Principi di Genetica

TRADUZIONE

Processo mediante il quale l’informazione genetica contenuta nella sequenza nucleotidica dell’mRNA viene tradotta

nelle sequenze di amminoacidi che compongono il polipeptide finale.

La traduzione avviene su i ribosomi, localizzati nel citoplasma, e coinvolge tre tipi di RNA. Oltre agli mRNA, gli rRNA

fanno parte dei ribosomi e i tRNA fungono da adattatori mediando l’incorporazione degli appropriati amminoacidi

durante la formazione dei polipeptidi. Gli amminoacidi vengono legati correttamente al tRNA per azione di un gruppo

di enzimi attivanti, aminoacil-tRNA sintetasi.

Le proteine nascenti hanno una breve sequenza segnale ammoni-terminale che dirige il polipeptide emergente verso il

reticolo endoplasmatico. Stessa cose per quelle destinate ai mitocondri e ai cloroplasti.

In molto casi, i peptidi di segnalazione vengono rimossi enzimaticamente da specifiche peptidasi dopo l’avvenuto

trasporto nel compartimento appropriato.

I ribosomi non sono specifici, quindi possono sintetizzare qualsiasi polipeptide codificato da una particolare molecola di

mRNA. Ogni molecola di mRNA è tradotta simultaneamente da parecchi ribosomi, che si organizzano per formare

poliribosomi.

RIBOSOMI

Nei procarioti sono distribuiti per tutta la cellula, mentre negli eucarioti si trovano nel citoplasma, spesso nelle ampie

membrane intracellulari del reticolo endoplasmatico.

Sono costituiti approssimativamente dalla stessa quantità di proteine e RNA. Sono composti da due subunità, una

maggiore e una minore. Ogni subunità contiene una molecola di DNA ripiegata sulla quale sono assemblate le proteine

ribosomiali. I ribosomi degli eucarioti sono più grandi, circa 80S, rispetto a quelli dei procarioti. I ribosomi contenuti

negli organelli sono più piccoli, circa 60S.

La loro struttura generale è uguale in tutti gli organismi. In E.coli, la subunità ribosomale minore (30S) contiene una

molecola di RNA 16S più 21 differenti polipeptidi, mentre la subunità maggiore (50S) contiene due molecole di RNA, 5S

e 23S, più 31 polipeptidi.

Nei mammiferi, la subunità minore contiene una molecola di RNA 18S più 33 polipeptidi, mentre la maggiore contiene

tra molecole di RNA, 5S, 5.8S e 28S, più 49 polipeptidi. Negli organelli, le grandezze degli RNA sono 5S, 13S e 21S.

Le molecole di rRNA sono trascritte a partire da uno stampo di DNA. Negli eucarioti, la sintesi di rRNA avviene nel

nucleolo ed è catalizzata dalla RNA polimerasi I. Il nucleolo è un organello altamente specializzato con la sola funzione

di compartimento per la sintesi di rRNA e il loro assemblaggio in ribosomi.

La trascrizione dei geni dell’rRNA produce precursori molto più lunghi, per questo va incontro a processi post-

trascrizionali per produrre molecole mature. In E.coli, il trascritto del gene dell’rRNA è un precursore 30S che subisce

tagli endonucleolitici per produrre le subunità 5S, 16S e 23S e una molecola di tRNA. Nei mammiferi, gli rRNA 5.8S,

18S e 28S sono tagliati a partire da un precursore 45S. Questi geni per questi rRNA sono disposti in tandem nelle

regioni dell’organizzazione nucleolare dei cromosomi.

tRNA

Queste molecole contengono una sequenza di tra nucleotidi, l’anticodone, che è complementare e si appaia con la

sequenza del codone presente nell’mRNA durante la traduzione.

Gli amminoacidi vengono legati al tRNA tramite legami ad alta energia che si realizzano tra i gruppi carbossilici degli

amminoacidi e le estremità 3’-OH dei tRNA. I tRNA sono caricati di amminoacidi in un processo a due stadi, in cui

entrambe le reazioni sono catalizzate dallo stesso enzima, l’aminoacil-tRNA sintetasi.

