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 come strutturale, catalitico e regolatorio.
Il passaggio dal gene, l’unità funzionale del DNA, alla proteina avviene in due fasi: la trascrizione del DNA genera l’RNA, e 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 contenga circa 20.000 sequenze che forniscono alla cellula le istruzioni per sintetizzare proteine (in gergo si dice che “codificano una proteina”).
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 (RNA).
Trascrizione del DNA in RNA
Come il DNA, l’RNA è costituito da nucleotidi contenenti un gruppo fosfato, uno zucchero (il ribosio) e una base azotata (adenina, citosina, guanina e uracile [U], quest'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 dell'RNA in Proteine
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. La traduzione o sintesi proteica è un processo fondamentale per la cellula. Mentre con il processo di trascrizione si passa dal DNA all’RNA, con il processo di traduzione si passa dall’RNA alle proteine.
Si può immaginare il primo processo come una traduzione di un testo dall’italiano ad una lingua che utilizza gli stessi caratteri, ma con piccole differenze, come lo spagnolo. Il processo di traduzione invece, può essere paragonato alla traduzione di un testo dall’italiano ad una lingua che utilizza caratteri differenti, come il cinese.
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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.
Componenti Chiave della Traduzione
- Ribosomi: Complesse macchine molecolari composte da proteine e RNA ribosomiale, essenziali per l'assemblaggio delle proteine.
- tRNA (RNA transfer): Molecole di RNA che trasportano gli amminoacidi corretti al ribosoma, decodificando il codice genetico.
- mRNA (RNA messaggero): Molecola di RNA che trasporta l'informazione genetica dal DNA ai ribosomi per la sintesi proteica.
Il Codice Genetico e il tRNA
Come già aveva proposto Crick con la sua ipotesi dell’adattatore, la traduzione dell’mRNA in proteine richiede una molecola che metta in relazione l’informazione contenuta nei codoni dell’mRNA con specifici amminoacidi delle proteine. La struttura molecolare del tRNA è chiaramente in rapporto con queste tre funzioni. Per ognuno dei 20 amminoacidi c’è almeno un tipo specifico di molecola di tRNA.
La configurazione di una molecola di tRNA è perfettamente adattata alle sue interazioni con speciali siti di legame sui ribosomi. All’estremità 3' di ogni molecola di tRNA si trova il suo sito di attacco per l’amminoacido: il punto in cui l’amminoacido specifico si lega in modo covalente. Verso la metà della sequenza del tRNA c’è un gruppo di tre basi, chiamato anticodone, che costituisce il sito di appaiamento fra basi complementari (attraverso legami a idrogeno) con l’mRNA. Il caricamento di ciascun tRNA con il proprio amminoacido è realizzato da una famiglia di enzimi attivanti noti come amminoacil-tRNA-sintetasi.
L’amminoacido si attacca all’estremità 3' del tRNA con un legame ricco di energia, formando un tRNA carico.
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Il Ruolo dei Ribosomi
Un ruolo determinante nella sintesi proteica è svolto dai ribosomi. I ribosomi non sono specifici per la sintesi di un solo polipeptide; ogni ribosoma può usare qualsiasi mRNA e tutti i tipi di tRNA carichi, quindi può essere utilizzato nella fabbricazione di molti prodotti polipeptidici diversi. Sebbene siano più piccoli rispetto agli organuli cellulari, i ribosomi hanno una massa di svariati milioni di dalton e ciò li rende assai più voluminosi dei tRNA carichi.
Ogni ribosoma è costituito da due subunità, una maggiore e una minore. Negli eucarioti, la subunità maggiore è composta da tre molecole diverse di RNA ribosomiale (rRNA) e da circa 45 molecole proteiche differenti, disposte secondo una schema preciso; la subunità minore contiene una sola molecola di tRNA e 33 molecole proteiche diverse. I ribosomi dei procarioti sono un po’ più piccoli e contengono proteine ed RNA diversi, ma sono anch’essi formati da due subunità.
