La sintesi proteica e la traduzione dell’mRNA

Introduzione

La sintesi proteica rappresenta il complesso processo con cui i geni vengono convertiti in proteine, macromolecole indispensabili per il funzionamento di ogni cellula.

In particolare, è di fondamentale importanza la tappa mediante cui l’informazione genetica, contenuta nell’ mRNA, si traduce in una sequenza amminoacidica. Questo evento prende dunque il nome di traduzione e si basa sull’universalità del codice genetico.

Il codice genetico è il linguaggio con cui le cellule si esprimono ed è uguale in ogni organismo. Provando sperimentalmente a spostare un mRNA in una cellula diversa da quella originaria, si osserverà che questa è comunque in grado di leggerlo per produrre una proteina.
Ciò che la cellula è in grado di leggere sono i codoni, ovvero specifiche triplette di nucleotidi alle quali viene associato un amminoacido. La sequenza amminoacidica nel suo insieme forma la struttura primaria di una proteina, fondamentale per la determinazione della sua conformazione tridimensionale finale.
Le possibili combinazioni di nucleotidi ci portano ad avere un totale di 64 codoni possibili, numero che differisce dalla quantità di amminoacidi standard che sono invece 20. Questo perchè codoni diversi possono tradurre per lo stesso amminoacido, allo stesso modo con cui una parola può avere più sinonimi.

Con queste informazioni di base possiamo introdurre gli elementi necessari per la traduzione e successivamente il meccanismo con la quale essa avviene.

I componenti dell’apparato traduzionale

I ribosomi
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Figura 1 – Struttura di un ribosoma. Il sito E si trova a livello della subunità maggiore mentre il sito P ed A si trovano a cavallo delle due subunità. [Crediti: Treccani]

I ribosomi (Fig. 1) sono macchine molecolari adibite alla sintesi proteica e sono presenti in numero variabile nel citoplasma delle cellule. Quelli eucariotici e procariotici sono simili, ma presentano alcune differenze. Entrambi sono formati da due subunità, una maggiore e una minore, aventi però nel complesso una velocità di sedimentazione differente (70s per i procarioti e 80s per gli eucarioti). I ribosomi sono composti in entrambi i casi da r-proteine e rRNA (RNA ribosomiali). Gli rRNA, aventi come le proteine una conformazione caratteristica, costituiscono i catalizzatori del ribosoma e le impalcature su cui si assemblano le r-proteine.
Infine, in tutti i ribosomi possiamo distinguere tre siti importanti: sito A (accettore), sito P (peptidilico) e sito E (exit).

tRNA

I diversi tipi di tRNA (RNA transfer), almeno uno per ogni amminoacido, vengono prodotti grazie all’RNA polimerasi III e hanno il compito di legare e poi trasferire nuovi amminoacidi ad una catena polipeptidica nascente. La struttura secondaria (Fig. 2 a) è simile a quella di un trifoglio, avente dunque uno stelo, il braccio accettore, e tre foglie, il braccio TψC, il braccio D e il braccio dell’anticodone. Talvolta a questi si aggiunge un quarto braccio di lunghezza variabile.

La struttura terziaria (Fig. 2 b) invece è più complessa e si può paragonare ad una L, in cui il braccio D e il braccio TψC formano l’angolo mentre il braccio accettore e il braccio anticodone si trovano alle estremità.

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Figura 2 – Struttura secondaria (a destra) e terziaria (a sinistra) di un tRNA.
mRNA

L’mRNA è il prodotto trascrizionale della polimerasi II. Negli eucarioti l’mRNA maturo contiene una regione codificante e due regioni non codificanti ma utili per la traduzione. Queste regioni, chiamate UTR, si trovano all’estremità dell’RNA (5’UTR e 3’UTR) e possono contenere dalle centinaia alle migliaia di nucleotidi.
Gli mRNA procariotici invece, a differenza di quelli eucariotici, sono policistronici, contengono cioè nella regione codificante l’informazione per produrre più proteine. Anche in questo caso sono inoltre presenti regioni non condificanti, sia alle estremità della molecola sia trale regioni codificanti.

Le fasi della sintesi proteica

Per convenzione possiamo suddividere la sintesi proteica in tre fasi, precedute dalla formazione dei amminoacil-tRNA:

  1. Inizio
  2. Allungamento
  3. Terminazione
Formazione degli amminoacil-tRNA

Questo primo evento consiste nella formazione di un legame estere tra un amminoacido e il braccio accettore di un tRNA per formare l’amminoacil-tRNA.

