Prof. Neri Rolando

1. La Sintesi Proteica • LICEO STATALE «Antonio Meucci» Prof. Neri Rolando

2. Cos’è la sintesi proteica • La sintesi proteica è il processo che porta alla formazione delle proteine utilizzando le informazioni contenute nel DNA. • Si tratta di un processo piuttosto complesso in cui intervengono vari «attori» • Nelle sue linee fondamentali questo processo è identico in tutte le forme di vita, sia eucarioti che procarioti

3. Dove avviene Come vedremo, il processo comincia nel nucleo (negli eucarioti) e termina nel citoplasma o nel reticolo endoplasmatico ruvido

4. Il dogma centrale L’informazione genetica fluisce dal DNA all’RNA e ai polipeptidi, come indicato dalle frecce.

5. Alcuni virus costituiscono un’eccezione al dogma centrale trascrizione inversa Generalmente i virus (come il virus HIV) risolvono il problema con una trascrizione da RNA a RNA, da cui ottengono un RNA complementare al loro genoma. Questo filamento «opposto» viene poi usato per sintetizzare copie multiple del genoma virale mediante trascrizione.

6. Gli «attori» – Il DNA Nel DNA sono contenute le «istruzioni»per sintetizzare le diverse proteine Ogni «porzione»di DNA che codifica per una specifica proteina è detta gene

7. Gli «attori» – Il DNA Ad esempio, questo potrebbe essere il gene per l’insulina… … e questo il gene per l’emoglobina

8. Gli «attori» – L’RNA • Esistono tre distinte classi di RNA con funzioni diverse, qui sotto le elenchiamo. • RNA messaggero(o mRNA): è «l’intermediario» che porta una copia delle informazioni di un tratto di DNA ai ribosomi. La sua caratteristica più importante è la sequenza lineare. • RNA transfer(o tRNA): è «l’adattatore» che porta gli amminoacidi ai ribosomi e li colloca nella posizione corretta; il suo compito richiede una precisa e complessa struttura tridimensionale. • RNA ribosomiale (o rRNA): entra a far parte dei ribosomi e permette di realizzare la sintesi proteica. Ha quindi un ruolo strutturale e funzionale. • Piccoli RNA nucleari (snRNA, dall’inglese smallnuclear RNA) coinvolti nel controllo dell’espressione genica.

9. Gli «attori» – DNA e RNA • Le unità fondamentali costituenti il DNA e l’ RNA sono i Nucleotidi. • Nucleotide = Gruppo Fosforico +Zucchero Pentoso +Base Azotata. • Differenze • Desossiribosio (DNA) • Ribosio (RNA) • Timina (DNA) • Uracile (RNA) • DNA ha una struttura a doppia elica • RNA è formato da un filamento singolo • Esistono 4 diverse basi azotate per il DNA e 4 per l’RNA: • Pirimidine (Timina – Citosina - Uracile) • Basi Azotate  • Purine (Guanina - Adenina)

10. Gli «attori» – L’RNA messaggero l’RNA messaggero (mRNA) è una singola catena lineare di RNA che fa da tramite tra il nucleo e il citoplasma. Contiene una copia «in negativo» del gene. Ha una forma lineare (V. figura pagina precedente). L‘mRNA è trascritto nel nucleo cellulare; dopo essere stato completamente modificato viene trasportato nel citoplasma e tradotto da un ribosoma. Alla fine della sua vita l'mRNA viene degradato.

11. Gli «attori» – L’RNA ribosomiale L’RNA ribosomiale (rRNA) è il costituente principale (insieme ad alcune proteine) dei ribosomi, da cui il nome. L'RNA ribosomiale (o rRNA) è la tipologia più abbondante di RNA presente nella cellula. Non codifica direttamente le proteine, ma è il componente essenziale (circa i due terzi) dei ribosomi. La funzione dell'rRNA è fornire un meccanismo per la decodifica dell'mRNA in amminoacidi (al centro della subunità minore del ribosoma) ed interagire con il tRNA durante la sintesi proteica. Le due subunità di un ribosoma batterico continua

12. Gli «attori» – L’RNA ribosomiale • Le caratteristiche dell'RNA ribosomiale sono importanti per la medicina e per lo studio dell'evoluzione: • L'rRNA è il bersaglio di molti antibiotici: cloramfenicolo, eritromicina, kasugamicina, micrococcina, paromicina, ricina, sarcina, spectinomicina, streptomicina e tiostreptone; • L'rRNA è il componente più conservato (che ha subito meno variazioni nel corso dell'evoluzione) in tutte le cellule. Per questa ragione, i geni che codificano per l'rRNA vengono sequenziati per identificare il gruppo tassonomico di un organismo, per riconoscere i gruppi correlati e stimare il tasso di divergenza tra le varie specie. La tassonomia è la classificazione gerarchica di concetti, quindi, all’interno del mondo animale, la classificazione delle varie specie animali.

