Riassunto esame Biologia Molecolare, prof. Mariottini, libro consigliato Il gene VI di Lewin

L O SCOPO DEL PARADIGMA

A questo punto occorre rivedere la definizione di gene. In molti casi non è più possibile, infatti,

continuare a definirlo come una sequenza continua di DNA che specifica per una sola proteina.

Nel caso di geni sovrapposti, andrebbe addirittura modificato il dogma centrale “un gene – un

polipeptide”, paradigma della biologia molecolare, in “un polipeptide – un gene”, intendendo dire

che un certo polipeptide va ricondotto ad un determinato gene, ma anche un altro polipeptide può

provenire dalla traduzione di parti dello stesso gene.

Ma soprattutto, scoprendo organismi come il prione ci si chiede effettivamente se solo DNA ed

RNA possano veicolare l’informazione. Ad esempio, in un organismo in fase di sviluppo si

riscontra un’informazione posizionale legata alla posizione delle cellule nell’uovo. Come è

possibile? Se potessimo leggere tutto il DNA di un organismo e capire dove cominciano e finiscono

tutti i geni, saremmo in grado di ricostruire quell’organismo, o mancherebbe l’informazione

posizionale? 45

SECONDA PARTE:

D AL GENE ALLA

PROTEINA 46

47

L’RNA MESSAGGERO

I tre processi responsabili della conversione dell’informazione genetica in componenti strutturali

dell’organismo sono:

Replicazione: il sistema di trasmissione del materiale genetico, in cui un acido nucleico a

 doppio filamento si duplica producendo copie identiche a sé stesso.

Trascrizione: in cui il DNA duplex è convertito in RNA a singolo filamento, con

 formazione di tRNA, mRNA o rRNA.

Traduzione: in cui l’RNA viene convertito nella sua forma amminoacidica corrispondente.



Durante il processo di trascrizione, uno soltanto dei due filamenti del DNA viene utilizzato come

stampo (filamento stampo) per formare l’RNA. Questo filamento viene anche definito filamento

antisenso, perché ha polarità opposta all’RNA (è il suo complementare).

L’altro filamento ha lo stesso orientamento dell’RNA e viene detto filamento codificante o

filamento senso.

In genere, l’informazione genetica contenuta nel DNA dopo essere stata trasformata in RNA non

può più tornare alla sua forma originale. Fanno eccezione a questa regola i retrovirus, virus ad

RNA che, grazie all’enzima trascrittasi inversa, riescono a convertirlo in DNA a singolo

filamento.

G RNA

LI M

Tutti gli mRNA possiedono tre regioni:

Regione codificante: composta dai codoni che rappresentano la sequenza amminoacidica.

 Comincia in genere con un codone AUG e finisce con uno di terminazione.

Sequenza leader: a monte del punto di inizio della traduzione.

 Sequenza di coda: posta dopo il segnale di terminazione.



Gli mRNA batterici che rappresentano un unico gene vengono definiti monocistronici, mentre

quelli la cui sequenza codifica per più proteine sono detti policistronici e rappresentano la

maggioranza degli mRNA cellulari.

Gli mRNA policistronici sono anche detti operoni ed in un certo senso rappresentano un’unità

genica perché sono formati da un gruppo di geni adiacenti.

Oltre alle sequenze comuni a tutti gli mRNA, quelli policistronici possiedono anche delle regioni

intercistroniche, necessarie per spaziare un gene dall’altro e lunghe da 1 a 30 nucleotidi.

M ’ RNA

ATURAZIONE DELL M EUCARIOTICO

La maturazione è l’insieme dei processi che portano una molecola precursore ad assumere una

conformazione matura. Questo processo coinvolge rRNA e tRNA sia eucariotici che procariotici,

mentre solo gli mRNA eucariotici devono maturare, visto che gli mRNA procariotici sono prodotti

direttamente come trascritto primario e non hanno bisogno di maturazione.

Le reazioni di maturazione sono molto specifiche e coinvolgono la formazione di un cappuccio in

5’, una coda di poli(A) in 3’ e lo splicing (eliminazione) degli introni (vedi capitolo Lo splicing

nucleare).

L ’ RNA

A TRADUZIONE DELL M

Il processo di traduzione dell’mRNA prevede la formazione della catena polipeptidica grazie

soprattutto all’ausilio del tRNA e dei ribosomi. 48

L’RNA TRANSFER

Poiché la lettura di una tripletta di nucleotidi deve portare all’attacco di un amminoacido lungo la

catena, deve esistere un adattatore che sia in grado di accoppiare ad una tripletta un amminoacido

specifico.

Il tRNA (una molecola lunga solo 75 - 95 basi) svolge questo ruolo grazie a due proprietà

fondamentali:

Si lega in modo covalente ad un singolo amminoacido

 Contiene una sequenza di tre nucleotidi, l’anticodone, complementare al codone che

 rappresenta il suo amminoacido.

Il tRNA ha una struttura secondaria a trifoglio (pag. 135), in cui l’appaiamento intramolecolare dà

origine a steli che terminano con anse a filamento singolo. Steli più anse formano le braccia del

tRNA.

Ogni braccio (in senso orario) ha un nome che ne indica la struttura:

Braccio accettore: in cui manca l’ansa perché sono presenti le estremità 5’ e 3’.

 L’amminoacido si lega al gruppo 2’ o 3’ -OH del ribosio attraverso un legame esterico. La

base presente in 3’ è sempre un’adenina. Ψ

Braccio TΨC: che prende il nome da una base modificata, la pseudouridina (in greco si

 legge “psi”). Questa base può legarsi sia a G che ad A.

