Biochimica - espressione e regolazione genica

COME AVVIENE LA TRADUZIONE?

Noi, infatti, ci soffermiamo soprattutto sull' mRNA: l'm-RNA processing è il

processo cui va incontro il filamento di RNA che traduce per una proteina. Mentre

nei procarioti la traduzione dell'mRNA avviene durante la trascrizione dello

stesso, negli eucarioti la traduzione avviene solo dopo la trascrizione e

maturazione dell' mRNA [maturazione che prevede: capping (formazione del

CAP); poliadenilazione (formazione del poli-A); splicing].

L' mRNA va incontro a questo processamento poichè è immaturo, ed è indifeso

da enzimi del citoplasma che lo degraderebbero. Inoltre non riuscirebbe a legarsi

con il ribosoma: ecco perchè si forma il CAP (7-metilguanosina), così che questo

faccia da uncino tra l'mRNA e il ribosoma. Il legame tra CAP e primo tratto

dell'mRNA, avviene mediante un legame trifosfato in direzione 5'->5'.

Altro fattore importante è la poli-A all'estremità 3' che segnala la fine dell'mRNA e

lo protegge dall'attacco di enzimi citoplasmatici (esonucleasi, che sono

ribonucleasi). L'mRNA ha infatti un'emivita: avendo questa lunga serie di A (100-

150) c'è tutto il tempo per far sì che l'mRNA si leghi al ribosoma e inizi la

traduzione, prima che sia degradata la porzione "importante" dell'mRNA, ovvero

quella fino al codone di stop. Ancor di più fondamentale rilevanza è lo splicing.

Esso elimina quelle "pagine bianche", porzioni del gene non codificanti, che

sono gli introni, ed avviene attraverso gli splicesomi (formati da frammenti di

RNA detti snRNA che si associano con delle proteine).

Oltre agli snRNA (piccoli RNA nucleari), abbiamo gli scRNA (piccoli RNA

citoplasmatici).

Ai piccoli RNA, aggiungiamo i microRNA, che si legano a siti parzialmente

complementari dell' mRNA per stabilizzarlo.

IL DOGMA CENTRALE DELLA BIOLOGIA E L'ESPERIENZA DI MILLER

(1953)

Il dogma era sostanzialmente la teoria, ideata da Crick, secondo cui il flusso

informazionale fosse monodirezionale: ovvero dal DNA all'RNA. Stava però da

spiegarsi cosa e come era nato prima, se "l'uovo o la gallina".

Si scoprì in realtà che la prima molecola è stata un RNA, detto Mondo-RNA: tali

molecole, infatti, oltre che possedere informazioni e "costruire" strutture

particolari dedite alla sintesi proteica, hanno anche funzione enzimatica. Ciò è

stato scoperto con i ribozimi, enzimi a RNA. La prima proteina che dev'esser

stata sintetizzata fu una trascrittasi inversa, poichè ha portato alla formazione

poi di DNA (a partire dall'RNA, di cui è più resistente). Il dogma centrale della

biologia è stato quindi scongiurato dalla scoperta di un retrovirus. Come si è

formata la prima cellula, detta "progenote" ? Uno scienziato inglese, per dare

un quadro della cosa, disse: "Immaginate un deposito di rottami, un tornado

veloce che forma da queste apparecchiature rotte un areo. Questo è lo stesso di

ciò che accadde sulla Terra circa 4 miliardi di anni fa, e che l'esperienza di Miller

ben illustra. Miller, insieme a , ricevette il nobel per aver dimostrato come

nacque la vita a partire dalle sostanze presenti nell'atmosfera 4 miliardi di anni fa

(NH3, CH4, H2 e H20 a 80°): colpendo queste sostanza, chiuse in un ampolla

isolata, con scariche elettriche (simil-fulmini), aspettando un pò di tempo si notò

che si erano formati degli aminoacidi ecc. secondo reazioni chimiche spontanee.

CICLO DELL' HIV

Come già detto prima, il dogma centrale della biologia (Secondo cui il flusso è

monodirezionale, ovvero DNA (detentore dell'informazione genetica organizzate

in unità dette geni) --> RNA (che traduce l'informazione genetica nel linguaggio

delle proteine) è stato sconfessato dalla scoperta dei retrovirus, alla base di cui

abbiamo gli enzimi trascrittasi inversa che permettono la traduzione del

messaggio informazionale detenuto dall' RNA in DNA.

Un esempio di come agisce l'enzima della trascrittasi inversa ci è fornito da

alcune delle malattie virali mondiali causate da retrovirus: il retrovirus dell'HIV

(responsabile dell'AIDS), quello dell'epatite C e l'H5N1 responsabile dell'

INFLUENZA AVIARIA.

Soffermiamoci sul retrovirus HIV (ImmunoDeficienzaUmana):

esso presenta un involucro esterno, glicolipidico. All'interno c'è il core genetico a

RNA. L'azione dell'RNA all'interno della cellula ospite avviene mediante tre

enzimi:

- trascrittasi inversa (propria del retrovirus), che come detto è una sorta di

"traduttore" che traduce il codice virale (a RNA) in DNA. Essa è sostanzialmente

una "DNA-polimerasi

RNA-dipendente". Il prodotto dell'azione della trascrittasi è detta Provirus;

- Integrasi (propria del retrovirus), che integra il Provirus nel DNA del linfocita.

- RNA polimerasi (sfruttata dalla cellula ospite), che trascrive il Provirus ora

presente nel DNA per formare dei filamenti di RNA virali che si assembleranno

con le proteine

per formare il "core virale": ciò è dovuto all'azione delle proteasi.

Tali proteasi (proprie del retrovirus) sono anch'esse rilasciate nella cellula ospite,

cui funzione è quella di modellare le macroproteine formate così da far sì che

queste possano funzionare da virus: tale processo avviene nella gemma in

formazione.

