Biosintesi: DNA, mRNA, tRNA, AA, ribosomi

www.bioelearning.it - gruppo Metabolismo - Giovanni Aglialoro Credits animazioni tratte da: * David Krogh “Biologia” Le Monnier - cd allegato

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“Biologia della Cellula” cd di Federico Tibone e BioMEDIA Associates – Zanichelli ed.

libri consultati: David Krogh “Biologia” Le Monnier R. Torchio e altri “Biologia” – ed. Bulgarini Cecie Starr “Biologia” – ed. Garzanti Scuola Nelson - Cox “I principi di Biochimica di Lehninger” - ed. Zanichelli [in rosso ho descritto i link, che fanno aprire le animazioni o verso altre pagine]

2.1 Mappa metabolica di biosintesi e degradazione delle proteine

2.2 Biosintesi: DNA, mRNA, tRNA, AA, ribosomi Tante proteine con solo 20 amminoacidi - Quando si legano una dopo l’altra più molecole di amminoacidi si ottiene un polipeptide [animaz. polipeptide.swf ] che ripiegandosi su se stesso assume una particolare conformazione tridimensionale; il risultato è una proteina. La conformazione conferisce alla proteina la propria funzione specifica, in altre parole la capacità di legarsi ad altre molecole. RNA – Nella costruzione delle proteine sono coinvolte tre diverse classi di RNA, prodotte nella trascrizione del DNA. Una, la più diffusa, è costituita da RNA messaggero, o mRNA, l’unico che porta codificate le istruzioni per la sintesi delle proteine. Un’altra classe è costituita da RNA ribosomiale, o rRNA, fondamentale componente dei ribosomi. La terza classe, infine, è costituit da RNA di trasporto, o tRNA, che ha la funzione specifica di consegnare ai ribosomi gli amminoacidi , uno per uno e nell’ordine specificato dall’mRNA. La sintesi delle proteine [filmato sintesi_proteica.mov] – Come si può vedere dal filmato si tratta di un processo biochimicamente complesso che, prima di venir esaminato più dettagliatamente, conviene riassumere nel modo che segue. Un tratto del DNA contenuto nel nucleo della cellula si srotola separando i due filamenti; l’informazione contenuta (ovvero la sequenza di basi azotate del filamento “stampo”) viene trascritta in una molecola di mRNA. L’mRNA quindi fuoriesce dal nucleo della cellula verso i ribosomi ove viene letta la sequenza che lo costituisce; man mano gli amminoacidi, presenti nel citosol e trasportati dal tRNA, vengono legati, nell’ordine indicato dal mRNA, a formare la catena polipeptidica. Quando la costruzione è terminata essa si stacca dal ribosoma e si ripiega su se stessa a formare la proteina. Nell’animazione seguente [animaz. sintesi_proteica.swf] il processo viene suddiviso in due sequenze che tra poco esamineremo: trascrizione (transcription, in nucleus) e traduzione (translation, in cytoplasm). DNA  trascrizione  RNA  traduzione  Proteina Innanzitutto per la sintesi di un polipeptide devono venir soddisfatte due condizioni: (1) il gruppo carbossilico di ciascun amminoacido deve essere attivato per facilitare la formazione del legame peptidico e (2) un legame si deve stabilire tra ciascun amminoacido e il codone corrispondente sull’mRNA. Entrambi i requisiti vengono soddisfatti tramite l’attacco dell’amminoacido al tRNA corrispondente. Durante questo stadio, che avviene nel citosol, non sui ribosomi, ciascuno dei 20 amminoacidi viene legato covalentemente a un tRNA specifico utilizzando energia fornita dall’ATP. Queste reazioni sono catalizzate da enzimi chiamati amminoacil-tRNA sintetasi. Trascrizione - Questa fase permette la sintesi dell’mRNA; in altre parole, dal DNA (o meglio da una regione particolare del filamento) l’informazione genetica passa all’ mRNA. La semielica di DNA che agisce da stampo è denominata filamento stampo (o anti-senso), l’altra invece è il filamento non stampo (o con senso). Meno del 10% del DNA umano è trascritto in mRNA e, a sua volta, solo una porzione di quest’ultimo viene tradotta in proteine. L’mRNA neoformato (anche precursore o trascritto primario) è costituito da porzioni dette esoni (codificanti) intervallate da altre, introni, non codificanti. La trascrizione inizia in corrispondenza di siti specifici del DNA stampo, chiamati promotori, particolari sequenze situate vicino al punto d’inizio della sintesi dell’mRNA. Alcune proteine (fattori di specificità, repressori, attivatori) posizionano l’enzima RNA polimerasi sullo stampo di DNA e favoriscono il suo legame con il promotore. L’animazione relativa ai geni regolatori spiega il meccanismo di repressione attivazione. [animaz. geni_regolatori.swf] L’enzima si sposta poi lungo il filamento di DNA

