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La sintesi proteica1 LICEO SCIENTIFICO STATALE LEONARDO da VINCI di FIRENZE CORSO SPERIMENTALE F DOCENTE Prof. Enrico Campolmi La sintesi proteica.

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1 la sintesi proteica1 LICEO SCIENTIFICO STATALE LEONARDO da VINCI di FIRENZE CORSO SPERIMENTALE F DOCENTE Prof. Enrico Campolmi La sintesi proteica

2 la sintesi proteica2 Il DNA contiene tutte le informazioni necessarie al funzionamento delle cellule; in questo modo esso determina tutte le caratteristiche ereditarie degli esseri viventi Il DNA è suddiviso in unità funzionali, i geni, ognuno dei quali controlla uno o più caratteri dellindividuo Ma in che modo una sequenza di nucleotidi riesce ad esprimersi in un carattere? In che modo il genotipo determina il fenotipo? A partire dagli anni 40 del 900 i biologi cominciarono a capire che tutte le attività metaboliche delle cellule dipendevano da diversi enzimi specifici, capaci di catalizzare le relative reazioni biochimiche Studi specifici riuscirono a dimostrare che alcune mutazioni potevano essere spiegate sulla base di cambiamenti enzimatici negli organismi mutanti

3 la sintesi proteica3 I risultati ottenuti spinsero i genetisti a formulare lipotesi riassumibile come un gene un enzima Tale espressione risultò in seguito una semplificazione, in quanto molte altre proteine, anche non sono enzimi, ad es. lormone insulina, la proteina strutturale collagene o le proteine della membrana cellulare, sono comunque determinate da geni. Su queste basi nel 1958 Francis Crick formulò lespressione passata alla storia come il dogma centrale della genetica: un gene una proteina Successivamente, quando ci si accorse che alcune proteine erano formate dallunione di più polipeptidi, ognuno controllato da uno specifico gene, lespressione divenne un gene una catena polipeptidica

4 la sintesi proteica4 Da questo momento risultò chiaro che il DNA conteneva solo le istruzioni per fabbricare tutte le proteine di vario tipo dellorganismo cui apparteneva, attraverso le quali controllava ogni carattere dellorganismo stesso La funzione di una proteina dipende, in ultima analisi, dalla sequenza lineare degli amminoacidi che la compongono. Il problema divenne allora capire come la disposizione delle basi azotate del DNA potesse essere tradotta in una sequenza di amminoacidi di una proteina A questo punto si scoprì che un importante ruolo di intermediario nel processo di traduzione del DNA in una proteina era svolto dallRNA, il secondo tipo di acido nucleico

5 la sintesi proteica5 LRNA differisce dal DNA nei seguenti elementi: Il ribosio sostituisce il deossiribosio Luracile sostituisce la timina Inoltre, contrariamente al DNA, lRNA è costituito da un filamento singolo e può trovarsi anche nel citoplasma delle cellule, ove è particolarmente abbondante in quelle che sintetizzano molte proteine Le molecole di RNA coinvolte nel processo di traduzione sono di tre tipi diversi e tutte vengono sintetizzate nel nucleo, a partire dal DNA

6 la sintesi proteica6 Il primo tipo di RNA prende il nome di RNA messaggero (mRNA) ed il processo con il quale viene copiato da un filamento di DNA, secondo la regola dellappaiamento delle basi, prende il nome di trascrizione Il DNA costituisce allora la copia originale dellinformazione genetica, che rimane sempre archiviata nel nucleo, per essere utilizzato molte volte. LmRNA costituisce invece una copia di lavoro, di un singolo gene, che viene trascritta nel nucleo dalloriginale presente nel DNA e successivamente trasportata nel citoplasma per essere tradotta Una volta esaurito il suo compito, lmRNA si decompone ed i suoi nucleotidi sono di nuovo disponibili per la sintesi di altre molecole di mRNA La trascrizione è un processo molto frequente, in quanto si verifica ogni volta che la cellula deve sintetizzare una specifica proteina

7 la sintesi proteica7 La trascrizione è catalizzata dallenzima RNA polimerasi, che si attacca al DNA in prossimità del gene da copiare, aprendo la doppia elica Fig pag. 201 Spostandosi lungo la molecola di DNA, lRNA polimerasi legge la sequenza dei nucleotidi e sintetizza la molecola di mRNA, secondo la regola di appaiamento della basi, con luracile che sostituisce la timina Anche lRNA viene sintetizzato nella direzione che va dal 5 al 3 Terminata la trascrizione il DNA riassume la sua conformazione originale, mentre lmRNA si stacca e si trasferisce nel citoplasma Identificare lmRNA come copia di lavoro dellinformazione genetica, che la conduce fuori dal nucleo per essere tradotta, non era però sufficiente

8 la sintesi proteica8 Restava da decifrare linsieme delle regole con le quali passare dal linguaggio del DNA (basato su 4 lettere, i nucleotidi) a quello delle proteine (basato su 20 lettere, gli aminoacidi). Era cioè necessario identificare il codice genetico, ovvero linsieme di regole per tradurre in proteine le informazioni genetiche del DNA Codice: insieme di regole che consente di passare da un linguaggio ad un altro

9 la sintesi proteica9 Se ciascun nucleotide codificasse per un amminoacido si potrebbero indicare solo 4 amminoacidi (4 1 possibilità) Utilizzando combinazioni di 2 nucleotidi si specificherebbero però solo 16 amminoacidi (4 2 possibilità) Utilizzando combinazioni di 3 nucleotidi si specificano invece 64 amminoacidi (4 3 possibilità) E quindi una tripletta di nucleotidi (detta anche codone) a codificare per un amminoacido Lesatta corrispondenza tra codoni ed amminoacidi venne identificata solo agli inizi degli anni 60 Fig pag. 202