Sulla subunità maggiore del ribosoma si trovano tre siti di legame per i tRNA (vedi ▶figura 9). La traduzione dell’mRNA incomincia con la formazione di un complesso di inizio (▶figura 10), costituito da un tRNA caricato con l’amminoacido destinato a essere il primo della catena polipeptidica e da una subunità ribosomiale minore, entrambi legati all’mRNA. Ricordati che il codone di inizio nell’mRNA, nel linguaggio del codice genetico, è AUG (vedi ▶figura 6).
Per complementarietà delle basi, l’anticodone di un tRNA caricato con metionina si lega a questo codone di inizio e con ciò si completa il complesso di inizio. Dopo che il tRNA caricato con metionina si è legato all’mRNA, la subunità maggiore del ribosoma si unisce al complesso. Queste componenti (mRNA, due subunità ribosomiali e tRNA caricato con la metionina) sono tenute insieme correttamente da un gruppo di proteine dette fattori di inizio.
Fasi della Traduzione
- Inizio: La subunità minore del ribosoma si lega all'mRNA, e il tRNA iniziatore si posiziona sul codone di inizio (AUG).
- Allungamento: Gli amminoacidi vengono aggiunti uno alla volta alla catena polipeptidica in crescita, guidati dai codoni sull'mRNA e dai tRNA corrispondenti.
- Terminazione: Il ribosoma raggiunge un codone di stop sull'mRNA, segnalando la fine della traduzione e il rilascio del polipeptide.
L’allungamento procede così: nel sito A della subunità ribosomiale maggiore rimasto libero entra adesso il tRNA carico, il cui codone è complementare al secondo codone dell’mRNA (▶figura 11). catalizza la formazione di un legame peptidico fra questo amminoacido e quello attaccato al tRNA situato nel sito A. In che modo la subunità ribosomiale maggiore catalizza il legame fra i due amminoacidi? È stato dimostrato che, se dalla subunità maggiore si tolgono quasi tutte le proteine, essa continua a catalizzare la formazione del legame peptidico; se si distrugge l’RNA, l’attività si arresta. Perciò il catalizzatore sembra essere l’rRNA, che per questo motivo può essere considerato un ribozima.
Dopo aver consegnato la propria metionina, il primo tRNA si sposta nel sito D, quindi si stacca dal ribosoma e torna nei citosol per caricarsi con un’altra metionina. il tRNA del sito C si sposta nel sito D, da cui poi si distacca. La terminazione avviene quando nel sito A entra uno dei tre codoni di stop: il ciclo di allungamento si arresta e la traduzione ha termine (▶figura 12). Questi codoni, UAA, UAG e UGA, non codificano nessun amminoacido e non si legano a un tRNA. A questo punto il polipeptide appena terminato si separa dal ribosoma; come terminale C ha l’ultimo amminoacido che si è unito alla catena, mentre come terminale N, almeno inizialmente, ha una metionina, dato che il codone di inizio è AUG.
L’informazione che stabilisce quale configurazione debba poi assumere e quale sia la sua destinazione cellulare definitiva è già contenuta nella sua sequenza amminoacidica. A mano a mano che emerge dal ribosoma, la catena polipeptidica si ripiega fino ad assumere la sua forma tridimensionale. La configurazione di una proteina dipende dalla sequenza degli amminoacidi che la compongono e da fattori quali la polarità e la carica dei loro gruppi R. In definitiva, è grazie alla sua configurazione che una proteina può interagire con altre molecole della cellula, come un substrato o un altro polipeptide.
La sintesi proteica comincia sempre su ribosomi liberi nel citoplasma. «Interrompi la traduzione e spostati nel reticolo endoplasmatico.» Una volta completata la propria sintesi all’interno del RER, queste proteine possono rimanere nel reticolo endoplasmatico ruvido oppure raggiungere l’apparato di Golgi.
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