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

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 dell’individuo 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 la sintesi proteica

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

Da questo momento risultò chiaro che il DNA conteneva solo le istruzioni per fabbricare tutte le proteine di vario tipo dell’organismo cui apparteneva, attraverso le quali controllava ogni carattere dell’organismo 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 dall’RNA, il secondo tipo di acido nucleico la sintesi proteica

L’RNA differisce dal DNA nei seguenti elementi: Il ribosio sostituisce il deossiribosio L’uracile sostituisce la timina Inoltre, contrariamente al DNA, l’RNA 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 la sintesi proteica

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 dell’appaiamento delle basi, prende il nome di trascrizione Il DNA costituisce allora la copia originale dell’informazione genetica, che rimane sempre archiviata nel nucleo, per essere utilizzato molte volte. L’mRNA costituisce invece una copia di lavoro, di un singolo gene, che viene trascritta nel nucleo dall’originale presente nel DNA e successivamente trasportata nel citoplasma per essere tradotta Una volta esaurito il suo compito, l’mRNA 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 la sintesi proteica

Anche l’RNA viene sintetizzato nella direzione che va dal 5’ al 3’ La trascrizione è catalizzata dall’enzima RNA polimerasi, che si attacca al DNA in prossimità del gene da copiare, aprendo la doppia elica Fig. 15.5 pag. 201 Spostandosi lungo la molecola di DNA, l’RNA polimerasi legge la sequenza dei nucleotidi e sintetizza la molecola di mRNA, secondo la regola di appaiamento della basi, con l’uracile che sostituisce la timina Anche l’RNA viene sintetizzato nella direzione che va dal 5’ al 3’ Terminata la trascrizione il DNA riassume la sua conformazione originale, mentre l’mRNA si stacca e si trasferisce nel citoplasma Identificare l’mRNA come copia di lavoro dell’informazione genetica, che la conduce fuori dal nucleo per essere tradotta, non era però sufficiente la sintesi proteica

Restava da decifrare l’insieme 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 l’insieme 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 la sintesi proteica

Se ciascun nucleotide codificasse per un amminoacido si potrebbero indicare solo 4 amminoacidi (41 possibilità) Utilizzando combinazioni di 2 nucleotidi si specificherebbero però solo 16 amminoacidi (42 possibilità) Fig. 15.6 pag. 202 Utilizzando combinazioni di 3 nucleotidi si specificano invece 64 amminoacidi (43 possibilità) E’ quindi una tripletta di nucleotidi (detta anche codone) a codificare per un amminoacido L’esatta corrispondenza tra codoni ed amminoacidi venne identificata solo agli inizi degli anni ‘60 la sintesi proteica

Sono presenti inoltre 3 codoni di arresto 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 l’ingegneria genetica la sintesi proteica

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

L’altro RNA è l’RNA di trasporto (tRNA), il vero dizionario bilingue della traduzione dei geni in proteine Il tRNA ha una forma a quadrifoglio e presenta ad un’estremità il sito di attacco dell’amminoacido, mentre all’estremità opposta presenta l’anticodone, cioè una tripletta complementare a quella che sul mRNA specifica l’amminoacido relativo. Fig. 15.8 pag. 203 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 la sintesi proteica

U A C met A U G C 1-tRNA mRNA 5’ Subunità piccola La fase di inizio comincia quando la subunità ribosomiale più piccola si attacca all’mRNA presso l’estremità 5’, che espone il primo codone (AUG) Poi il primo tRNA si colloca in modo da appaiare il proprio anticodone col primo codone dell’mRNA 1-tRNA U A C met mRNA A U G C 5’ Subunità piccola la sintesi proteica

Sito P A U A C met A U G C Subunità grande 1-tRNA mRNA 5’ Successivamente la subunità ribosomiale più grossa si attacca a quella più piccola ed il tRNA di inizio va ad occupare il sito P 1-tRNA U A C met Sito P Subunità grande A mRNA A U G C 5’ Subunità piccola la sintesi proteica

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

Sito Sito P A U A C met A phe leu G A U A U G C U A U U U C G A 1-tRNA Il primo tRNA abbandono il ribosoma, lasciandovi il proprio amminoacido Il ribosoma scorre in avanti di un codone lungo l’mRNA 1-tRNA U A C met 3-tRNA A phe leu Sito P Sito A 2-tRNA G A U A U G C U A U U U C G A mRNA la sintesi proteica

Sito Sito P A met phe leu thr G C U G A U A A A A U G C U A U U U C G 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 l’mRNA met phe leu thr Sito P Sito A 4-tRNA 2-tRNA 3-tRNA G C U G A U A A A A U G C U A U U U C G A A C U la sintesi proteica

Sito Sito P A met leu phe arg G A U G C U A A A A U G C U A U U U C G Anche il secondo tRNA lascia il ribosoma. Mentre questo continua a scorrere lungo l’mRNA nuovi amminoacidi si aggiungono alla catena met leu phe arg Sito P Sito A 2-tRNA G A U 4-tRNA 3-tRNA G C U A A A A U G C U A U U U C G A A C U la sintesi proteica

Sito Sito P A met leu arg U G A thr phe A A A G C U G C U A U U U C G Il processo si ripete allo stesso modo per l’aggiunta 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 met leu arg U G A thr phe Sito P Sito A 5-tRNA 3-tRNA 4-tRNA A A A G C U G C U A U U U C G A A C U la sintesi proteica

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

Via via che il ribosoma si sposta lungo l’mRNA 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 polipeptide mRNA 1 2 3 4 5 6 7 la sintesi proteica