Riassunto esame Biochimica, Prof. Marcocci Lucia, libro consigliato Principi di biochimica , Lehninger

BIOSINTESI DELLE PROTEINE

Traduzione degli mRNA e codice genetico

La sintesi delle proteine si basa sul meccanismo di traduzione degli mRNA, ovvero la sequenza dei

nucleotidi dell’mRNA verrà tradotta in un sequenza di amminoacidi a partire da un determinato punto

d’inizio del processo di traduzione grazie alla presenza di un adattatore.

Questi nucleotidi verranno letti e tradotti grazie alla presenza di un codice, definito codice genetico,

che rappresenta la corrispondenza tra il linguaggio a 3 lettere degli acidi nucleici (mRNA) e quello a

20 lettere degli amminoacidi. Le triplette nucleotidiche prendono il nome di codoni, necessari per

specificare un singolo amminoacido e letti in direzione 5’-3’. Esistono:

 Codoni di inizio: AUG che specifica per la metionina 200

 Codoni di terminazione (codoni di stop o codoni non senso): UAA, UAG, UGA.

Il primo codone specifico della sequenza determina il quadro di lettura (reading frame) in base al

quale ogni tre residui nucleotidici inizia un nuovo codone: se una sequenza non contiene codoni di

stop entro 50 nucleotidi dall’inizio, è detta quadro di lettura aperto (open reading frame). Le sequenze

dei nucleotidi possono essere lette con l’ausilio di due tipi di codici:

 Codice non sovrapposto: a partire dal primo nucleotide, ogni tre residui nucleotidici

rappresentano un codone specifico per un amminoacido. I codoni, infatti, non condividono

nucleotidi. Questo tipo di codice consente una flessibilità maggiore alle sequenze dei codoni

vicini ed è il codice utilizzato da tutti i sistemi viventi. Nel codice non sovrapposto, inoltre,

l’inserimento o la delezione di una coppia di basi alterano la sequenza di triplette e tutti gli

amminoacidi codificati dalla porzione di mRNA a valle della mutazione risultano modificati.

Queste mutazioni combinata del tipo inserzione-delezione coinvolgono alcuni amminoacidi

ma possono alla fine ripristinare la corretta sequenza amminoacidica.

sovrapposto: alcuni nucleotidi dell’mRNA sono condivisi da codoni diversi e la

 Codice

sequenza della tripletta del primo codone limita le possibili sequenze del secondo codone.

Il codice genetico è universale con delle varianti nei mitocondri, in alcuni batteri ed in alcuni eucarioti

unicellulari. La degenerazione del codice genetico, inoltre, fa sì che un amminoacido possa essere

solo nell’ultima base, che è detta oscillante);

specificato da più di un codone (differenziano in genere

i primi due nucleotidi di ciascun codone sono i principali determinanti della specificità.

Quadro di lettura

In un codice non sovrapposto formato da triplette di nucleotidi, tutti gli mRNA possiedono 3

potenziali quadri di lettura, rappresentati in figura con colori diversi. In ciascun quadro di lettura,

variabile in base al punto di partenza scelto, le triplette e conseguentemente gli amminoacidi codificati

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sono diversi. Al momento della traduzione degli mRNA, se i ribosomi saltano delle basi avviene il

cambiamento del quadro di lettura.

Slittamento della sequenza di lettura

Lo slittamento della sequenza di lettura riguarda il cambiamento del quadro di lettura su cui fanno

affidamento i virus. In figura è rappresentata la regione della sovrapposizione gag-pol del virus del

sarcoma di Rous: questo slittamento permette di codificare per un complesso proteico dal quale è

prodotta poi la trascrittasi inversa (DNA polimerasi dipendente dall’RNA).

Appaiamento codoni-anticodoni

L’allineamento dell’mRNA al tRNA è di tipo

antiparallelo. Il tRNA è rappresentato nella classica

conformazione a trifoglio, con direzione 5’-3’;

sull'estremità 3’ presenta la sequenza CCA, a livello

della quale viene attaccato l’amminoacido, con il

carbossilico che interagisce con l’OH del

gruppo

ribosio. Presenta una sequenza particolare detta

anticodone, ovvero la sequenza complementare al

codone letta in direzione 5’-3’. Sull’mRNA, invece, è

presente il codone costituito da una sequenza di 3 basi:

le prime due basi definiscono la specificità del legame

mentre la base in posizione 3 è detta base oscillante e,

grazie ad essa, il legame tra tRNA e mRNA non è

sufficientemente forte per creare un’associazione

permanente.

LA SINTESI PROTEICA

La sintesi delle proteine è un processo complesso, coordinato ai processi di trasporto e degradazione

delle proteine non più necessarie. Nelle cellule eucariotiche, la sintesi proteica richiede la

partecipazione di:

 70 diverse proteine ribosomiali

 20 enzimi di attivazione degli amminoacidi

una decina di enzimi e fattori proteici per l’inizio, l’allungamento e la terminazione dei

 polipeptidi

 100 enzimi per la modificazione finale delle proteine

 40 tipi di rRNA e tRNA 202

In una cellula batterica, invece, il 35% del peso secco della cellula è rappresentato da:

 15000 ribosomi

 100000 fattori proteici ed enzimi ad essi associati

 200000 tRNA

In un batterio, inoltre, la sintesi di una proteina da 100 amminoacidi a 37° avviene in 5s, mentre in

una cellula eucariotica la trascrizione richiede qualche ora, essendo il meccanismo molto più

complesso.

