I ribosomi sono grandi particelle ribonucleoproteiche, formate da RNA e proteine, responsabili della traduzione del codice genetico. I ribosomi, particelle costituite da RNA e proteine, sono deputati alla sintesi proteica.
Il Ruolo del Ribosoma nella Sintesi Proteica
Nel modello standard della Bio-genetica la traduzione dei codici genetici, che converte in Proteine la informazione del m.RNA , viene vista attuarsi per tramite un contatto molecolare, del tipo “Chiave - Serratura”. Nel modello Bioquantico compito dell’m-RNA, rimane di trasferire i codici di istruzione per la produzione delle Proteine e per questo scopo si chiama ancora “messaggero”. L’RNA, o acido ribonucleico, è cruciale per il funzionamento delle nostre cellule. La sua funzione più conosciuta è quella di RNA messaggero (mRNA): prende le informazioni contenute nel DNA, che si trova nel nucleo, e le porta nel citoplasma, dove vengono usate per costruire le proteine grazie ai ribosomi.
Un RNA messaggero (mRNA), contenente la sequenza nucleotidica codificante l'informazione relativa a una o più proteine, si lega al ribosoma e ogni codone, costituito da una tripletta di nucleotidi, viene riconosciuto dalla tripletta dell' anticodone appartenente a un corrispondente RNA di trasporto (tRNA). I ribosomi sono le macchine che effettivamente producono, fabbricano le proteine. Essi sono come delle stampanti di proteine. Ma come arrivano le istruzioni del nucleo (DNA) ai ribosomi? Se penso ad un computer farei così: copio le istruzioni su una chiavetta, la collego alla stampante e essa riceve le istruzioni, per poi tradurle in un formato cartaceo. La funzione della chiavetta è svolta nella cellula da un 2° acido nucleico, ovvero l’RNA. L’RNA è una molecola che codifica un gene. La cellula è in grado di copiare il DNA in una molecola di RNA messaggero. Questo arriva al ribosoma e vi si inserisce. Il ribosoma a questo punto legge le informazioni dell’RNA messaggero e le traduce in proteine.
La catena polipeptidica della proteina si assembla mediante la formazione di legami peptidici tra gli amminoacidi che sono legati a tRNA adiacenti nel ribosoma; questa reazione è catalizzata da una regione del ribosoma che possiede attività enzimatica, denominata peptidiltransferasi. L'mRNA e i tRNA si spostano sul ribosoma mediante un processo chiamato traslocazione. Fattori proteici differenti sono necessari in vivo per lo svolgimento delle fasi di inizio, allungamento e terminazione della traduzione. Alcuni di questi fattori sfruttano l'energia derivante dall'idrolisi del GTP.
Di notevole importanza sono state numerose osservazioni che hanno dimostrato che i tre passaggi chiave della traduzione (riconoscimento del codone, azione della peptidiltransferasi e traslocazione) sono da ascrivere all'azione del ribosoma stesso; ne consegue che la comprensione dei meccanismi molecolari alla base della traduzione non può prescindere dalla conoscenza della struttura del ribosoma e del modo in cui tale struttura è articolata per esplicare queste tre funzioni.
Leggi anche: Castagne Bollite: Valori Nutrizionali
Struttura e Composizione del Ribosoma
I ribosomi sono piccole particelle, composte da RNA e proteine. Presenti in tutte le cellule in cui abbia luogo la sintesi proteica, si compongono di due subunità, una delle quali leggermente più grande dell'altra, per la cui adesione è necessaria la presenza di magnesio.
L'architettura molecolare dei ribosomi è vasta e complessa tanto quanto la sequenza dei passaggi molecolari che ne regola l'assemblaggio. Nel corso degli ultimi decenni sono stati fatti grandi progressi nella conoscenza della struttura e della funzione di queste particelle, e questo articolo si prefigge il compito di riassumere i punti fondamentali dell'attuale stato delle conoscenze.
