Acidi nucleici, trascrizione, traduzione e replicazione

La traduzione

La traduzione è quel processo in cui l'informazione trascritta nell'mRNA viene convertita in una sequenza di amminoacidi formando una proteina. Per poter passare dal linguaggio di nucleotidi al linguaggio di amminoacidi, occorre conoscere il codice genetico. Nel 1961, Crick e collaboratori cercarono di combinare le 4 basi azotate con i 20 amminoacidi esistenti. Intuirono fin da subito che un singolo nucleotide non poteva corrispondere ad un amminoacido: avremmo in tal caso una corrispondenza di 4 nucleotidi con 4 amminoacidi. Nemmeno 2 nucleotidi erano sufficienti a comporre un amminoacido, poiché il numero di combinazioni possibili per n elementi su 2 posti è uguale a n e quindi 4 nucleotidi combinati a 2 a 2 possono dare solo fino a 16 amminoacidi differenti. Si ipotizzò allora che i nucleotidi necessari dovevano essere 3. Dalla combinazione di 4 risultano 64 possibili amminoacidi, di cui 3 sono codoni di stop. Il codice genetico ha alcune

caratteristiche: è continuo senza virgole, i codoni vengono letti in successione e senza alcuna interruzione per dare la sequenza amminoacidica di una proteina; è degenere, molti codoni sono sinonimi; è universale, in tutti gli organismi, procarioti ed eucarioti, il codice è esattamente identico. 2 codoni che specificano lo stesso amminoacido differiscono solo nella terza posizione ed usano lo stesso tRNA nella sintesi proteica.

Conosciamo i protagonisti della traduzione: il tRNA ha una forma a trifoglio e presenta tratti a doppio filamento. Presenta diverse regioni con specifiche funzioni. Il sito accettore lega all'amminoacido all'estremo COOH. L'enzima che lega l'aa al sito accettore si chiama amminoacil-tRNA-sintetasi e lega specificamente una aa al suo tRNA. Il braccio variabile mantiene costanti le dimensioni tra i vari tRNA; l'ansa dell'anticodone che possiede 3 nucleotidi che si appaiono ai 3 nucleotidi del codone.

quarto e ultimo braccio è l'ansa D formatoda un insieme di basi senza corrispondenti. Nella traduzione distinguiamo innanzitutto una fase ATP-dipendente ed una GTP-dipendente.

Fase ATP-dipendente: processo in cui gli aa vengono legati al tRNA grazie ad enzimi noti come amminoacil-tRNA sintetasi. Il riconoscimento fra l'aa ed il suo tRNA avviene perché l'enzima riconosce vari segnali interspersi nei tRNA.

Fase GTP-dipendente: INIZIOSi forma un complesso di inizio tra l'mRNA, la subunità ribosomiale minore e una molecola di tRNA portante il primo aa (metionina per gli eucarioti, formilmetionina per i procarioti). Questo primo tRNA si appaia con il proprio anticodone al codone AUG dell'mRNA, che è il codone di inizio della sintesi proteica. In seguito, al complesso di inizio si lega la subunità maggiore in cui sono presenti 3 siti: il sito P, il sito A e il sito E. Il primo tRNA si posiziona in corrispondenza del sito

ALLUNGAMENTO

Vi è il riconoscimento dell'mRNA che si trova nel sito A, da parte dell'anticodone del secondo tRNA. Si forma così un legame peptidico fra il primo e il secondo aa. Il catalizzatore della formazione del legame peptidico si è scoperto essere un rRNA che avendo attività cataboliche viene chiamato ribozima. L'allungamento avviene in direzione NH e l'mRNA va letto dal 5'P al 3'OH. A questo punto vi è lo slittamento del ribosoma sulla tripletta successiva. Il sito A sarà così nuovamente vuoto, il sito P avrà il tRNA a cui è legato il dipeptide nascente ed il sito E sarà caratterizzato dal tRNA "scarico" che uscirà dal sistema. Nel sito A vuoto, il processo continua.

TERMINAZIONE

Si ha il distacco della catena polipeptidica completata. Questa fase si verifica quando il ribosoma incontra uno dei 3 codoni di stop che non specificano alcun aa. 2 di

Questi 3 codoni di stop, possono codificare raramente selenocisteina e pirrolisina in presenza di segnali ben precisi. È stato evidenziato da Shine e Dalgarno che esiste un segnale costituito da basi complementari ad una sequenza posta sull'RNA minore. Tale segnale consente alla subunità minore del ribosoma di adagiarsi per prima sull'mRNA posizionandosi in modo da individuare l'AUG di inizio e di conseguenza la giusta cornice di lettura. Essa prende il nome di sequenza di Shine e Dalgarno nei procarioti e sequenza di Kozak negli eucarioti.

Alcuni antibiotici agiscono inibendo la traduzione dei batteri.

Modificazioni post-traduzionali:

• Acetilazione, l'80% delle proteine sono acetilate. Viene aggiunto un gruppo acetile;
• Metilazione, soprattutto su residui lisine e arginine;
• Glicosilazione, legame covalente con zuccheri più o meno ramificati, necessaria per il giusto ripiegamento nel RE;
• Lipoproteine, legame covalente con lipidi.

generalmente a livello di membrana:

• Fosforilazione, residui aa legati covalentemente ad uno o più gruppi fosforici.