Il primo stadio nella sintesi dell’aminoacil-tRNA coinvolge l’attivazione dell’amminoacido, in cui avviene utilizzata

l’energia derivante dall’ATP. L’intermedio aminoacido-AMP non viene rilasciato dall’enzima prima che si sia verificato il

secondo stadio della sintesi, cioè la reazione con l’appropriato tRNA. Gli aminoacil-tRNA sono substrati per la sintesi

polipeptidica su i ribosomi, in cui ogni tRNA attivato riconosce il codone corretto sull’mRNA e presenta l’aminoacido in

una configurazione sterica che facilita la formazione del legame peptidico.

I tRNA sono trascritti a partire dai geni, come molecole precursori che vanno poi in contro a maturazione post-

trascrizionale.

L’anticodone di ogni tRNA è presente all’interno di un ansa in prossimità del centro della molecola. I tRNA devono

avere:

• Le corrette sequenze degli anticodoni, cosi da corrispondere a specifici codoni.

• Essere riconosciute dalle specifiche aminiacil-tRNA sintetasi, cosi da essere attivate con i corrispondenti

amminoacidi.

• Legarsi ai siti appropriati sul ribosoma per eseguire la loro funzione di molecole adattatrici.

Su ogni ribosoma sono presenti tre siti di legame:

• Sito A, sito aminoacilico, lega l’amminoacil-tRNA in arrivo, il tRNA che trasporta l’amminoacido che deve essere

aggiunto alla catena polipeptidica nascente.

• Sito P, sito peptidilico, le il tRNA a cui il polipeptide nascente è attaccato.

• Sito E, o di uscita, lega il tRNA scarico che si sta allontanando.

La specificità per il legame degli aminoacil-tRNA in ciascun sito è fornita dal codone dell’mRNA che occupa parte del

suo sito di legame, anche se i siti di legame dell’aminoacil-tRNA sono localizzati in gran parte sulle subunità 50S e la

molecola di mRNA è legata alla subunità 30S.

INIZIO DELLA CATENA POLIPEPTIDICA

L’inizio della traduzione include tutti gli eventi che precedono la formazione del legame peptidico tra i primi due

amminoacidi della nuova catena polipeptidica.

In E.coli, il processo di inizio coinvolge le subunità 30S del ribosoma, uno speciale tRNA iniziatore, una molecola di

mRNA, tre fattori di inizio proteici solubili IF-1, IF-2 e IF-3, e una molecola di GTP. La traduzione avviene sui ribosomi

70S, ma i ribosomi 30S e 50S si dissociano ogni volta che completano una catena polipeptidica.

Nel primo stadio dell’inizio della traduzione, una subunità libera 30S interagisce con una molecola di mRNA e con i

fattori di inizio. Nello stadio finale di questo processo, la subunità 50S si unisce al complesso per formare il ribosoma

70S.

La sintesi del polipeptide è poi iniziata da uno speciale tRNA, il tRNAfmet, in risposta al codone di inizio della

traduzione. Questo significa che tutti i polipeptidi inizieranno con un metionina a ogni loro sintesi. La metionina

ammino-terminale viene poi eliminata in molti polipeptidi. La metionina sul tRNAfmet ha il gruppo amminico bloccato

da un gruppo formilico. Un distinto tRNA per la metionina, il tRNAmet, viene utilizzato per i codoni di metionina che

sono localizzati internamente alla regione codificante. Entrambi i tRNA per la metionina hanno lo stesso anticodone ed

entrambi rispondono allo stesso codone AUG per la metionina.

Solo il tRNAfmet interagisce con il fattore d’inizio IF-2 per dare via al processo d’inizio, perciò solo questo metionil-

tRNA si lega al ribosoma in risposta ai codoni d’inizio AUG degli mRNA, lasciano al metionil-tRNAmet la capacità di

legarsi ai codoni AUG interni. Il metionil-tRNAfmet si lega anche ai ribosomi in risposta ad un codone d’inizio

alternativo, GUG.