La prima metà di questo articolo è dedicata alla struttura del ribosoma iniziando, nelle prime due sezioni, dalla discussione delle caratteristiche dei suoi componenti molecolari: le proteine ribosomali (r-proteine) e l'RNA ribosomale (rRNA); una volta esposte le caratteristiche di ripiegamento delle macromolecole che compongono il ribosoma, ne sarà discussa la struttura tridimensionale. Nella terza sezione sono state riassunte le interazioni tra RNA e proteine all'interno del ribosoma. L'architettura ribosomale, così come la conosciamo oggi, è presentata nella quarta sezione che include la morfologia generale delle due subunità del ribosoma di E. coli, la posizione di specifiche proteine e quella di regioni dell'RNA all'interno della struttura stessa. La quinta sezione mette in relazione i dati sulla morfologia, sulla struttura secondaria dell'rRNA e sull'assemblaggio tra r-proteine e rRNA per chiarire come, partendo da approcci differenti, si sia arrivati a un modello della struttura della subunità ribosomale 30S.
La seconda metà dell'articolo è presentato il processo della traduzione alla luce delle più recenti conoscenze sulla struttura del ribosoma, con particolare riferimento ai tre passaggi che risultano cruciali per la meccanica di tale processo: la selezione accurata dell'amminoacil-tRNA corretto, la traslocazione del tRNA nel ribosoma e il processo catalitico che porta alla formazione del legame peptidico.
Proteine Ribosomali (r-proteine)
La complessità strutturale del ribosoma si rese evidente fin dai primi studi effettuati sulle r-proteine. Nel 1964 IP. Waller, mediante elettroforesi su gel d'amido delle proteine della subunità 30S e 50S di E. coli, rilevò la presenza di dozzine di bande proteiche. L'ipotesi che queste corrispondessero ad altrettante singole differenti specie proteiche fu accolta con una certa dose di scetticismo a causa dell'elevata complessità strutturale, senza precedenti fino a quel momento, che ciò avrebbe comportato. l successivi studi di caratterizzazione biochimica e bio fisica, eseguiti sulle proteine purificate, stabilirono infine con certezza che le bande osservate rappresentavano singole specie proteiche differenti per dimensioni, estremità amminoterminali e sequenza amminoacidica (Traut et al., 1967). Attualmente si ritiene che il ribosoma di E. coli contenga circa 52 proteine diverse di cui 21 localizzate nella subunità 30S e circa 31 nella 50S (Wittmann, 1982).
Leggi anche: Mandorle: Valori Nutrizionali
La purificazione delle r-proteine è stata solitamente effettuata grazie alla cromato grafia a scambio cationico in urea 6M, seguita da gel-filtrazione (Wittmann, 1974). Poiché le r-proteine sono state isolate indipendentemente in vari laboratori, sono state adottate nomenclature differenti che hanno ulteriormente aumentato la già elevata complessità di questi studi. A un certo punto, la tecnica dell'elettroforesi su gel è stata adottata consensualmente da tutti (Kaltschmidt e Wittmann, 1970) e il suo impiego ha portato alla distinzione delle r-proteine in proteine della subunità piccola (30S), chiamate SI, S2, S3 .... S21 (S dall'inglese small, piccolo) e in proteine della subunità grande (50S), chiamate Ll, L2 .... L36 (L da large, grande). Questo metodo di identificazione delle proteine di E.
Dopo la purificazione e la caratterizzazione delle proteine, si pose un altro importante quesito: la possibilità che i ribosomi non avessero la stessa composizione proteica ma che, al contrario, esistessero classi differenti di ribosomi dotati di strutture differenti ed eventualmente con funzioni differenti. La stechiometria delle r-proteine è difficile da determinare a causa dell'elevata facilità con cui queste si dissociano dalle particelle durante i processi di purificazione del ribosoma, in particolare se in presenza di elevate concentrazioni di sale. Oggi si è generalmente concordi nel ritenere che tutte le rproteine e le molecole di RNA sono presenti in un rapporto stechiometrico di 1:1, tranne nel caso della proteina L7/L12 di cui sono presenti 4 copie per ogni ribosoma (Hardy, 1975; Subramanian, 1975). Ciò implica che tutti i ribosomi funzionali hanno strutture equivalenti e che, probabilmente, non esistono 'ribosomi specializzati' in E. coli. Studi di ricostituzione in vitro (Held et al., 1973) avvalorano questa ipotesi: le proteine che legano l'RNA raggiungono la saturazione di legame quando il loro rapporto stechiometrico, rispetto alI'RNA stesso, è di 1: 1 (Zimmermann, 1980).