13. Gli «attori» – L’RNA transfer L’RNA transfer (tRNA) è una particolare catena di RNA che viene rappresentato bidimensionalmente come un trifoglio... …mentre la struttura tridimensionale è decisamente più complessa

14. Gli «attori» – Gli amminoacidi La sintesi proteica richiede anche gli amminoacidi, cioè i «mattoncini» che, assemblati in sequenza, costituiranno le proteine.

15. Gli «attori» – Gli amminoacidi Tutte le nostre proteine sono costituite da solo 20 tipi di amminoacidi, un po’ come tutte le parole del nostro vocabolario sono formate utilizzando 21 lettere dell’alfabeto

16. Ala Met Tyr Val Gly • Gli «attori» – Gli amminoacidi Una sequenza di amminoacidi, come questa… … è un polipeptide. Le proteine sono polipeptidi generalmente molto lunghi e con un organizzazione anche molto complessa.

17. Gli «attori» – I Ribosomi Le «fabbriche» cellulari di proteine sono i ribosomi, piccoli organuli costituiti da due subunità I ribosomi, come detto, sono costituiti da rRNA e proteine

18. Le fasi della sintesi proteica • Le fasi della sintesi proteica sono 2: • La Trascrizione(che, negli eucarioti, avviene nel nucleo) • La Traduzione (che avviene sui ribosomi)

19. La Trascrizione

20. La Trascrizione: inizio Nella fase di trascrizione la doppia elica di una porzione di DNA viene dapprima svolta… … ad opera di un enzima detto RNA-Polimerasi continua

21. La Trascrizione: inizio Lo stesso enzima apre la doppia elica… … e inizia, utilizzando uno dei due filamenti come stampo, a costruire una molecola complementare di mRNA. continua

22. La Trascrizione: inizio Il primo stadio, che dà inizio alla trascrizione, richiede un promotore (o primer), una speciale sequenza di DNA (sequenza di riconoscimento) alla quale si lega molto saldamente la RNA polimerasi. Per ogni gene (o, nei procarioti, per ogni serie di geni) c’è almeno un promotore. I promotori sono importanti sequenze di controllo che «dicono» all’RNA polimerasi tre cose: da dove far partire la trascrizione, quale filamento del DNA trascrivere e in quale direzione procedere. Sebbene esistano differenze notevoli tra le cellule procariotiche e quelle eucariotiche, in tutte le cellule la molecola di DNA comincia a denaturarsi, cioè ad aprirsi, in corrispondenza di sequenze di basi ricche di Timina e Adenina (TATA box). L’RNA polimerasi degli eucarioti non è in grado di legarsi semplicemente al promotore e di iniziare a trascrivere; essa infatti si lega al DNA soltanto dopoche sul cromosoma si sono associate varie proteine regolatrici dette fattori di trascrizione. L’insieme costituito dalla RNA polimerasi e dai fattori di trascrizione viene detto complesso di trascrizione. continua

23. La Trascrizione: inizio Ecco un modello tridimensionale dell’RNA-Polimerasi continua

24. C G G C A T G C T A T A G C G C A T C G A T T A • La Trascrizione: inizio Ad esempio, prendiamo una porzione di DNA come quella mostrata a sinistra continua

25. C G G C A T G C T A T A G C G C A T C G A T T A • La Trascrizione: inizio Ad esempio, prendiamo una porzione di DNA come quella mostrata a sinistra continua

26. C G G C A T G C T A T A G C G C A T C G A T T A • La Trascrizione: inizio Ad esempio, prendiamo una porzione di DNA come quella mostrata a sinistra continua

27. C G G C A T G C T A T A G C G C A T C G A T T A • La Trascrizione: inizio Ad esempio, prendiamo una porzione di DNA come quella mostrata a sinistra continua

28. C G G C A T G C T A T A G C G C A T C G A T T A • La Trascrizione: inizio Dopo la separazione dei due filamenti, l’RNA polimerasi comincia ad assemblare la catena complementare di mRNA… continua

29. C G G G C A U U G C C T A A A T G C G A C A U T • La Trascrizione: allungamento … utilizzando come stampo uno dei filamenti e secondo la complementarietà delle basi. continua

30. G G C U U C C A A A C U • La Trascrizione: terminazione … La catena di RNA messaggero così formata... continua

31. G G C U U C C A A A C U • La Trascrizione: terminazione … La catena di RNA messaggero così formata... continua

32. G G C U U C C A A A C U • La Trascrizione: terminazione … sarà una sorta di impronta «in negativo» del gene da cui si è originato… RNA messagero … e migrerà verso i ribosomi liberi nel citoplasma o verso quelli attaccati al reticolo endoplasmatico rugoso, portando le istruzioni per la sintesi della proteina. continua

33. La Trascrizione: alcune puntualizzazioni La RNA polimerasi apre il DNA a circa 10 basi per volta e legge il filamento stampo in direzione 3'-5'. Come la DNA polimerasi, anche la RNA polimerasi aggiunge i nuovi nucleotidi all’estremità 3' del filamento in crescita. Diversamente dalla DNA polimerasi, l’RNA polimerasi non revisiona né corregge il proprio lavoro. Gli errori di trascrizione si verificano al tasso di uno ogni 104-105 basi ma, poiché le copie di RNA sono eseguite in gran numero e spesso hanno una vita relativamente breve, tali errori non sono potenzialmente dannosi come le mutazioni del DNA. Analogamente al sito di inizio che precisa il punto di partenza della trascrizione, sul filamento stampo del DNA ci sono particolari sequenze di basi che ne stabiliscono la terminazione. continua