aggiungendo e unendo fra loro i vari nucleotidi. L’mRNA, una volta terminato, prima di uscire dal nucleo viene escisso da enzimi specifici, ovvero vengono eliminate le porzioni di introni saldando tra loro quelle costituite da esoni, in modo da ottenere quello che si chiama un mRNA maturo. Traduzione – L’arrivo dell’mRNA ai ribosomi segna l’inizio del secondo stadio, ovvero la traduzione [animaz. traduzione.swf] delle informazioni, codificate nella sequenza di basi dell’mRNA, in sequenza di amminoacidi. I ribosomi sono organuli cellulari formati da due sub-unità composte da proteine e rRNA; quest’ultimo permette la traduzione di ciascuna tripletta in un amminoacido. Nel citoplasma esiste un pool di molecole di amminoacidi e tRNA liberi. Ogni molecola di tRNA ha un sito di legame specifico per un amminoacido, oltre ad avere una tripletta di nucleotidi (anticodone, in blu nella fig.) in grado di appaiarsi in modo complementare con un particolare codone dell’mRNA (in viola nella fig.).

[figura tratta da http://www.gwu.edu/~darwin/BiSc150/One/codon.gif] Queste triplette servono al posizionamento automatico dell’amminoacido, “agganciato” al tRNA, nella sequenza corretta specificata dall’mRNA. Nel momento in cui inizia la sintesi il ribosoma è ancora separato nelle sue due sub-unità. Quando alla minore si lega il tRNA d’inizio (start, che porta l’amminoacido metionina) anche la sub-unità maggiore si chiude sull’mRNA. A questo punto un secondo tRNA, con l’amminoacido corrispondente al secondo codone dell’mRNA, giunge al ribosoma. I due amminoacidi si legano quindi fra loro (legame peptidico) e questo procedimento prosegue. Una volta che il tRNA ha portato l’amminoacido e questo si è legato al precedente esso può abbandonare il ribosoma ed essere impiegato per il trasporto di un altro amminoacido dello stesso tipo. Questa traduzione procede fino a quando compare nell’mRNA un codone di terminazione (stop); esso viene riconosciuto da molecole proteiche dette fattori di rilascio che determinano il distacco del tRNA dalla catena polipeptidica ormai formata. Il ribosoma, ora, si separa nuovamente nelle due sub-unità in attesa di una nuova sintesi. E’ importante ricordare che solitamente l’mRNA è letto da più ribosomi contemporaneamente, che formano il cosiddetto polisoma. In tal modo si possono produrre più molecole successive della stessa proteina. Impiegando sempre l’identica molecola di mRNA. C’è da dire ancora che per acquisire la sua forma biologicamente attiva, il nuovo polipeptide deve ripiegarsi nella sua conformazione tridimensionale. Prima o dopo il ripiegamento il polipeptide può subire modificazioni enzimatiche , come rimozione di qualche amminoacido terminale o aggiunta di gruppi (acetile, fosfato, metile, carbossile o altri). Il codice genetico ovvero perché “triplette”? - Sappiamo che DNA e RNA “scrivono” mediante 4 “lettere”, cioè i nucleotidi, mentre gli amminoacidi che si trovano nelle proteine sono venti. Era quindi impossibile che ogni nucleotide codificasse un singolo amminoacido, altrimenti il tutto si ridurrebbe a quattro possibilità. Anche provando a ipotizzare un messaggio scritto con una sequenza di due nucleotidi alla volta, il conto non torna in quanto 4x4 =16, con ancora quattro amminoacidi di troppo rispetto alle “parole” per codificarli. Con sequenze di tre nucleotidi si hanno 4x4x4 =64 “parole”, numero ora ridondante di “parole”, difatti nella realtà ci sono più triplette che codificano lo stesso amminoacido, come si può vedere dalla tabella.