È stata determinata la sequenza di tutte le proteine ribosomali di E. La tabella (tab. I) riporta un confronto tra le masse molecolari delle r-proteine, il cui valore medio è di 14,8 kDa. Oltre alle ridotte dimensioni, queste proteine sono generalmente alquanto basi che, a causa della presenza di un 20% di residui di lisina e di arginina, come del resto ci si aspetta da proteine coinvolte nella formazione di complessi stabili con l'RNA. Una volta ottenute tutte le sequenze delle 52 r-proteine, la complessità della struttura del ribosoma è diventata ancora più evidente: ricerche effettuate con l'ausilio di elaboratori hanno mostrato che le omologie di sequenza tra le diverse r-proteine sono sorprendentemente basse (Wittmann e Wittmann-Liebold, 1974; Wittmann et al., 1980). Sebbene sia difficile escludere la possibilità di omologie non rilevabili delle sequenze proteiche, questo risultato sembra suggerire un'origine evolutivamente indipendente per ciascuna delle r-proteine o, al massimo, una divergenza evolutiva molto precoce a partire da un progenitore comune. Questo punto di vista è in accordo con l'ipotesi che il ribosoma si sarebbe originato da una struttura composta principalmente, se non esclusivamente, da RNA (Noller e W oese, 1981; Noller 1993; v. oltre). È facile a questo punto supporre il processo graduale con il quale, nel corso dell'evoluzione, si sarebbero aggiunte le singole r-proteine migliorando progressivamente l'efficacia dei meccanismi di assemblaggio e traduzione.
Per quanto riguarda le forme delle r-proteine, alcuni studi hanno messo in evidenza strutture prevalentemente allungate, altri forme più compatte e globulari (Liljas, 1982). Questo è un problema di difficile soluzione poiché la struttura che conta è quella della r-proteina nella sua forma funzionalmente attiva, cioè quella che la r-proteina ha quando è inserita nel complesso ribosomale. Alla luce di questo si capisce bene come perfrno le strutture ottenute per analisi ai raggi X dei cristalli proteici (v. oltre) possano far pensare che la proteina, una volta assemblata nel ribosoma, possa avere una conformazione diversa. Non essendo possibile ottenere immagini ad alta risoluzione delle strutture cristalline dei ribosomi stessi, l'unica tecnica che permette di avvicinarsi al problema in modo più diretto è lo studio di scattering neutronico.
V. Ramakrishnan e M. Capel, con altri ricercatori, hanno per primi determinato i raggi di girazione di numerose proteine della subunità ribosomale 30S (Ramakrishnan et al., 1984). Anche se l'interpretazione dei dati ottenuti è notevolmente limitata dall'incertezza che circonda le misurazioni effettuate, i risultati ottenuti per molti raggi di girazione sembrano far propendere per una forma globulare delle r-proteine anche se, per le proteine SI, S4 e S8, i dati suggeriscono una struttura più allungata.
Leggi anche: Uova: calorie e benefici
Come sarà esposto più avanti, le numerose difficoltà di natura tecnica, dovute alle notevoli dimensioni e alla complessità strutturale del ribosoma, hanno frenato sensibilmente l'analisi cristallo grafica della struttura del ribosoma intatto. Inoltre, non pochi sono stati i problemi incontrati nel tentativo di ottenere cristalli di singole r-proteine, sebbene quelle dei batteri termofili siano risultate particolarmente adatte alla cristallizzazione. Finora sono state determinate le strutture cristallografiche di 6 proteine ribosomali: S5 (Ramakrishnan e White, 1992), S6 (Lindhal et al., 1994), L6 (Golden et al., 1993), L7/L12 (Leijonmarck et al., 1980; 1988), L9 (Hoffman et al., 1994), L30 (Wilson et al., 1986; Leijonmarck et al., 1988). Inoltre, la struttura della proteina S 17 è stata ottenuta mediante spettroscopia NMR (Golden et al., 1993). Sebbene la maggior parte delle proteine mostri una forma compatta e globulare, due di esse (L7/L12 e L9) presentano una struttura decisamente allungata, costituita da due domini essenzialmente globulari, tenuti in connessione da un sottile filamento. l domini globulari sono costituiti principalmente da semplici strutture α e β che somigliano ai domini proteici coinvolti nel legame con l'RNA, appartenenti a proteine con funzione analoga (Hoffman et al., 1994).