Affinché il legame si formi è essenziale la presenza di una specifico enzima: l’amminoacil tRNA sintetasi. Ci sono diverse sintetasi ed ognuna è specifica per un amminoacido. Esse catalizzano la reazione mediante due reazioni che si susseguono (Fig. 3). Nella prima l’amminoacido viene attivato mediante una reazione con una molecola di ATP, che porta alla formazione dell’amminoacido adenilato e del pirofosfato. Il pirofosfato rilasciato viene poi idrolizzato in modo da spostare l’equilibrio della reazione verso i prodotti. La seconda, invece, consiste nel trasferimento dell’amminoacido adenilato al tRNA e dunque alla formazione dell’amminoacil-tRNA. Il legame estere che si crea coinvolge il gruppo carbossilico dell’amminoacido con l’OH del carbonio 2 o 3 del ribosio presente sull’ultimo nucleotide del tRNA.

reazioni che portano alla formazione di un amminoacil-tRNA.
Figura 3 – Reazioni che portano alla formazione di un amminoacil-tRNA.
Fase di inizio

Affinché la traduzione abbia inizio si deve assemblare l’apparato traduzionale costituito dal ribosoma, dall’amminoacil-tRNA e dal mRNA. Inoltre, per essere svolto con efficienza, il processo richiede fattori traduzionali, ovvero proteine specifiche per ogni tappa della traduzione.

Il primo evento consiste nel legame tra un amminoacil-tRNA specifico (un tRNA carico di metionina negli eucarioti e formilmetionina nei procarioti) e la subunità minore di un ribosoma. In particolare, il tRNA carico si lega a livello del sito P della subunità minore insieme ad altri fattori della traduzione.

A questo punto, il ribosoma lega anche l’mRNA a livello dell’estremità 5’. La subunità minore scorre poi lungo la molecola fino al riconoscimento del codone di inizio AUG a livello del sito P. Ciò permette il distacco di alcuni fattori traduzionali e l’associazione con la subunità maggiore.

Questo tipo di meccanismo riguarda le cellule eucariotiche e risulta essere un po’ diverso nel caso di cellule procariotiche in cui, ricordiamo, l’mRNA è policistronico. Il ribosoma in questo caso può interagire direttamente con il codone di inizio grazie alla presenza di specifiche sequenze poste a monte di AUG e chiamate sequenze di Shine-Delgarno.

Un’altra differenza da sottolineare tra eucarioti e procarioti riguarda i fattori necessari per l’inizio di traduzione. Mentre nei procarioti bastano solo tre fattori (IF1, IF2, IF3), negli eucarioti la situazione si complica e sono necessari più di dieci fattori.

Fase di allungamento e terminazione

A questo punto abbiamo il sito P occupato dal tRNA carico e i siti A ed E liberi.

L’allungamento (Fig. 4) comincia con l’arrivo di un secondo tRNA carico sul sito A dove avviene il riconoscimento tra il codone e l’anticodone complementare sul braccio anticodone. La formilmetionina o la metionina presenti sul primo tRNA rompono quindi il legame e ne formano uno nuovo con l’amminoacido del secondo RNA transfer. Questa reazione, che porta alla formazione di un legame peptidico, è catalizzata da un RNA ribosomiale chiamato rRNA 23s.
Il ribosoma avanza adesso di un codone e si ha la traslocazione del primo tRNA nel sito E e del secondo tRNA nel sito P. Comincia ora un nuovo ciclo grazie all’arrivo di un nuovo amminoacil-tRNA sul sito A che porterà alla formazione di un tripeptide.

La sintesi proteica prosegue fino all’arrivo di un codone di stop, ovvero un codone che mette fine al processo di traduzione. A questo sito si legano infatti particolari fattori, i fattori di rilascio, che catalizzano il distacco della catena polipeptidica dal tRNA. Le due subunità ribosomiali vengono invece dissociate ed utilizzate per una nuova traduzione.

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Figura 4 – Fase dell’allungamento schematizzata. [Crediti: http://www.gmpe.it/]

Polisomi

Fin ora abbiamo considerato la sintesi proteica come un processo che riguarda una singola molecola di mRNA associata ad un singolo ribosoma. In realtà, molti ribosomi si associano ad una molecola di mRNA a formare degli aggregati citoplasmatici che prendono il nome di polisomi o poliribosomi.

Negli eucarioti, in cui l’mRNA tradotto presenta un cappuccio e una coda di poliA, questa struttura forma un circolo in cui le due estremità sono connesse attraverso interazioni proteina-proteina fra i fattori di inizio della traduzione.

è possibile osservare la struttura complessiva di un polisoma con la presenza dei fattori traduzionali a livello delle estremità 5' e 3'.
Figura 5 – Struttura complessiva di un polisoma con la presenza dei fattori traduzionali a livello delle estremità 5′ e 3′.

Fonti

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