34. L’elaborazione dell’RNA messaggero nelle cellule eucarioti Negli eucarioti il primo prodotto della trascrizione, o trascritto primario, è più lungo dell’mRNA maturo e deve andare incontro a un notevole processo di trasformazione prima di essere tradotto. Prima di tutto, l'estremità 5' dell'mRNA (quella sintetizzata per prima) viene «incappucciata» da una struttura specializzata che successivamente interverrà nel legame tra mRNA e ribosoma (cappuccio). In un secondo momento, all'estremità 3' dell'mRNA (quella trascritta per ultima) viene aggiunta una sequenza di 100-200 residui di acido adenilico (coda poli A) che ha la funzione di facilitare le fasi successive di rimaneggiamento e trasferimento dell'mRNA fuori del nucleo. A questo punto l'mRNA, completo di cappuccio e coda poli A, prende il nome di RNA trascritto primario. continua

35. L’elaborazione dell’RNA messaggero nelle cellule eucarioti L’elaborazione del trascritto primario. Particolari enzimi rimuovono dall’mRNA prodotto dal processo di trascrizione i tratti non codificanti (introni) e uniscono quindi assieme i tratti codificanti (esoni): il risultato è un mRNA funzionale. Il processo di eliminazione degli introni viene detto splicing.

36. Dalla trascrizione alla traduzione Prima di uscire dal nucleo l’mRNA subisce una sorta di «controllo qualità», operato da un insieme di proteine. Se viene riscontrato qualche difetto, la molecola viene demolita.

37. Trasporto attraverso il nuclearporecomplex L’RNA maturo deve essere trasportato fuori dal nucleo con un processo regolato, attraverso il nuclearporecomplex.

38. Trasporto di mRNA Nel trasporto l’RNA si dissocia da alcune proteine, ma non Capbindingprotein (CBP) e nel citoplasma si lega a elongationfactorselF-4G e elF-4E

39. La traduzione Necessita di: • (Codice) • mRNA • tRNAs • Ribosoma • Aminoacil-tRNAsintetasi

40. Il codice genetico Come si fa a passare dal «linguaggio» degli acidi nucleici (che utilizza 4 «lettere»)… … al «linguaggio» delle proteine (che utilizza 20 «lettere»)? continua

41. Il codice genetico • Certo non può esserci una corrispondenza 1:1 • Ma non è neanche possibile associare un amminoacido ad una coppia di basi azotate, • infatti le possibili coppie di basi sono 42 = 16 (AA, UU, CC, GG, AU, AC, AG, UA, UC, UG, CA, CG, CU, GA, GU, GC) troppo poche per poter codificare i 20 amminoacidi • Invece, ad ogni amminoacido è associata una tripletta di basi azotate, che viene detta CODONE, • infatti le possibili triplette sono 43 = 64, un numero più che sufficiente per codificare i 20 amminoacidi necessari per sintetizzare le proteine. • Il codice genetico è ridondante ma non ambiguo, cioè un amminoacido può essere codificato da più di una tripletta, ma, ogni codone codifica un solo amminoacido. continua

42. Il codice genetico Un codice di tripletteOgni tripletta di basi azotate del DNA corrisponde ad una tripletta complementare dell’mRNA, cioè a un’unità di codice, o codone e, a sua volta, questo specifica un determinato aminoacido. continua

43. Il codice genetico L’informazione genetica è codificata nell’mRNA sotto forma di unità di tre lettere (codoni), formate dalle basi uracile (U), citosina (C), adenina (A) e guanina (G). Per decifrare un codone, si ricerca la prima lettera nella colonna a sinistra, quindi si scorre orizzontalmente cercando la seconda lettera nella fila in alto e infine si legge l’amminoacido corrispondente alla terza lettera della colonna di destra nella casella così selezionata. continua

44. GTP Il guanosintrifosfato o GTP è un ribonucleotidetrifosfato formato dalla guanina (una base azotata), dal ribosio (uno zucchero pentoso) e da tre gruppi fosfato. Il GTP è un nucleotide incorporato nella catena di RNA durante la sua sintesi, ed utilizzato come fonte di energia per la sintesi proteica. È coinvolto anche nella formazione dei cappucci dell'mRNA, nella formazione dei microtubuli e nel meccanismo di trasduzione del segnale, dove viene convertito in GDP attraverso l'azione delle GTPasi, producendo energia.

45. FONTI • Invito alla biologia – Quinta edizione di Helena Curtis, Sue Barnes – Ed. Zanichelli • Biologia Oggi – Terza edizione di David Krogh – Ed. Le Monnier • http://www.wikipedia.org • Presentazione creata utilizzando Microsoft PowerPoint 2007