell’organismo, tra cui la catalisi di reazioni chimiche, il trasporto di molecole e la segnalazione cellulare. La sintesi proteica è un processo fondamentale per la vita cellulare, essenziale per la crescita, la riparazione e il mantenimento delle funzioni cellulari.
La traduzione, uno dei processi più conservati in tutti gli organismi viventi, è il processo cellulare più complesso per numero di componenti e di interazioni molecolari implicate e impegna una gran parte delle risorse energetiche della cellula. Infatti, l'apparato di sintesi proteica include, oltre all'mRNA e ai ribosomi (costituiti da 50-80 diverse proteine e vari RNA ribosomali), anche più di trenta tipi di tRNA (RNA transfer o di trasferimento), una ventina di enzimi implicati nell'attivazione degli amminoacidi, 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. 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.
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'.
I Componenti Chiave della Sintesi Proteica
Già dagli anni 1940-1950 era stata osservata una stretta correlazione tra la quantità di RNA nelle diverse cellule e la loro capacità di sintesi proteica, il che suggeriva un ruolo diretto dell'RNA nella sintesi proteica. Negli anni successivi, l'introduzione dell'uso di radioisotopi (in particolare 14C) per studiare l'incorporazione di amminoacidi nelle proteine di nuova sintesi e l'uso di metodi di microscopia elettronica e di ultracentrifugazione hanno permesso di identificare piccole particelle dense contenenti RNA, in parte libere nel citoplasma e in parte attaccate al reticolo endoplasmatico, che venivano indicate con vari nomi quali 'granuli basofili', 'microsomi', 'nucleoproteine' e altri. Divenne presto chiaro che questo componente particolato rappresentava la sede della sintesi proteica.
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Ribosomi: Le "Macchinette" Molecolari
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. Come schematizzato nella fig. 2, i ribosomi procariotici 70S sono costituiti dalle due subunità chiamate 50S e 30S, e quelli eucariotici 80S dalle subunità 60S e 40S.
Va notato che i valori in S delle subunità non sono additivi rispetto a quelli dei ribosomi interi, perché la velocità di sedimentazione dipende non solo dalle dimensioni ma anche dalla forma e non è quindi una misura della massa. 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. Come si può vedere nella fig. 2, 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. Va detto che 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. Capire a fondo il meccanismo della sintesi proteica comporta la conoscenza dettagliata della struttura dei ribosomi. Quattro decenni di lavoro di numerosi gruppi di ricerca che hanno utilizzato varie tecniche progressivamente più complesse e raffinate, hanno portato nel 2001 alla risoluzione a livello atomico della struttura del ribosoma 70S.
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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. Come indicato nella fig. 4A, 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.
Tabella riassuntiva delle differenze tra ribosomi procariotici ed eucariotici
| Caratteristica | Ribosomi Procariotici | Ribosomi Eucariotici |
|---|---|---|
| Dimensione | 70S | 80S |
| Subunità | 50S e 30S | 60S e 40S |
| rRNA | 16S (30S), 23S e 5S (50S) | 18S (40S), 28S, 5.8S e 5S (60S) |
| r-proteine | 21 (30S), 34 (50S) | Circa 80 |
tRNA: Gli Adattatori Molecolari
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. 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.
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.
mRNA: Il Messaggero Genetico
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.
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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. Come mostrato nella fig. 6A, 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, come mostrato nella fig. 6B, 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 nella regolazione della traduzione.
Le Fasi della Sintesi Proteica
La sintesi proteica è un processo altamente regolato e richiede la cooperazione di numerosi enzimi e altre proteine. Ogni fase del processo è soggetta a controlli rigorosi per garantire che le proteine siano sintetizzate correttamente e nelle giuste quantità.
Trascrizione: Dal DNA all'mRNA
Il DNA, o acido desossiribonucleico, contiene l’informazione genetica necessaria per la sintesi delle proteine. Questa informazione è codificata nella sequenza di basi azotate (adenina, timina, citosina e guanina) che compongono il DNA. La sequenza di basi nel DNA viene trascritta in una sequenza complementare di basi nell’mRNA durante la trascrizione. Questo mRNA poi trasporta l’informazione genetica dal nucleo al citoplasma, dove avviene la traduzione. Il DNA non solo contiene le istruzioni per la sintesi delle proteine, ma anche i segnali che regolano quando e dove queste proteine devono essere sintetizzate.