RNA Ribosomale (rRNA)
L'RNA costituisce più del 60% dei ribosomi batterici: il fatto che, diversamente da altre polimerasi cellulari, i ribosomi contengano RNA come maggior componente strutturale è, probabilmente, un importante indizio relativo alla loro evoluzione e alloro meccanismo d'azione. Attualmente numerose prove rafforzano la tesi secondo la quale l'RNA avrebbe, nel processo di traduzione, un ruolo funzionale anziché di semplice supporto strutturale (Noller, 1991). Tre specie di rRNA fanno parte integrante, come componenti strutturali, dei ribosomi procariotici: la subunità 30S contiene l'rRNA l6S, mentre il 5S e il 23S fanno parte della subunità 50S.
L'rRNA 5S, il più piccolo dei tre, è stata la prima molecola di RNA a essere sequenziata attraverso l'utilizzo di radioisotopi (Brownlee et al., 1967): è composta da 120 nucleotidi e non è soggetta a modificazioni postrascrizionali. Per ottenere la sequenza completa dell'rRNA l6S, è stata necessaria una ricerca decennale che ha utilizzato il sequenziamento del DNA del corrispondente gene clonato (Brosius et al., 1978) e il sequenziamento diretto dell'RNA (Carbon et al., 1979). Tale filamento è composto da 1542 nucleotidi, dieci dei quali (corrispondenti alle posizioni 527, 966, 967, 1207, 1402, 1407, 1498, 1516, 1517 e 1518) sono metilati e uno è costituito da una pseudouridina (Bakin et al., 1994). Analisi della conservazione, durante la filogenesi, della sequenza dell'rRNA l6S hanno fatto luce sul probabile ruolo biologico delle diverse regioni della molecola (Woese et al., 1983; Gutell et al., 1985); la presenza di modificazioni postrascrizionali in regioni la cui sequenza si è conservata indica che queste hanno un importante ruolo funzionale.
L'rRNA 23S di E. coli è costituito da 2904 nucleotidi (Brosius et al., 1980) e, come l'rRNA l6S, contiene numerosi nucleotidi soggetti a modificazioni postrascrizionali, come la presenza di pseudouridine e di metilazioni; molte delle posizioni modificate, ma non tutte, sono state localizzate nella sequenza (Bakin e Ofengand, 1993). L'omologia di sequenza tra i tre rRNA è scarsa o completamente assente, né è stata rilevata alcuna omologia, tranne quella casuale, tra regioni differenti di uno stesso rRNA: ciò avvalora l'ipotesi di un' origine evolutiva indipendente per i tre diversi rRNA (Noller, 1993).
Nei dieci anni che seguirono la pubblicazione della struttura primaria dell'rRNA 5S, furono proposte, per questa molecola, dozzine di modelli di possibili strutture secondarie spesso molto diversi tra di loro, malgrado la disponibilità di dati biochimici e fisici rilevanti, nonché la conoscenza delle regole per il calcolo dell'energia libera che permettono di valutare la stabilità dell'elica di RNA. Si arrivò alla soluzione del problema quando si comprese che, come nel caso dei tRNA, anche gli rRNA 5S, provenienti da specie diverse, hanno probabilmente strutture secondarie piuttosto simili, pur con sostanziali differenze a livello della sequenza. G.E. Fox e C.R. Woese (1975) sono stati i primi a effettuare analisi comparative delle sequenze per dedurre la struttura secondaria dell'rRNA 5S (fig. 1). Nelle figure (figg. L'esistenza di ogni struttura a elica è avvalorata da differenti approcci sperimentali, ma le strutture nel loro insieme sono state ricavate da analisi comparative delle sequenze. La struttura secondaria dell'rRNA l6S è suddivisa in quattro domini strutturali, tre principali e uno minore, che si formano da tre appaiamenti a lunga distanza (v. figura 2). Il dominio principale al 5' (approssimativamente dal residuo 26 al 557) è definito dall'elica 27-37/547-556, cioè formata ...
Tabella: Masse Molecolari delle r-proteine
La seguente tabella riporta un confronto tra le masse molecolari delle r-proteine:
| Proteina | Massa Molecolare (kDa) |
|---|---|
| Media | 14.8 |