Tra le proteine dell'HIV ritroviamo quelle extracellulari, quali la GP120 e la GP41.

- GP120: è grazie ad essa che l'HIV riconosce le cellule (che sono i linfociti CD4,

appartenenti quindi al sistema immunitario, importantissimi nella risposta

immunitaria che portano l'organismo ad esser privo di difese: in queste

condizioni, anche un raffreddore risulta letale) e le attacca bloccando gli

anticorpi;

- GP41: agisce dopo l'azione della GP120, quindi dopo l'aggancio tra il retrovirus

e la cellula, ed è grazie ad essa che avviene la fusione tra le membrane cellulari

e la conseguente penetrazione del materiale del retrovirus nella cellula ospite:

per questo motivo è anche detta proteina di fusione.

Il virus viaggia nel sangue legato agli eritrociti fin quando non entra in contatto

coni linfociti. Vediamo adesso il ciclo dell' HIV:

1. ADESIONE - Il virus si lega ai recettori del linfocita CD4 tramite le GP120;

2. FUSIONE - Il rivestimento esterno del virus si fonde a quello del linfocita

tramite le GP41;

3. PENETRAZIONE - SOLO il materiale genetico virale penetra nella cellula,

mentre il rivestimento esterno rimane all'esterno (questo è stato dimostrato,

come già visto in precedenza, attraverso gli esperimenti di Hersey e Chase nel

1953);

4. UNCOATING - Nel citoplasma è degradato il rivestimento proteico del

materiale genetico virale;

5. TRASCRIZIONE INVERSA - Mediante l'enzima trascrittasi inversa, l'RNA

virale è trascritto in DNA: si ha, cioè, la formazione del PROVIRUS;

6. INTEGRAZIONE - Il Provirus formato, di forma circolare, viene "saldato" dall'

integrasi all'interno del DNA, dopo che sia il DNA che il Provirus sono "aperti";

7. TRASCRIZIONE DEL PROVIRUS - L' RNA polimerasi propria della cellula

trascrive il Provirus in RNA virale;

8. ASSEMBLAGGIO - Le proteine e l' RNA virale si assemblano per formare il

nuovo materiale genetico virale;

9. GEMMAZIONE - Il nuovo materiale genetivo fuoriesce attraverso un processo

di gemmazione, formando nuove particelle virali di retrovirus dell'HIV per infettare

altre cellule.

Di seguito, una rappresentazione grafica del CICLO DELL'HIV:

Ricercatori, tra cui italiani, hanno scoperto che un tratto della GP120 non è

soggetta a mutazioni, quindi non cambia mai: potrebbe quindi essere attaccata

da anticorpi per quell'antigene evitando l'allaccio tra virus e linfocita. Studi di

questo genere però, sono fortemente ostacolati dalle multinazionali

farmaceutiche per motivi di lucro.

CODICE GENETICO E L’ESPERIMENTO IN VITRO DI NIRENBERG (1961)

Alla base della sintesi proteica c’è il codice genetico, ovvero l’insieme di codoni

(triplette di nucleotidi), che si appaiono poi con complementari anticodoni legati al

tRNA che portano determinati aminoacidi: esso quindi è sostanzialmente la

corrispondenza tra nucleotidi del DNA e aminoacidi delle proteine. La

questione è:

come possono esserci 20 aminoacidi se le basi azotate sono solo quattro?

Se una sola base codificasse per un aminoacido, avremmo quattro aminoacidi

(4^1);

Se due basi codificassero per un aminoacido, avremmo 16 aminoacidi (4^2);

Se tre basi codificassero per un aminoacido, avremmo 64 aminoacidi (4^3).

Come sappiamo gli aminoacidi sono riconosciuti sulla base di tre basi azotate

(codone): ogni codone, o più di uno, codificano per uno stesso aminoacido.

Una specifica sequenza di codoni corrisponde ad una proteina.

Tale codice genetico, salvo eccezioni quali organismi diversi dal nostro nonché

i mitocondri dove alcune triplette corrispondono ad aminoacidi diversi da quelli

dai nostri geni nucleari, è considerato universale.

Inoltre, il codice genetico è detto degenerato, ovvero più codoni possono

codificare per lo stesso aminoacido (tranne gli aminoacidi mietonina e triptofano

codificati da un unico codone) provocando una ridondanza: è importante

sottolineare che per degenerato non si intende impreciso. Tale degenerazione

del codice è un meccanismo di difesa contro le mutazioni puntiformi che se

colpiscono la terza base possono non alterare la sequenza aminoacidica, e

quindi la conformazione tridimensionale della proteina e la sua funzionalità.

Fondamentale ai fini della scoperta del codice genetico furono gli esperimenti in

vitro di Nirenberg: egli riuscì a sintetizzare un filamento di RNA composto solo

da uracile all'interno di un estratto cellulare di Escherichia Coli costituito solo da

DNA, RNA, ribosomi ed ulteriori componenti necessari alla sintesi delle proteine.

Aggiunsero all'estratto anche DNAasi, per assicurarsi che il DNA venisse

degradato e che le uniche proteine potessero provenire esclusivamente dal loro

RNA sintetico. In seguito procedettero all'aggiunta dei venti amminoacidi (le unità

fondamentali costituenti le proteine): uno di essi era caldo (cioè

marcato radioattivamente), mentre i restanti 19 freddi (cioè non marcati).

Realizzarono 20 campioni di questo tipo, in ognuno dei quali utilizzarono un

amminoacido caldo differente.

TRADUZIONE PROTEICA

Una volta formatosi e maturato l’mRNA questo esce dal nucleo per arrivare nel

citoplasma, dove interagisce con la subunit&ag