Il codice genetico. La tabella riporta i 64 codoni (triplette di basi nel mRNA) e gli amminoacidi corrispondenti. 2a  base

U

C

A

G

3a base 

U

UUU fenilalanina UUC fenilalanina UUA leucina UUG leucina, start

UCU serina UCC serina UCA serina UCG serina

UAU tirosina UAC tirosina UAA stop UAG stop

UGU cisteina UGC cisteina UGA stop UGG triptofano

U C A G

C

CUU leucina CUC leucina CUA leucina CUG leucina, start

CCU prolina CCC prolina CCA prolina CCG prolina

CAU istidina CAC istidina CAA glutammina CAG glutammina

CGU arginina CGC arginina CGA arginina CGG arginina

U C A G

A

AUU isoleucina, start2 AUC isoleucina AUA isoleucina AUG metionina, start1

ACU treonina ACC treonina ACA treonina ACG treonina

AAU asparagina AAC asparagina AAA lisina AAG lisina

AGU serina AGC serina AGA arginina AGG arginina

U C A G

G

GUU valina GUC valina GUA valina GUG valina, start2

GCU alanina GCC alanina GCA alanina GCG alanina

GAU ac. aspartico GAC ac. aspartico GAA ac. glutammico GAG ac. glutammico

GGU glicina GGC glicina GGA glicina GGG glicina

U C A G

 1a base

1

Il codone AUG serve per codificare la metionina ma anche come codone di avvio. Il primo codone AUG lungo il filamento di mRNA è il punto in cui la traduzione ha inizio. 2 Questi sono codoni di avvio per i soli procarioti.

La traduzione inizia in corrispondenza di un codone di avvio (start) ma, a differenza del codone di termine, questi non è sufficiente per avviare il processo di sintesi; in prossimità del codone di avvio devono infatti anche trovarsi alcune sequenze tipiche che permettono all'mRNA di legarsi ai ribosomi. Il codone di avvio più noto è AUG, che codifica anche la metionina. Altri codoni di avvio sono CUG, UUG e, nei procarioti, GUG e AUU. Molti codoni sono ridondanti, cioè due o più codoni corrispondono allo stesso amminoacido. Questa ridondanza è limitata alla terza base del codone - ad esempio, sia GAA che GAG codificano la glutammina. Un codone è detto quattro volte degenere se qualsiasi nucleotide nella sua terza posizione codifica lo stesso amminoacido (ad esempio, UCA, UCC, UCG e UCU, tutti corrispondenti alla serina); è detto due volte degenere se solo due delle quattro basi nella sua terza posizione codificano lo stesso amminoacido (ad esempio AAA ed AAG, corrispondenti alla lisina). Nei codoni due volte degeneri, i nucleotidi equivalenti nella terza posizione sono sempre o due purine (A/G) o due pirimidine (C/T). La ridondanza rende il codice genetico meno vulnerabile alle mutazioni causali. Un codone quattro volte ridondante può subire qualsiasi mutazione alla sua terza posizione ed un codone due volte ridondante può subire una delle tre possibili mutazioni alla sua terza posizione senza che l'amminoacido da esso espresso - e quindi la struttura della proteina in cui l'amminoacido verrà inserito - cambi. Inoltre, dato che le mutazioni per transizione (da una purina all'altra o da una pirimidina all'altra) sono più probabili delle mutazioni per transversione (da purina a pirimidina o viceversa), l'equivalenza tra purine o tra pirimidine nei codoni due volte degeneri aggiunge un'ulteriore resistenza. Sono solo due gli amminoacidi codificati da un unico codone: metionina, codificata da AUG (che è anche codone di avvio) e triptofano, codificato da UGG. Diverse variazioni al codice genetico standard sono state trovate nei mitocondri. Anche i protozoi ciliati presentano qualche modifica: in loro (come anche in alcune specie di alga verde) UAG e, spesso, UAA codificano la glutammina e UGA codifica la cisteina. In alcune specie di lievito CUG codifica la serina. In altre specie di batteri ed archeobatteri i codoni di arresto codificano invece amminoacidi non comuni: UGA codifica la selenocisteina e UAG la pirolisina. È possibile che vi siano altri amminoacidi nonstandard la cui codifica è ancora ignota. A dispetto di queste variazioni, i codici genetici usati da tutte le

forme di vita della Terra sono molto simili. Dato che i codici genetici possibili e potenzialmente adatti alla vita sono molti, la teoria dell'evoluzione fa pensare che questo codice genetico sia andato a definirisi molto presto nella storia della vita su questo pianeta. Esempio di trascrizione - traduzione di triplette: dal DNA all’amminoacido DNA (filam. non stampo) DNA (filam. stampo) mRNA amminoacido

TTG AAC UUG

TTA AAT UUA

TGT ACA UGU

AGC TCG AGC

ACT TGA ACU

leu

leu

cys

ser

thr

Volendo convertire triplette di DNA in amminoacidi si può visitare: http://www.geneseo.edu/~eshamb/php/dna.php o, ancora, per interagire con il Codice Genetico: http://web.rhul.ac.uk/biological-sciences/Archives/Warren/gencode/