Braccio variabile: l’unico non perpendicolare agli altri, posto tra il braccio precedente e

 quello dell’anticodone. A seconda della sua struttura (variabile, appunto) si distinguono

tRNA di classe 1 (il 75% dei tRNA), con un braccio variabile composto solo da 3-5 basi, e

tRNA di classe 2, in cui il braccio è molto grande. Il significato funzionale del braccio

variabile è ancora sconosciuto.

Braccio dell’anticodone: in cui, al centro dell’ansa, si trova la tripletta dell’anticodone.

 Braccio D: così chiamato per la presenza di un’altra base modificata, la diidrouridina.



Se si confrontano le molecole di tRNA di diversi individui si osserva che in alcune posizioni le basi

sono invarianti, cioè in una certa posizione si trova sempre (il 95% delle volte) una determinata

base; in altre sono semiinvarianti, perché troviamo sempre una purina o una pirimidina, ma di

qualsiasi tipo.

La struttura terziaria del tRNA ha una forma ripiegata ad L (pag. 136), in cui l’anticodone e la

base in 3’ occupano le due estremità. Quindi, il braccio accettore e quello TΨC formano una linea

retta, inclinata di 90° rispetto a quella formata dal braccio D più quello dell’anticodone.

La struttura terziaria è mantenuta in quest’equilibrio da legami idrogeno terziari, mentre quelli che

mantengono la struttura secondaria sono legami idrogeno secondari. Molte delle basi invarianti

sono coinvolte nei legami terziari e forse questo è il motivo della loro costanza.

Quando è caricato con l’amminoacido corrispondente, il tRNA prende il nome di amminoacil-

tRNA. Esiste almeno un tRNA per ogni amminoacido, anche se in genere sono più di uno. Ala

Il nome del tRNA è in genere associato a quello dell’amminoacido che porta (es. tRNA se

Ala1

dovrebbe portare alanina). Se due tRNA portano lo stesso amminoacido, allora si scriverà tRNA

Ala2

e tRNA . Dopo il caricamento, si scrive Ala-tRNA.

Il caricamento avviene ad opera di un enzima chiamato amminoacil-tRNA-sintetasi. Ne esistono

20 forme diverse, ognuna specifica per un diverso amminoacido. 49

L A TRADUZIONE

La traduzione dell’mRNA avviene nei ribosomi. Si usa distinguere questi organelli uno dall’altro in

base al loro tasso di sedimentazione S (S = Svedberg), che dipende sia dalle dimensioni che dalla

forma tridimensionale della molecola.

Un ribosoma è una particella ribonucleoproteica composta da due subunità, una maggiore ed una

minore, di massa pari a circa metà di quella maggiore. I ribosomi batterici sono detti 70S perché

sono composti da una subunità 50S ed una 30S, mentre quelli eucariotici sono 80S perché sono

composti da una subunità 60S ed una 40S.

I ribosomi sono tutti praticamente identici, per cui la possibilità di produrre proteine differenti

deriva dall’appaiamento con molecole specifiche di mRNA. La subunità maggiore è a contatto con

la proteina in formazione (proteina nascente), quella minore è a contatto con l’mRNA e solo il

tRNA le tocca entrambe.

Il ribosoma si muove lungo il filamento, a partire dall’estremità 5’ verso quella 3’, leggendo le

triplette, quindi associa il giusto amminoacil-tRNA alla catena. L’assemblaggio della proteina

avviene a partire dal residuo N-terminale fino a quello C-terminale.

In ogni momento della traduzione al ribosoma sono associati due amminoacil-tRNA, in modo che

sia possibile la formazione del legame peptidico fra la catena portata dall’amminoacil-tRNA di

sinistra e l’amminoacido portato dall’amminoacil-tRNA di destra.

Lo slittamento del ribosoma sull’mRNA rende disponibile il filamento ad un altro evento di

traduzione: in questo modo, sullo stesso mRNA si agganciano numerosi ribosomi che traducono lo

stesso gene, ciascuno in ritardo rispetto al precedente. Si forma cioè un polisoma, composto al

massimo da 8 ribosomi negli eucarioti e 10 nei procarioti.

Poiché sporgono all’esterno del ribosoma, le catene polipeptidiche possono cominciare a ripiegarsi

nella loro conformazione specifica ancor prima di essere terminate, mentre gli ultimi 30-35

amminoacidi aggiunti alla catena restano “protetti” all’interno del ribosoma finché non sono spinti

fuori dall’allungamento della catena.

Al termine della traduzione, i ribosomi si dissociano nella subunità maggiore e minore e sono pronti

per un nuovo ciclo.

Il numero di ribosomi che traducono un mRNA policistronico dipende dall’efficienza del sito

d’inizio. Il primo cistrone viene tradotto non appena la trascrizione rende disponibile il primo tratto

di mRNA ed i cistroni successivi sono tradotti in sequenza. Questo accoppiamento di trascrizione e

traduzione è possibile solo nei procarioti, in cui manca il nucleo. Negli eucarioti, invece, la

trascrizione avviene nel nucleo e la traduzione nel citoplasma.

Sembra che, terminata la traduzione del primo cistrone, il ribosoma si separi nella subunità

maggiore e minore e poi si riassembli sul secondo cistrone, fino alla fine dell’mRNA. Oppure,

poiché un ribosoma riesce a coprire circa 30 basi contemporaneamente, quando la regione

intercistronica è abbastanza breve il ribosoma tocca nello stesso momento il sito di terminazione del

cistrone 1 e quello d’inizio del cistrone 2, per cui la traduzione può prosegu