La sintesi proteica è un processo biologico essenziale attraverso il quale le cellule costruiscono le loro proteine specifiche. La sintesi proteica è un processo fondamentale per la vita cellulare, permettendo la produzione di tutte le proteine necessarie per le funzioni biologiche. Il processo coinvolge sia il DNA (acido desossiribonucleico) che diversi tipi di RNA (acido ribonucleico).
Il codice genetico è il sistema che permette la traduzione dell'informazione genetica in proteine. Il codice genetico svolge un ruolo cruciale nella traduzione, fungendo da "vocabolario" per convertire la sequenza di nucleotidi dell'mRNA in una sequenza di amminoacidi che formeranno la proteina.
Componenti Chiave della Sintesi Proteica
Diversi componenti molecolari sono coinvolti nel processo di sintesi proteica. Di seguito una panoramica:
- mRNA: Trasporta l’informazione genetica dal DNA ai ribosomi per la sintesi delle proteine.
- tRNA: Legge i codoni dell’mRNA e trasporta i corrispondenti amminoacidi ai ribosomi.
- Amminoacidi: Costituenti delle proteine, legati tramite legami peptidici.
- Fattori: Molecole proteiche che aiutano durante il processo di traduzione.
- Enzimi: Catalizzano le reazioni necessarie per la sintesi proteica.
Fasi Principali della Sintesi Proteica
La sintesi proteica si articola in diverse fasi, ciascuna con una sua specifica funzione:
- Caricamento: I tRNA si legano agli amminoacidi grazie agli enzimi amminoacil-tRNA-sintetasi e all’energia fornita dall’ATP.
- Inizio: L’mRNA si lega alla subunità minore del ribosoma, seguito dal tRNA iniziatore, e infine la subunità maggiore si unisce formando il complesso di inizio.
- Allungamento: Gli amminoacidi vengono uniti per formare una catena polipeptidica.
Il Ruolo del DNA e dell'RNA
In ogni individuo i caratteri come ad esempio il colore della pelle o la forma del viso, dipendono dalla presenza di specifiche proteine. È dunque il DNA a dare il codice per l’assemblaggio degli amminoacidi. È perciò necessario l’intervento di un “collaboratore” che riesca a trasportare all’esterno del nucleo il “messaggio” genetico.
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Non solo, deve intervenire anche un altro “aiutante”, qualcuno che trasporti al loro posto gli amminoacidi, facendo sì che si uniscano tra loro per formare quella specifica proteina. Le informazioni contenute nel DNA vengono utilizzate dalla cellula per sopravvivere ed esercitare le proprie funzioni attraverso la sintesi delle proteine, macromolecole che svolgono molti ruoli biologici (strutturale, catalitico, regolatorio…).
Il passaggio dal gene, l’unità funzionale del DNA, alla proteina avviene in due fasi: la trascrizione del DNA genera l’RNA, la traduzione dell’RNA porta alla sintesi della proteina. Possiamo immaginare il DNA come il manuale di istruzioni della cellula. Questo manuale è diviso in capitoli, i geni.
È stato stimato che il genoma umano (l’insieme dei geni presenti nel DNA delle cellule umane) contenga circa 20.000 sequenze che forniscono alla cellula le istruzioni per sintetizzare proteine (in gergo si dice che “codificano una proteina”). La porzione di DNA non codificante è enorme e il suo ruolo non è ancora ben compreso.
Trascrizione e Maturazione dell'RNA
Il primo passaggio nella sintesi di una proteina consiste nella trascrizione del DNA, che possiamo considerare come un “ordine di produzione”. In questo processo, la sequenza del gene viene copiata mediante la sintesi di una molecola di acido ribonucleico (RNA).
Come il DNA, l’RNA è costituito da nucleoidi contenenti un gruppo fosfato, uno zucchero (il ribosio) e una base azotata (adenina, citosina, guanina e uracile [U], questo ultimo in sostituzione della timina presente nel DNA). Similmente a quanto avviene nella duplicazione, un filamento di DNA funge da stampo per la sintesi del nuovo acido nucleico: il filamento di RNA è quindi complementare al filamento di DNA.