La trascrizione è il primo passo nella sintesi proteica e avviene nel nucleo della cellula. Durante la trascrizione, l’enzima RNA polimerasi si lega al DNA e inizia a copiare la sequenza di basi di un gene in una molecola di mRNA. L’RNA polimerasi apre la doppia elica del DNA e utilizza una delle due catene come stampo per sintetizzare una catena complementare di mRNA. Una volta completata la trascrizione, l’mRNA subisce diverse modifiche prima di lasciare il nucleo. L’mRNA maturo viene poi trasportato fuori dal nucleo attraverso i pori nucleari e si dirige verso i ribosomi nel citoplasma.
Traduzione: Dall'mRNA alle Proteine
La traduzione è il processo attraverso il quale l’informazione genetica contenuta nell’mRNA viene utilizzata per sintetizzare una catena di aminoacidi, chiamata polipeptide. Durante la traduzione, l’mRNA si lega al ribosoma e viene letto in triplette di basi chiamate codoni. Ogni codone specifica un particolare aminoacido. Il ribosoma catalizza la formazione di legami peptidici tra gli aminoacidi, formando una catena polipeptidica. Questo processo continua fino a quando il ribosoma raggiunge un codone di stop sull’mRNA, che segnala la fine della sintesi proteica. La traduzione è un processo altamente regolato e richiede l’intervento di numerosi fattori proteici e RNA.
Regolazione della Sintesi Proteica
La sintesi proteica è un processo altamente regolato, con numerosi meccanismi di controllo che assicurano che le proteine siano sintetizzate solo quando e dove sono necessarie. La regolazione dell’espressione genica avviene a livello della trascrizione e può essere influenzata da vari fattori, tra cui segnali ambientali, ormoni e altre molecole di segnalazione. La stabilità dell’mRNA è un altro importante punto di controllo. L’mRNA può essere degradato rapidamente o stabilizzato in risposta a vari segnali, regolando così la quantità di proteina sintetizzata.
La regolazione dell’attività dei ribosomi è un ulteriore meccanismo di controllo. Fattori proteici e RNA possono influenzare l’assemblaggio e la funzione dei ribosomi, modulando la velocità e l’efficienza della traduzione. Questi meccanismi di regolazione e controllo sono essenziali per il mantenimento dell’omeostasi cellulare e per la risposta adattativa a cambiamenti ambientali.
Destino delle Proteine Sintetizzate
Le proteine sintetizzate possono avere una vasta gamma di funzioni, a seconda della loro sequenza di aminoacidi e della loro struttura tridimensionale. Le proteine vanno fisiologicamente incontro a processi di denaturazione o di modificazioni chimiche che ne compromettono la funzione (ad es. danni ossidativi). Per questo sono soggette a ricambio: ogni proteina ha una sua vita media al termine della quale viene degradata e scomposta in aminoacidi e questi sono utilizzati per sintetizzare nuove proteine.
Localizzazione delle Proteine
Dal punto di vista della loro biosintesi, proteine intracellulari vengono sintetizzate dai ribosomi citoplasmatici; svolgono la loro funzione nel citoplasma o nel nucleo; sono sintetizzate nello stesso modo anche le proteine mitocondriali e quelle dei perossisomi. Per contro le proteine di membrana o extracellulari sono sintetizzate dai ribosomi associati al Reticolo Endoplasmico Rugoso (RER). Queste proteine possiedono una sequenza aminoacidica segnale N-terminale che viene riconosciuta dal poro del reticolo endoplasmico e associa ad esso il ribosoma. Come risultato la catena polipeptidica nascente si forma nel lume del reticolo endoplasmico. La distinzione dovuta alla sede della biosintesi e' chiaramente insufficiente agli scopi del trasferimento interno della proteina alla sua sede definitiva perche' piu' tipi diversi di proteine condividono lo stesso meccanismo biosintetico. sequenza diacidica (es. sequenza NLS (es. sequenza PTS (es.
