La sintesi proteica, nota anche come biosintesi delle proteine o traduzione, è il processo mediante il quale la cellula produce le proteine di cui necessita. Questo processo, uno dei più conservati in tutti gli organismi viventi, è responsabile della produzione di proteine sulla base dell'informazione genetica contenuta nella sequenza nucleotidica dell'mRNA (RNA messaggero) e quindi del DNA da cui l'mRNA è stato precedentemente codificato.
La traduzione 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.
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. La velocità di allungamento della catena amminoacidica è di circa venti amminoacidi al secondo nei procarioti ed è quasi dieci volte inferiore negli eucarioti.
I Componenti Chiave della Sintesi Proteica
I protagonisti della sintesi proteica sono l'RNA messaggero (mRNA), poiché porta l'informazione dal nucleo al citosol, e i ribosomi. La traduzione è quel processo mediante il quale l’mRNA (ottenuto dal DNA durante la trascrizione) viene espresso in proteine.
Gli amminoacidi
Gli amminoacidi sono le molecole semplici che, unendosi tra di loro, danno luogo alle proteine. Gli amminoacidi (o aminoacidi) sono molecole quaternarie costituite da carbonio, idrogeno, ossigeno ed azoto. Gli aa sono i costituenti delle proteine, ne esistono 20 tutti diversi tra di loro.
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Tutti gli amminoacidi hanno una struttura comune rappresentata da un atomo di carbonio centrale (chirale in 19 dei 20 aa) legato a sinistra al gruppo amminico (per convezione sempre a sinistra in maniera da rappresentare gli enantiomeri levogiri presenti negli organismi viventi) e il gruppo carbossilico a destra, completano i 4 legami del carbonio un atomo di idrogeno ed un residuo o radicale (R) che è diverso per ogni molecola e giustifica l'esistenza di 20 aa diversi tra loro.
Tutti gli amminoacidi sono molecole definite switterioni poiché possono comportarsi sia da base che da acido a seconda del pH nel quale si trovano, al pH citosolico sono neutri nella loro struttura comune dato che il gruppo carbossilico è dissociato (portando dunque una carica netta negativa) ed il gruppo amminico è protonato (portando dunque una carica netta positiva).
La carica netta della struttura comune amminoacidica è quindi zero, vi sono aa carichi positivamente se possiedono un secondo gruppo amminico e dunque contengono 2 cariche positive ed una sola negativa e vi sono aa negativi se possiedo un secondo gruppo carbossilico dissociato e quindi hanno due cariche nette negative ed una sola positiva.
I Ribosomi
I ribosomi sono corpuscoli costituiti da proteine e molecole particolari di RNA dette ribosomiali (piccoli RNA trascritti nel nucleolo nucleare da geni specifici, indicati con rRNA). Ogni ribosoma è costituito da due subunità: la maggiore identificata dal suo coefficiente di sedimentazione (S) come 60S e la minore di 40S. Il ribosoma completo risulta di 80S.
La subunità grande è costituita da circa 49 proteine e dagli rRNA: 5S, 28S e 5,8S. Nei procarioti i ribosomi sono più piccoli (il ribosoma completo ha coefficiente 70S): la subunità grande 50S è costituita da 34 proteine e da 2 rRNA: 5S e 23S.
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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.
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 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.
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L'RNA transfer (tRNA)
Gli amminoacidi sono portati al ribosoma che sta scorrendo sull'mRNA da speciali molecole di RNA, dette transfer e indicate con la sigla tRNA. Esistono 61 tRNA per i 20 amminoacidi sulla base della degenerazione del codice genetico. La specificità del tRNA è determinata per il suo amminoacido dalla sequenza dell'anticodone e il legame tra il tRNA e l'amminoacido è catalizzato da uno specifico enzima detto amminoacil-tRNA sintetasi.
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.
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.
L'RNA messaggero (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'.
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 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.