La sintesi proteica avviene nei ribosomi, che possono essere liberi nel citosol o associati al reticolo

endoplasmatico, rendendolo rugoso. Questo processo può essere suddiviso in 5 fasi:

1. Attivazione degli amminoacidi

2. Inizio

3. Allungamento

4. Terminazione e rilascio

5. Ripiegamento e modificazioni post-traduzionali

1) Attivazione degli amminoacidi

L’attivazione degli amminoacidi consiste nel legame ATP dipendente, a livello del citosol, al loro

corrispondente tRNA ad opera delle amminoacil-tRNA-sintetasi. Questo legame permette

l’attivazione del gruppo carbossilico di ciascun amminoacido per facilitare la formazione del legame

peptidico.

Le amminoacil-tRNA-sintetasi sono specifiche per un amminoacido e per uno o più tRNA. Nella

maggior parte degli organismi esiste un amminoacil-tRNA sintetasi per amminoacido. Tutte le

amminoacil-tRNA sintetasi catalizzano la seguente reazione:

AA + tRNA + ATP------- Mg --------- aminoacil-tRNA + AMP + PP

2+

Basandosi su differenze strutturali, sequenza primaria, terziaria e meccanismo di reazione, nei batteri

sono state individuate due classi di amminoacil-tRNA:

 Classe I (monomeriche)

 Classe II (dimeriche)

sapere bene meccanismo d’azione delle amminoacil-tRNA

(!! sintetasi)

2) Inizio della sintesi proteica (nei batteri)

Nella fase di inizio sono coinvolti:

 Subunità ribosomiale 30S

 mRNA

 f-Met tRNAfMet

 Tre fattori di inizio IF-1, IF-2, IF-3

 GTP

 Mg +2

 Subunità ribosomiale 50S

Tre siti ribosomiali sono importanti per la sintesi delle proteine:

 sito P (o sito peptidilico): si trova sulla subunità 30S per il posizionamento di f-Met tRNAfMet

e per il posizionamento del polipeptide nascente.

 sito A (o sito amminoacilico): si trova alla destra del sito P sulla subunità 50S per il

posizionamento dei tRNA che portano gli amminoacidi da legare. Questo sito è occupato nella

fase di inizio da IF-1 per dirigere f-Met tRNAfMet sul sito P.

 sito E (o sito di uscita): si trova sulla subunità 50S ed è il sito di uscita dei tRNA ormai scarichi

203

La sintesi proteica a livello dei batteri inizia all’estremità N-terminale e procede con l’aggiunta degli

amminoacidi all’estremità C-terminale. Il codone d’inizio per la sintesi proteica è costituito da AUG,

che codifica per la metionina. Il primo amminoacido inserito, infatti, è la N-fMet. Esistono due tRNA

diversi che inseriscono metionina:

tRNAfMet: esclusivo per la metionina all’inizio della catena.

 tRNAMet: per la metionina all’interno

 della catena.

La formilazione della metionina permette alla fMet-tRNAfMet il legame ad uno specifico sito di

inizio sul ribosoma, che non accetta né il legame di Met-tRNAMet né di un altro tRNA

Anche nei mitocondri e nei cloroplasti è presente fMet come amminoacido di inizio della sintesi

proteica mentre negli eucarioti è coinvolta la metionina non formilata.

(!! conoscere la reazione di inizio sintesi proteica nei batteri)

La reazione di formilazione avviene in due fasi catalizzate dall’amminoacil-tRNA Met sintetasi, che

lega Met a tRNAMet:

Met + tRNAfMet +ATP -------- Met-tRNAfMet +AMP +PP

La reazione di formilazione, inoltre, viene catalizzata anche dalla transformilasi, che riconosce la

tRNAfMet da tRNAMet grazie a peculiari caratteristiche strutturali del tRNA per la fMet:

N10-Formiltetraidrofolato+Met-tRNAfMet------fMetRNAfMet + tetraidrofolato

è un derivato di una vitamina, l’acido folico, ed in quanto tale è in

L'N 10-Formiltetraidrofolato

grado di trasferire unità monocarboniose che non siano CH o CO a substrati. Questo ruolo dei

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derivati dell’acido folico risulta importante nei batteri in quanto è un modo per bloccare il gruppo

amminico della catena peptidica nascente.

!! conoscere struttura acido folico 204

Formazione del complesso di inizio (!! non bisogna

conoscere chi entra prima, dopo…)

Il complesso si forma in 3 tappe:

1. La subunità 30S si lega a IF1a livello del sito A e a

IF3. In seguito questa subunità più piccola si lega

all’mRNA, con la tripletta AUG posizionata a livello

del sito P.

L’IF-2-GTP

2. si lega alla subunità 30S e sequestra

l’fMet-tRNA che forma delle coppie di basi con il

fMet

codone di inizio.

3. La subunità 50S si associa, IF-2 idrolizza GTP e IF-

1, IF-2 e IF-3 si dissociano, abbandonando il

complesso di inizio.

Posizionamento dell’mRNA batterico nel ribosoma: sequenze di Shine Dalgarno dell’mRNA

con rRNA 16S

L’allineamento dell’AUG di inizio nella sua posizione corretta sulla subunità ribosomiale 30S

presenza in posizione 5’ di sequenze di Shine-Dalgarno

dipende in parte dalla (in arancione in figura).

che si trovano sull’mRNA, si appaiano con una sequenza

Queste sequenze di Shine-Dalgarno,

complementare 3’ dell’RNA 16S. 205

2) Inizio della sintesi proteica (negli eucarioti)

La traduzione negli eucarioti è simile a quella nei procarioti. Tuttavia:

 Non è presente la sequenza di Shine Dalgarno, ma AUG è il primo codone che si incontra

scorrendo mRNA e il primo amminoacido è Met-tRNAMet

 Vengono usati più fattori di inizio (elF), che costituiscono un complesso 43S che lega il

ribosoma e lega in modo peculiare mRNA, coinvolgendo sia l’estremità 5’-cap che la 3’-poliA

La velocità di sintesi della