Le proteine destinate alla secrezione nell'ambiente extracellulare (o anche quelle destinate a svolgere la loro funzione nella membrana cellulare) presentano una sequenza aminoacidica "leader" all'estremita' amino terminale, che viene sintetizzata per prima. La sequenza leader viene riconosciuta da un poro proteico sulla superficie del reticolo endoplasmico e associa il ribosoma al reticolo gia' durante il processo di traduzione; di conseguenza la proteina viene sintetizzata e al tempo stesso secreta nel lume del reticolo endoplasmico (che diventa rugoso grazie all'associazione dei ribosomi). La sequenza leader puo' poi essere rimossa dopo la biosintesi. Il reticolo endoplasmico forma vescicole contenenti le proteine che migrano attraverso l'apparato di Golgi e successivamente da questo alla membrana cellulare dove la vescicola si fonde e riversa il suo contenuto all'esterno della cellula. Pertanto la secrezione di proteine richiede un traffico intracellulare di vescicole lipidiche, dal RE o dal Golgi alla membrana. Se sono richieste modificazioni post-traduzionali (ad es. glicosilazione) queste vengono in genere effettuate nell'apparato di Golgi.
Degradazione delle Proteine
La principale via di degradazione delle proteine intracellulari passa per il meccanismo della coniugazione con l'ubiquitina. L'ubiquitina e' una piccola proteina (76 residui aminoacidici) altamente conservata. Al termine del processo la proteina che deve essere degradata e' coniugata con molte molecole di ubiquitina attraverso la formazione di legami isopeptidici su residui di lisina. La proteina poli-ubiquitinata viene riconosciuta da un complesso multienzimatico chiamato proteasoma che digerisce la proteina e ne rilascia nel citoplasma gli aminoacidi costituenti. La scelta delle proteine denaturate o comunque destinate alla degradazione e' dovuta alle ubiquitina ligasi. Alcune sequenze segnale all'estremita' aminico terminale (ad es.
Le proteine extracellulari sono soggette anch'esse a turnover e in genere il turnover avviene mediante ricaptazione selettiva da parte di varie cellule, mediante processi di endocitosi, pinocitosi o endocitosi mediata da recettore. In questo modo la proteina entra nella cellula all'interno di una vescicola (endosoma primario) che va incontro a fusione con altre vescicole, sempre derivate dal reticolo endoplasmico, contenenti gli enzimi digestivi (lisosomi).
Endocitosi Mediata da Recettore
Un caso particolare di traffico proteico si osserva per quelle proteine che possiedono uno specifico recettore sulla membrana della cellula bersaglio; ad esempio la transferrina, principale proteina di trasporto del ferro. In questi casi la proteina si combina con il suo recettore di membrana e induce un cambiamento conformazionale che si riflette sulla struttura della porzione citoplasmatica del recettore; spesso il cambiamento conformazionale e' mediato dalla dimerizzazione del recettore che e' monomerico in assenza della proteina segnale e dimerico in sua presenza.
A causa del cambiamento conformazionale il recettore acquisisce la capacita' di combinarsi con una specifica proteina citoplasmatica, la clatrina. La diffusione laterale dei recettori combinati con la clatrina, e la capacità di autoaggregarsi della clatrina porta al raccogliersi dei recettori in una regione definita della membrana, la fossetta rivestita (di clatrina, coated pit), che si trasforma per endocitosi in una vescicola rivestita (coated vesicle).
Sintesi delle Proteine Mitocondriali
Il mitocondrio (e il cloroplasto) costituisce un caso particolare: soltanto la minoranza delle proteine mitocondriali e' codificata dal genoma mitocondriale: la maggior parte viene sintetizzata dalla cellula nel citoplasma ed importata nel mitocondrio con meccanismi che richiedono ATP e che differiscono a seconda della destinazione finale della proteina importata.
Implicazioni delle Mutazioni
Le mutazioni nel DNA possono influenzare la sintesi proteica in vari modi. Ad esempio, una mutazione in un gene può alterare la sequenza di aminoacidi di una proteina, compromettendone la funzione. Oppure, una mutazione nella sequenza di mRNA può cambiare l’amminoacido specifico, codificato in quella posizione della catena polipeptidica. Questo cambiamento può influire sulla capacità della proteina di funzionare o di ripiegarsi correttamente.