L’inizio della catena polipeptidica parte con la formazione di due complessi:

4. Uno contiene il fattore d’inizio IF-2 e il metionil-tRNAfmet

5. L’altro contiene una molecola di mRNA, una subunità ribosomale 30S e il fattore IF-3.

Il complesso subunità30S/mRNA si formerà solo in presenza di IF-3 e la formazione del complesso dipende in parte

dall’appaiamento tra una sequenza nucleotidica prossima al 3’ dell’rRNA 16S e una sequenza prossima al 5’ della

molecola di mRNA. Gli mRNA procariotici contengono un tratto conservato polipurinico, la sequenza consenso

AGGAGG, localizzato circa 7 nucleoditi a monte del sito d’inizio AUG. Questa sequenza consenso viene chiamata

sequenza Shine-Dalgarno ed è complementare alla sequenza prossima al 3’ dell’RNA 16S.

Il complesso IF-2/metionil-tRNAfmet e quello mRNA/30S/IF-3 si combinano tra loro con il fattore di inizio IF-1 e con una

molecola di GTP, a formare il complesso d’inizio completo 30S. Il passo finale dell’inizio della traduzione è l’addizione di

una subunità 50S al complesso d’inizio 30S per produrre il ribosoma completo 70S. Il fattore d’inizio IF-3 deve essere

rilasciato dal complesso prima che la subunità 50S possa aggiungersi.

L’addizione della subunità 50S richiede energia derivante GTP e richiede anche il rilascio degli altri due fattori di inizio.

L’addizione della subunità 50S, posizione il tRNA iniziatore, il metionil-tRNAfmet nel sito P, con l’anticodone del tRNA

allineato al codone di inizio AUG dell’rRNA. Con l’AUG posizionato al sito P, il secondo codone dell’mRNA è un registro

con il sito A e può dirigere la specificazione del legame dell’aminoacil-tRNA con questo sito.

L’inizio della traduzione negli eucarioti è più complesso, ma molto simile a parte due caratteristiche:

• Il gruppo amminico della metionina sul tRNA iniziatore non è formilato come nei procarioti;

• Il complesso d’inizio si forma al 5’ dell’mRNA e non al sito d’inizio Shine-Dalgardo/AUG come in E.coli.

Negli eucarioti, il complesso di inizio scivola sull’RNA, a partire dal 5’, alla ricerca di un codone AUG per l’inizio della

traduzione.

La sequenza di inizio ottimale è 5’-GCC(A o G)CCAUGG-3’. La purina, A o G, che risiede a tre basi a monte del codone

AUG d’inizio e la G che segue sono le più importanti. Queste caratteristiche sella sequenza d’inizio ottimale della

traduzione sono chiamate regole di Kozak.

Come nei procarioti, anche gli eucarioti hanno un tRNA iniziatore, tRNAimet. Il metionil-tRNAimet interagisce con il

fattore solubile d’inizio e entra nel sito P durante il processo d’inizio.

Negli eucarioti, la proteina CBP lega il cap di 7-metil guanosina presente al 5’ del mRNA. Quindi altri fattori d’inizio si

legano al compesso CBP-mRNA, seguiti dalla subunità minore 40S del ribosoma. L’interno complesso di inizio si muove

in direzione 5’-3’ lungo la molecola di mRNA, alla ricerca di un codone AUG. Quando viene trovata la tripletta, i fattori

d’inizio si dissociano dal complesso e la subunità maggiore 60S si lega al complesso metionil-tRNA/mRNA/subunità

40S, formando un ribosoma completo 80S.

ALLUNGAMENTO DELLA CATENA POLIPEPTIDICA

È essenzialmente identico in procarioti ed eucarioti. L’addizione di ogni amminoacido al polipeptide in crescita avviene

in tra fasi.

All’inizi