Appunti Fondamenti di matematica e statistica

8. LA SINTESI PROTEICA: TRASCRZIONE

Nella seconda metà dell’Ottocento, cominciò a farsi strada

nella storia della biologia l’idea che il i geni sono fatti di DNA.

All’inizio del Novecento, poi, i genetisti avevano già stabilito

una relazione fra i geni e i cromosomi, ma furono necessari

altri cinquant’anni per comprendere il ruolo centrale del

DNA. La struttura del DNA proposta da Watson e Crick spiegava due funzioni fondamentali del DNA - Il

materiale genetico va incontro a duplicazione, che può realizzarsi facilmente grazie alla complementarietà

delle basi appaiate: ogni filamento, separato da quello complementare, può essere utilizzato come stampo

per produrre un nuovo filamento. - Nel materiale genetico è depositata l’informazione genetica di un

organismo. Le informazioni genetiche sono contenute nella sequenza lineare delle basi azotate che

formano ciascun filamento. I geni guidano la costruzione delle proteine. I genetisti statunitensi George W.

Beadle ed Edward L. Tatum ipotizzarono che l’effetto sull’organismo dell’espressione di un gene, cioè il

fenotipo, fosse mediato dall’attività di un enzima; formularono l’ipotesi «un gene, un enzima» -> Un gene,

una catena polipeptidica. L’informazione passa dal DNA alle proteine. Crick cominciò a considerare il

problema del rapporto fra DNA e proteine. Questo lo portò al DOGMA CENTRALE DELLA BIOLOGIA

MOLECOLARE: ‘il gene è un tratto di DNA contenente le informazioni per la produzione di una catena

polipeptidica, ma la proteina non contiene l’informazione per la produzione di altre proteine, dell’RNA o

del DNA’ Tale principio solleva due interrogativi: 1. in che modo l’informazione passa dal nucleo al

citoplasma? 2. in che rapporto stanno una determinata sequenza nucleotidica del DNA e una determinata

sequenza amminoacidica di una proteina?

1. La TRASCRIZIONE e l’ipotesi del messaggero. Da un filamento di DNA di un particolare gene si

formasse per copia complementare una molecola di RNA, l’RNA messaggero o mRNA

2. La TRADUZIONE e l’ipotesi dell’adattatore. Una sequenza di DNA si trasforma nella sequenza di

amminoacidi di un polipeptide, tramite un adattatore: deve esistere una molecola adattatrice

capace di legarsi in modo specifico a un amminoacido e di riconoscere una sequenza di nucleotidi:

l’ RNA transfer, o tRNA

La trascrizione richiede:

- uno stampo di DNA per l’appaiamento complementare delle basi: uno dei due filamenti del DNA

- i quattro ribonucleosidi trifosfato: ATP, GTP, CTP e UTP che facciano da substrato

- l’enzima RNA polimerasi che catalizza l’aggiunta di un nucleotide in direzione 5’- 3’ come la DNA

polimerasi ma a differenza di essa non necessita di un primer.

Lo stesso processo è responsabile della sintesi del tRNA e dell’RNA ribosomiale (rRNA). Anche questi RNA

sono codificati da geni specifici. Negli eucarioti vengono anche trascritti piccoli RNA nucleari (snRNA),

microRNA e i piccoli RNA interferenti (small interfering, siRNA). All’interno di ciascun gene viene trascritto

uno solo dei due filamenti di DNA, il filamento stampo, mentre il filamento complementare resta non

trascritto.

La trascrizione prevede tre fasi:

1. L’INIZIO della TRASCRIZIONE richiede un PROMOTORE, una speciale sequenza di DNA alla quale si

lega la RNA polimerasi. I promotori sono sequenze di controllo che «dicono» all’RNA polimerasi tre

cose: da dove far partire la trascrizione, quale filamento del DNA trascrivere, in quale direzione

procedere. Una parte di ogni promotore è il sito di inizio, dove incomincia la trascrizione.

Esistono differenze fra i PROMOTORI degli eucarioti e quelli dei procarioti. Nei PROCARIOTI, il promotore

è una sequenza di DNA situata nell’estremità 5’ della regione che codifica una proteina; possiede due

sequenze fondamentali: la sequenza di

riconoscimento, ossia la sequenza riconosciuta

dall’RNA polimerasi (sequenza – 35) , e il TATA box

(così denominato poiché ricco di coppie di basi AT)

sequenza a - 10, che si trova più vicino al sito di inizio

e in corrispondenza del quale il DNA inizia a

denaturarsi per esporre il filamento stampo. La

trascrizione comincia all’interno della bolla di

trascrizione in un sito da cinque a nove paia di basi

oltre la sequenza -10. Esistono fattori di trascrizione,

fattori sigma nei procarioti, che possono aiutare la

RNA polimerasi a determinare quale gene ed in quale

momento della vita della cellula deve essere

espresso.

L’RNA polimerasi degli eucarioti non è in grado di legarsi semplicemente al promotore e di iniziare a

trascrivere; essa infatti si lega al

DNA soltanto dopo che sul

cromosoma si sono associate varie

proteine regolatrici dette fattori di

trascrizione. Il primo fattore di

trascrizione si lega al TATA box,

inducendo un cambiamento del DNA,

favorendo così il legame di altri

fattori di trascrizione (tra cui l’RNA

polimerasi) che vanno a formare il

complesso di trascrizione.

