Sintesi delle Proteine: Un Processo Vitale

Ogni cellula eucariote custodisce, nel DNA presente nel nucleo, le istruzioni necessarie per sintetizzare le proteine, le "tuttofare" del nostro organismo. In ogni individuo i caratteri, come ad esempio il colore della pelle o la forma del viso, dipendono dalla presenza di specifiche proteine.

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.

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. 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.

Il Ruolo del DNA e dell'RNA

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 filamenti 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.

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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.

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 lo zucchero pentoso che li costituisce, infatti, nell'mRNA è presente il ribosio.

Processi Chiave nella Trascrizione

• 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 nel 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. Per comprendere meglio, vediamo passo passo come avviene questo processo.

Fasi della Traduzione

1. 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).
2. Allungamento del polipeptide: nel sito P, se il legame è corretto, avviene il legame peptidico tra l’amminoacido associato al tRNA e la proteina in formazione.
3. 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.

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.

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Smistamento co-traduzionale

Lo smistamento co-traduzionale è dovuto ad una sequenza amino acidica specifica, chiamata peptide segnale ER presente di norma all'inizio della catena polipeptidica delle proteine che hanno come destinazione finale il sistema di endomembrane (lvescicole di secrezione, membrana plasmatica, lisosomi, RE, Golgi o la secrezione.

1. Blocco della traduzione da parte di SRP: Il peptide segnale ER della catena nascente viene riconosciuto dalla proteina recettoriale del peptide segnale chiamata SRP. La SRP blocca l'avanzamento del ribosoma sul mRNA e di conseguenza la traduzione del mRNA.
2. Interazione di SRP con il suo recettore: il recettore per SRP è localizzato nella membrana del RER. Grazie all'interazione con il suo recettore, SRP posiziona il ribosoma in corrispondenza del traslocone, o canale proteico che permetterà il passaggio della catena proteica verso il lume del RE. La proteina SRP lega il suo recettore e lascia libero il peptide segnale di interagire con il traslocone. La sintesi proteica può riprendere, sempre sul lato citosolico, e man a mano che la catena polipeptidica cresce passa attraverso il traslocone verso il lume del RE. Il peptide segnale viene tagliato da una peptidase e quindi non è più riscontrabile nella proteina matura. La localizzazione è quindi detta "co-traduzionale" perché avviene in parallelo alla traduzione.
3. Ripresa della traduzione:
   • Proteine solubili: In assenza di ulteriore segnale la proteina passa interamente attraverso il traslocone ed è localizzata nel lume del RE
   • Proteine a singolo passo transmembrana: le proteine che rimangono inserite nelle membrane del sistema di endomembrane acquisiscono questa localizzazione al momento della loro sintesi. Sono proteine che possiedono un secondo segnale di localizzazione che corrisponde al domani transmembrana. Il dominio transmembrana è caratterizzato dalla presenza di amino acidi idrofobici che nella maggiore parte dei casi adotta una struttura secondaria ad elica alfa. Nel caso più semplice la parte iniziale della proteina transmembrana è localizzata nel lume del RER, seguito dal dominio transmembrana che rimane intrappolato nel doppio strato fosfolipidico mentre la traduzione prosegue e la parte C-terminale della proteina rimane sul lato citosolico. Questo orientamento iniziale viene mantenuto nei diversi trasporti attraverso il sistema di endomembrane.
   • Proteine a multipasso transmembrana: Numerose proteine hanno più di un passo transmembrana. Una classe importante di recettori di membrana possiede 7 passi transmembrana. Questo significa che la loro sequenza contiene in successione diverse sequenze di interazione con il doppio strato fosfolipidico (diversi passi transmembrana). queste proteine sembrano "cucite" nella membrana. questa interazione con il doppio strato fosfolipidico è co-traduzionale e quindi si stabilisce a livello della membrana del RER. Come per le proteine a singolo passo transmembrana, l'orientamento iniziale è mantenuto nei diversi trasporti attraverso il sistema di endomembrane.
4. Maturazione post-traduzionale delle proteine: Le proteine solubili e quelle transmembrana nei domini rivolti verso il lume del RE o del Golgi subiscono alcune modifiche post-traduzionali grazie ad enzimi localizzati sia nel lume del RE che nell'apparato del Golgi. Il passaggio dal RE al Golgi si effettua tramite la formazione di vescicole:
5. Esocitosi: Dopo la maturazione delle proteine nei diversi compartimenti del Golgi, quelle di secrezione sono inserite in vescicole di secrezione che si fondono in modo costitutivo (diretto) oppure regolato (solo in seguito ad un segnale) con la membrana plasmatica rilasciando il loro contenuto nello spazio extracellulare. questo meccanismo prende il nome di esocitosi.
6. Endocitosi, endosomi e lisosomi: Il processo inverso all'esocitosi è l'endocitosi. Questo fenomeno permette alla cellula di fare entrare molecole esterne e di regolare la superficie cellulare. Le vescicole di endocitosi nel citoplasma prendono il nome di endosomi e si fondo con vescicole provenienti dal Trans Golgi riche di enzimi che permetteranno la "digestione" del materiale ingerito tramite endocitosi. Dopo l'attivazione degli enzimi l'endosoma prende il nome di lisosoma.

La scoperta dell'RNA-messaggero viene comunemente fatta risalire al 7 ottobre 1961, quando i due biologi francesi, François Jacob e Jacques Monod, spiegarono il modo in cui il Dna trasferisce i suoi ordini al di fuori del nucleo della cellula fino ai ribosomi.

Il filmato descrive il compito dell`RNA nella sintesi proteica. Ne esistono tre tipi: quello messaggero, che ha il compito di trasferire le informazioni dal nucleo, dove è presente il DNA al ribosoma, quello di trasferimento, che preleva gli aminoacidi nel citoplasma, e quello ribosomico per la sintetizzazione delle proteine.

Descrivendo la struttura di un ribosoma, il documento fa vedere come avviene al suo interno la sintetizzazione di una proteina. Il video termina con la descrizione di quella che viene definita una mutazione: quando, ad esempio, anche un solo aminoacido non si trova nella posizione corretta, in una catena proteica. Questo comporta gravi danni, se non addirittura la morte dell`organismo.

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. Si ipotizza che buona parte di questo abbia funzioni regolatorie ed è noto che i telomeri, porzioni di DNA non codificante poste alla fine dei cromosomi, servono a proteggere il DNA.

Non tutte le proteine vengono sintetizzate in ogni cellula e/o in ogni momento. 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 (in inglese RiboNucleic Acid, da cui l’abbreviazione 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. 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.

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. 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.

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