Numerose sono le mutazioni puntiformi, che comportano malattie gravi. Esse possono essere missenso, nonsenso e frame-shift. Avvengono a causa di una sostituzione, delezione, duplicazione o inserzione di un nucleotide. Infine, l'ubiquitina è una proteina che si lega alle proteine malformate e che ne causa la distruzione. Essa infatti viene poi riconosciuta da un proteosoma che distruggerà la proteina. Dopo di che, l'ubiquitina viene rilasciata. Oltre a questa funzione, essa svolge innumerevoli funzioni a livello del DNA e della trascrizione. Regolazione e controllo dell'espressione genetica: Le varie proteine dopo essere state trascritte si differenzieranno e assumeranno funzioni specifiche. Ci saranno proteine espresse in tutti gli esseri viventi dette housekeeping che svolgono funzioni di base; altre, più particolari, sonopiù o meno espresse nei vari tessuti (ad esempio più nel tess. muscolare e meno in quello nervoso). È possibile controllare l'espressione genetica a molteplici livelli. La condensazione della cromatina regola la trascrizione. Essa avviene più facilmente se la cromatina è meno spiralizzata. L'epigenetica è lo studio della cromatina, in particolare delle proteine che si trovano vicino al DNA e che influenzano la trascrizione. Ad esempio, gli istoni e le proteine non istoniche sono proteine regolatrici. Le seconde si inseriscono nelle scanalature del DNA attraverso il riconoscimento di una sequenza. Quasi tutte le proteine vengono modificate subito dopo esser state sintetizzate. Se queste modifiche vengono però fatte alle proteine istoniche verrà involontariamente cambiata anche l'espressione genetica. Se vengono acetilate le loro code, si indebolisce la loro interazione con il DNA e si permette quindi ad alcuni fattori di

Trascrizione di legarsi adesso, promuovendo la trascrizione. Al contrario, la metilazione delle proteine non istoniche sfavorisce la trascrizione. Si viene a creare così un codice istonico, ovvero l'insieme di tutti i cambiamenti apportati alle proteine non istoniche e che influenzano la trascrizione. Ne esistono diversi tipi, elica-giro-elica, a dita di zinco, a cerniera di leucina ecc... Esiste anche un'altra proteina regolatrice del DNA, la p53, che tutela le nostre cellule e svolge un'importante funzione di difesa contro i tumori. Il 8% dei geni umani codifica per le proteine regolatrici. Altri fattori che influenzano il controllo dell'espressione genetica sono: - la degradazione del RNA, ovvero di quei RNA assemblati male e che vengono degradati prima ancora di uscire dai pori; - i fattori ambientali, influenzano la trascrizione. La p53 ha allora un ruolo importante di difesa. Nonostante ciò possono svilupparsi malattie gravi; - micro RNA,

inibiscono la traduzione del mRNA. Essi sono prodotti dalla polimerasi II e vanno in contro ad un processo di maturazione per poter poi fuoriuscire dal nucleo.

L'espressione genetica, infine, può essere anche regolata dal modello dell'operone. Un esempio è l'operone lattosio nei batteri, inducibile e catabolico. Esso è un tratto di DNA che contiene un promotore, un operatore e diversi geni strutturali importanti poiché producono enzimi necessari al metabolismo del lattosio. Negli eucarioti un operone è invece formato dall'alternarsi di un promotore e un gene, promotore gene e così via.

Nei procarioti i geni vengono regolati da un solo promotore che lavora solo in presenza di lattosio. Quando quest'ultimo non c'è, viene sintetizzato un repressore. Se invece il lattosio è presente, esso inattiva il repressore e vengono prodotti enzimi per metabolizzare il lattosio. L'operone triptofano invece,

è unoperone anabolico che funziona solo in casi in cui vi si richiede. Se vi è bisogno, il repressore si inattiva. Nel momento in cui non vi è più bisogno, il triptofano attiva il repressore. DUPLICAZIONE DEL DNA (fase S del ciclo cellulare) Negli eucarioti inizia da numerosi punti, nei procarioti inizia in un unico punto detto origine. In questo punto, il DNA si apre (rottura dei legami H) ed inizia la duplicazione. Essa avviene grazie all'enzima DNA polimerasi, che presenta 2 caratteristiche: aggiunge nucleotidi in direzione 5'->3'; non può iniziare la sintesi di DNA ex novo, ma richiede un'estremità 3'OH di un nucleotide già esistente per poter aggiungere il nucleotide successivo. La cellula sintetizza pertanto, tramite un enzima detto primasi, un primer a RNA detto anche innesco, che fornisce l'estremità 3'OH necessaria alla DNA polimerasi. Poiché la DNA polimerasi allunga

Il filamento in direzione 5' à 3', ne consegue che un filamento di nuova sintesi (filamento guida) è sintetizzato in modo continuo, senza interruzioni nella direzione di avanzamento; l'altro filamento di nuova sintesi (filamento in ritardo) è sintetizzato in modo discontinuo in direzione opposta alla direzione di avanzamento, formando dei frammenti di Okazaki. La DNA polimerasi infatti nell'altra direzione leva i nucleotidi. Questa è una caratteristica importante perché così facendo elimina da sola gli i nucleotidi sbagliati e successivamente continua il suo percorso. I primer a RNA vengono successivamente rimossi, gli spazi vuoti riempiti con nuovo DNA ed i frammenti saldati con la DNA ligasi. Gli enzimi più importanti da ricordare in questa fase sono:

• DNA polimerasi, per la sintesi;
• DNA elicasi, provoca l'apertura dell'elica;
• DNA binding proteins, mantiene aperta l'elica;
• Topoisomerasi,

impedisce la formazione di grovigli; • DNA ligasi, unione dei frammenti di Okazaki. Uno dei problemi che avvengono durante la duplicazione del DNA è la duplicazione dei telomeri. Essi