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L’enzima chiave della trascrizione è l’RNA polimerasi. Questo enzima, assieme a proteine accessorie, si lega al DNA in corrispondenza di una zona a monte del gene che deve essere trascritto, chiamata promotore. Sequenze chiamate enhancer controllano l’attivazione della trascrizione.
Man mano che la doppia elica di DNA si svolge, l’RNA polimerasi aggiunge nucleotidi al filamento di RNA; la sintesi avviene in direzione 5’-3’. Nelle cellule umane esistono tre tipi di RNA polimerasi: l’RNA polimerasi II sintetizza l’RNA messaggero (mRNA) che codifica la sequenza della proteina, mentre l’RNA polimerasi I e III sintetizzano l’RNA ribosomiale (rRNA) e l’RNA transfer (tRNA) coinvolti nel processo di traduzione.
Una sequenza di stop segnala alla polimerasi quando interrompere la sintesi dell’RNA. L’RNA messaggero subisce poi un processo di maturazione, in cui vengono eliminate alcune sequenze intercalanti (introni) e mantenute solo le sequenze codificanti (esoni); l’RNA maturo è perciò più corto di quello appena sintetizzato (pre-mRNA). Grazie al processo di splicing, da un singolo trascritto possono essere generati più mRNA maturi che codificano forme alternative di una stessa proteina.
Traduzione e Codice Genetico
Quando la cellula è in possesso dell’ordine di produzione (mRNA), può inviarlo alle fabbriche delle proteine, i ribosomi. È in questi organelli, costituiti da proteine e rRNA e localizzati nel citoplasma, che avviene l’assemblaggio della proteina.
Il processo di traduzione dell’RNA si basa sull’esistenza di un codice genetico che mette in relazione la sequenza del DNA con la sequenza degli amminoacidi, le unità base delle proteine. Esistono 20 tipi di amminoacidi (leucina, glicina, metionina…). Una sequenza di tre nucleotidi è detta codone e codifica l’informazione per un singolo amminoacido.
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Il codice è ridondante: più codoni possono codificare per lo stesso amminoacido. Un esempio per chiarire: sia il codone AAA che il codone AAG codificano per la lisina, ma sia il codone AAA sia il codone AAG codificano solo per la lisina. Esistono 3 codoni di stop, che segnalano la fine della sequenza codificante.
Gli amminoacidi arrivano nel ribosoma trasportati dai tRNA. Una porzione del tRNA (anticodone) si appaia al codone corrispondente e permette che sia il corretto amminoacido a legarsi alla catena di amminoacidi nascente. Mutazioni nella sequenza nucleotidica portano a mutazioni nella sequenza amminoacidica della proteina.
Catabolismo degli Amminoacidi
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.
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 Amminoacidi
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.
Amminoacidi e Proteine
La sintesi proteica è il processo mediante il quale la cellula produce le proteine di cui necessita. Gli amminoacidi sono le molecole semplici che unendosi tra di loro danno luogo alle proteine. Il codice genetico racchiude l'informazione per la sequenza dei vari amminoacidi nella proteina che deve essere sintetizzata. La sequenza proteica è fondamentale per l'ottenimento non solo di una proteina funzionante ma per ottenere proprio quella particolare proteina di cui la cellula necessita in un dato momento della sua vita.
Gli amminoacidi 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. 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.
Protagonisti della Sintesi Proteica
I protagonisti della sintesi proteica sono l'RNA definito messaggero (mRNA), poiché porta l'informazione dal nucleo al citosol, e i ribosomi. Questi ultimi 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.
La sintesi proteica 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. 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. 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.
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.
Ecco una tabella riassuntiva dei componenti e delle fasi della sintesi proteica:
| Componente | Funzione |
|---|---|
| mRNA | Trasporta l’informazione genetica dal DNA ai ribosomi |
| tRNA | Legge i codoni dell’mRNA e trasporta gli amminoacidi |
| Amminoacidi | Costituenti delle proteine |
| Fattori | Aiutano durante il processo di traduzione |
| Enzimi | Catalizzano le reazioni necessarie |
| Fase | Descrizione |
|---|---|
| Caricamento | tRNA si legano agli amminoacidi |
| Inizio | mRNA si lega al ribosoma e tRNA iniziatore |
| Allungamento | Gli amminoacidi vengono uniti |
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