Le Fasi della Sintesi Proteica
La sintesi proteica (o biosintesi delle proteine o traduzione) è quel processo le cui fasi analizzeremo di seguito, nel quale il messaggio dell'mRNA viene "tradotto" in linguaggio proteico per la produzione di una specifica proteina costituita da una ben definita sequenza di amminoacidi.
La sintesi proteica può essere suddivisa in tre fasi principali: inizio, allungamento e terminazione.
Inizio della Traduzione
La prima fase è quella definita "inizio della traduzione" nella quale viene identificato il primo codone del messaggero che è sempre AUG ed identifica la metionina. Il primo codone AUG si trova davanti al sito P del ribosoma ed un secondo tRNA portante il secondo amminoacido della proteina viene a posizionarsi nel sito A, si forma il legame peptidico tra l'amminoacido 1, la metionina ed il secondo amminoacido, il ribosoma scorre lungo il messaggero, il primo tRNA ormai vuoto esce dal ribosoma ed ora il secondo tRNA si trova nel sito P con agganciati i 2 amminoacidi.
La formazione quindi del complesso di inizio avviene quando la subunità minore del ribosoma si lega a specifici fattori di inizio (IF nei procarioti ed eIF negli eucarioti), e l’mRNA da tradurre si lega alla subunità minore del ribosoma in corrispondenza di una specifica sequenza che si trova nell’mRNA. L’amminoacil-tRNA di inizio si lega quindi all’mRNA. Quindi, dall’assemblaggio dei due complessi risultano tre siti sul ribosoma: A, P ed E. Il primo amminoacil-tRNA legato all’mRNA si trova nel sito P.
Allungamento
Una volta che il secondo amminoacil-tRNA si è legato ai fattori di allungamento (EF) si inserisce nel sito A. Avviene quindi la traslocazione, per cui il ribosoma si sposta verso il 3′ dell’mRNA; ciò fa si che dal sito A l’amminoacil-tRNA con il dipeptide passi al sito P ed il t-RNA scarico passi al sito E, da dove viene rilasciato. Il processo richiede sempre energia ottenuta tramite il GTP.
- Nel primo un tRNA carico occupa il sito A, grazie a fattori di allungamento e alla GTP, formando insieme a loro un complesso.
- Successivamente l’anticodone sul tRNA si appaia con il codone sull’mRNA. A questo punto si formerà il legame peptidico tra gli amminoacidi attaccati al tRNA nei siti P e A.
Questo passaggio posiziona il ribosoma sul codone successivo, per continuare il processo. Il ribosoma si sposta in modo tale che il tRNA, che in precedenza occupava il sito P, ora passa a occupare il sito E, dal quale entra nel citoplasma, dove può essere ricaricato con un altro amminoacido.
Con la traslocazione anche il tRNA che occupava il sito A viene ora a trovarsi nel sito P, lasciando libero il sito A. L’avanzamento di ogni tRNA attraverso il ribosoma può essere così schematizzato: citoplasma → sito A → sito P → sito E → citoplasma (ad eccezione del tRNA iniziatore, che si attacca direttamente al sito P e non transita mai in A).
Terminazione
I codoni di stop non codificano per nessun amminoacido dunque non esistono per essi nella cellula tRNA con i relativi anticodoni dunque il sito A del ribosoma resta vuoto, questo è il segnale perché si leghino ad esso speciali proteine definite fattori di terminazione o di rilascio che danno il via ad una serie di eventi specifici per la fine della sintesi proteica.
In quest’ultimo caso intervengono tre fattori di rilascio (RF) che fanno si che l’ultimo amminoacil-tRNA venga rilasciato e la dissociazione dei complessi maggiore e minore. La sintesi proteica termina quando il ribosoma raggiunge il codone di stop. Poiché non esistono tRNA con anticodoni complementari ai codoni di stop, quando il ribosoma si imbatte in un codone di stop, nessun tRNA può entrare nel suo sito A.