2. Allungamento

Dopo che l’RNA polimerasi si è legata al promotore apre il DNA e legge il filamento stampo in direzione

3'→5‘. Come la DNA polimerasi, anche la RNA polimerasi aggiunge i nuovi nucleotidi all’estremità 3' del

filamento in crescita, quindi la direzione in cui cresce l’RNA è da 5' a 3', ma non ha bisogno di un primer per

dare inizio al processo. I ribonuclosidi

trifosfato vengono usati come substrati e

utilizzano il rilascio dei due fosfati come

energia per la polimerizzazione. Il nuovo

RNA si allunga verso l'estremità 3'

partendo dalla prima base che costituisce

l'estremità 5'; di conseguenza l’RNA

trascritto è antiparallelo al filamento di

stampo del DNA.

3. Terminazione

Analogamente al sito di inizio, sul filamento stampo del DNA ci sono particolari sequenze di basi che ne

stabiliscono la terminazione. Negli eucarioti i meccanismi non sono ancora ben chiari. Nei batteri esistono

due meccanismi: l’RNA forma un’ansa nella parte

terminale causando il distacco della RNA

polimerasi oppure esistono sequenze sull’RNA alle

quali si legano proteine che inducono il distacco

dell’RNA dal DNA stampo. Negli eucarioti il primo

prodotto della trascrizione è più lungo dell’mRNA

maturo e deve andare incontro a un notevole

processo di trasformazione prima di essere tradotto.

L’informazione per la sintesi proteica risiede in un codice genetico. La sequenza di nucleotidi che compone

l’RNA contiene le informazioni necessarie a ottenere gli amminoacidi: è il linguaggio del codice genetico.

Ogni sequenza di tre basi lungo la catena polinucleotidica dell’RNA è un’unità di codice, o CODONE, e

specifica un particolare amminoacido. Ciascun codone è complementare alla corrispondente tripletta di

basi nella molecola di DNA su cui è stato trascritto. Il codice genetico crea una corrispondenza tra i codoni e

i loro specifici amminoacidi. Esistono molti più codoni di quanti siano i diversi amminoacidi delle proteine.

Con quattro possibili «lettere» (le basi) si possono scrivere 64 parole di tre lettere (i codoni), ma gli

amminoacidi specificati da questi codoni sono solo 20. AUG, che codifica la metionina, è anche il codone di

inizio, il segnale che avvia la traduzione (o sintesi proteica). Tre codoni (UAA, UAG, UGA) funzionano da

segnali di terminazione della traduzione, o codoni di stop; quando il dispositivo per la traduzione

raggiunge uno di questi codoni, la traduzione si interrompe e il polipeptide si stacca. Il codice è degenerato

ma non è ambiguo. infatti a quasi tutti gli amminoacidi corrispondono più codoni. Perciò si dice che il

codice è degenerato. Il codice genetico non è però ambiguo: un amminoacido può essere specificato da più

codoni, ma un codone può specificare un solo amminoacido. Il codice genetico è (quasi) universale, un

codone specifica sempre lo stesso amminoacido. Quindi il codice deve essersi affermato in tempi remoti e

da allora si è conservato immutato durante tutta l’evoluzione.

Il CAP facilita il legame dell’mRNA maturo al ribosoma e protegge l’mRNA

dalla digestione da parte delle ribonucleasi.

La coda di poli-A può facilitare la

fuoriuscita dell’mRNA maturo dal

nucleo ed è importante per la

stabilità dell’mRNA

Geni interrotti e lo SPLICING del pre-mRNA negli EUCARIOTI. Molti geni che codificano proteine

contengono anche sequenze non codificanti, dette INTRONI, intercalate ai tratti codificanti che sono

chiamati ESONI. I geni formati da esoni e introni sono chiamati geni interrotti; ognuno di essi inizia e finisce

con un esone. Ogni esone codifica una piccola parte della proteina; queste parti sono definite domini. Gli

introni sono presenti in quasi tutti i geni degli

organismi eucarioti. Nel caso dei geni interrotti, la

produzione di mRNA comporta, oltre alla

trascrizione, un passaggio ulteriore: la rimozione

dal trascritto primario di mRNA, definito pre-

mRNA, dei trascritti degli introni e la successiva

saldatura dei trascritti degli esoni: SPLICING

dell’RNA. Lo SPLICEOSOMA: un apparato per tagliare ed unire l’RNA. Molecole

fatte di RNA e proteine chiamate snRNP si legano a sequenze consenso

che delimitano gli introni nei trascritti di pre-mRNA. Successivamente si

legano altre proteine, dando origine a un gran complesso, lo

spliceosoma, che determina con grande precisione la posizione di ogni

taglio nel pre-mRNA.

9. SINTESI PROTEICA: TRADUZIONE

delle informazioni portate dall’mRNA avviene nei ribosomi e richiede la

presenza di tRNA, enzimi, fattori di vario genere, ATP e amminoacidi.

Trascrizione e traduzione sono accoppiate nei batteri, mentre negli

eucarioti sono separate. Negli eucarioti le catene polipeptidiche si

allungano a mano a mano che vengono aggiunti nuovi ribosomi; Questo fenomeno porta alla

formazione di POLISOMI che aumentano la velocità di sintesi proteica.

Struttura del tRNA Il caricamento dei diversi tRNA avviene grazie a una famiglia di

enzimi, gli amminoacil-tRNA-sintetasi, che legano l’amminoacido al

tRNA tramite un legame ad alta energia.

I ribosomi sono strutture

complesse in grado di assemblare

correttamente una catena polipeptidica, trattenendo nella giusta posizione l’mRNA e i tRNA carichi.

Ognuno è costituito da due subunità, una maggiore e una minore che si uniscono solo

durante la traduzione.

Negli eucarioti, la subunità maggiore è composta da tre molecole diverse di RNA

ribosomiale (rRNA) e da 45 molecole proteiche differenti; la subunit&a