10 la sintesi proteica10 Il codice genetico è ridondante (più codoni codificano per lo stesso amminoacido), ma non è ambiguo (un codone non può codificare per più di un amminoacido). Sono presenti inoltre 3 codoni di arresto Il codice genetico è universale, rimane cioè lo stesso per tutti i viventi Ciò ha un forte significato evolutivo ed importanti conseguenze per lingegneria genetica

11 la sintesi proteica11 Vediamo adesso in che modo linformazione genetica, contenuta nel DNA, e trascritta sullmRNA viene tradotta nel citoplasma della cellula. Innanzitutto dobbiamo chiamare in causa gli altri due tipi di RNA, anchessi trascritti da specifici geni presenti sul DNA con meccanismi analoghi a quelli già visti per lmRNA Il primo è lRNA ribosomiale (rRNA), che, assieme a specifiche proteine, forma la struttura dei ribosomi Subunità piccola Sito P Subunità grande Sito A Questi sono piccoli organelli, deputati alla sintesi delle proteine, e formati da due subunità: la subunità piccola e la subunità grande. Questultima presenta due siti denominati sito P e sito A

12 la sintesi proteica12 Fig pag. 203 Il tRNA ha una forma a quadrifoglio e presenta ad unestremità il sito di attacco dellamminoacido, mentre allestremità opposta presenta lanticodone, cioè una tripletta complementare a quella che sul mRNA specifica lamminoacido relativo. Nel citoplasma sono presenti molteplici copie di 20 tipi differenti di tRNA, ognuna delle quali trasporta uno specifico amminoacido Il vero e proprio processo di traduzione ha luogo nel citoplasma e coinvolge una molecola di mRNA, uno o più ribosomi ed i 20 tipi di tRNA Il processo si compone di tre fasi: inizio, allungamento e terminazione Laltro RNA è lRNA di trasporto (tRNA), il vero dizionario bilingue della traduzione dei geni in proteine

13 la sintesi proteica13 Subunità piccola La fase di inizio comincia quando la subunità ribosomiale più piccola si attacca allmRNA presso lestremità 5, che espone il primo codone (AUG) mRNA AUGCUAUUUCG 5 Poi il primo tRNA si colloca in modo da appaiare il proprio anticodone col primo codone dellmRNA 1-tRNA UAC met

14 la sintesi proteica14 Subunità piccola Sito P Subunità grande Sito A Successivamente la subunità ribosomiale più grossa si attacca a quella più piccola ed il tRNA di inizio va ad occupare il sito P mRNA AUGCUAUUUCG 5 1-tRNA UAC met

15 la sintesi proteica15 Sito P Sito A Inizia quindi la fase di allungamento: un nuovo tRNA, con anticodone complementare al secondo codone esposto dallmRNA, si colloca nel sito A della subunità più grande mRNA AUGCUAUUU C G 5 1-tRNA UAC met 2-tRNA G leu AU Legame peptidico Enzimi specifici legano poi i due amminoacidi con un legame peptidico AA C

16 la sintesi proteica16 mRNA AUGCUAUUUCG 2-tRNA 1-tRNA UAC G met leu AU A 3-tRNA AAA phe Sito P Sito A Il primo tRNA abbandono il ribosoma, lasciandovi il proprio amminoacido Il ribosoma scorre in avanti di un codone lungo lmRNA

17 la sintesi proteica17 AUGCUAUUUCG 2-tRNA GAU A 3-tRNA AAA 4-tRNA GCU thr ACU met Sito P Sito A Il secondo tRNA passa dal sito A al sito P Un nuovo tRNA occupa il sito A ed il suo amminoacido si aggiunge alla catena, mentre il ribosoma continua a scorrere lungo lmRNA leu phe

18 la sintesi proteica18 AUGCUAUUUCG 2-tRNA G met leu AU A 3-tRNA AAA 4-tRNA GCU arg ACU Sito P Sito A phe Anche il secondo tRNA lascia il ribosoma. Mentre questo continua a scorrere lungo lmRNA nuovi amminoacidi si aggiungono alla catena

19 la sintesi proteica19 GCUAUUUCG met leu A 3-tRNA AAA 4-tRNA GCU ACU 5-tRNA UGA thr Sito P Sito A arg phe Il processo si ripete allo stesso modo per laggiunta di ogni nuovo amminoacido: il tRNA passa dal sito A al sito P e quindi abbandona il ribosoma, lasciando il proprio amminoacido legato alla catena peptidica

20 la sintesi proteica20 ACAUGU met U 200-tRNA UAGCU val his Codone di stop leu phe arg thr Terminazione: è la fase finale del processo; alla fine dellmRNA viene esposto un codone di stop, cui non corrisponde nessun amminoacido. La catena polipeptidica si stacca e le due subunità ribosomiali si separano

21 la sintesi proteica21 polipeptide mRNA Via via che il ribosoma si sposta lungo lmRNA la parte iniziale di questa molecola rimane libera ed un altro ribosoma vi si può legare, avviando la traduzione Un gruppo di ribosomi che leggono contemporaneamente lo stesso mRNA forma un poliribosoma I poliribosomi consentono la rapida sintesi di copie multiple di un polipeptide a partire da una stessa molecola di mRNA


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