Prof. Neri Rolando

1. La Sintesi Proteica 2 • LICEO STATALE «Antonio Meucci» Prof. Neri Rolando

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

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

4. 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 continua

5. Il codice genetico • Appare evidente, quindi, che il codice utilizzato si basa su triplette di basi… • … infatti 43 = 64 combinazioni sono più che sufficienti per codificare i 20 amminoacidi • Il codice genetico è degenerato ma non è ambiguo. Tolti i codoni di inizio (1) e di stop (3), restano 60 codoni, molti di più di quelli strettamente necessari per codificare gli altri 19 amminoacidi: infatti a quasi tutti gli amminoacidi corrispondono più codoni. continua

6. Il codice genetico • I codoni con pirimidine in 2° posizione aa idrofobici • I codoni con purine in 2° posizione aa polari • Se hanno C-G in 1° e 2° posizioni, la terza non ha importanza • Se hanno T-A in 1° e 2° posizioni, la terza ha importanza continua

7. Il codice genetico • Per degenerato si intende che il codice è ridondante: ci sono cioè più triplette che codificano per lo stesso amminoacido. • Ci sono anche, come già detto, le triplette di inizio (AUG) e di stop (UAA, UAG e UGA) che determinano l’inizio e la fine di una sequenza polipeptidica. • Il codice genetico è (quasi) universale, cioè valido per ogni creatura del nostro pianeta ed anche per i virus. • Ogni tripletta di basi sull’RNA è anche detta codone.

8. mRNAprocariotici ed eucariotici Procarioti Eucarioti

9. Il ruolo di tRNA La molecola di tRNA svolge tre funzioni: 1. «si carica» di un amminoacido; 2. si associa alle molecole di mRNA; 3. interagisce con i ribosomi. Le molecole di tRNA si legano con una estremità ad un amminoacido e con quella opposta a un codone dell’mRNA, agendo così da ponte tra questi due tipi diversi di molecole.

10. La struttura di transfer RNA La configurazione di una molecola di tRNA è perfettamente adattata alle sue interazioni con speciali siti di legame sui ribosomi. All’estremità 3' di ogni molecola di tRNA si trova il suo sito di attaccoper l’amminoacido: il punto in cui l’amminoacido specifico si lega in modo covalente. Verso la metà della sequenza del tRNA c’è un gruppo di tre basi, chiamato anticodone, che costituisce il sito di appaiamento fra basi complementari (attraverso legami a idrogeno) con l’mRNA. Ciascun tipo di tRNA contiene un particolare anticodone, complementare al codone di mRNA corrispondente al proprio amminoacido. continua

11. Transfer RNA • L’anticodone è posto tra una purina al 3’ ed un uracile al 5’

12. Per legare gli amminoacidi ai tRNA corrispondenti • servono enzimi attivanti Il caricamento di ciascun tRNA con il proprio amminoacido è realizzato da una famiglia di enzimi attivanti noti come amminoacil-tRNA-sintetasi. Ogni enzima attivante è specifico per un solo amminoacido e per il suo tRNA corrispondente. L’amminoacido si attacca all’estremità 3' del tRNA con un legame ricco di energia, formando un tRNA carico. Questo legame fornirà l’energia necessaria alla formazione del legame peptidico che manterrà uniti gli amminoacidi adiacenti.

13. I ribosomi nei procarioti I ribosomi dei procarioti sono un po’ più piccoli di quelli degli eucarioti e contengono proteine ed RNA diversi, ma sono anch’essi formati da due subunità: una subunità maggiore e una subunità minore. Anche i mitocondri e i cloroplasti contengono ribosomi, talvolta simili a quelli dei procarioti continua

14. I ribosomi negli eucarioti Negli eucarioti, la subunità maggiore è composta da tre molecole diverse di RNA ribosomiale (rRNA) e da circa 45 molecole proteiche differenti, disposte secondo una schema preciso; la subunità minore contiene una sola molecola di tRNA e 33 molecole proteiche diverse. Le varie proteine e gli rRNA delle subunitàribosomiali sono tenuti insieme da forze ioniche o idrofobiche. Quando i ribosomi non sono impegnati nella traduzione di mRNA, le due subunità sono separate. continua

15. La struttura del ribosoma • Sulla subunità maggiore del ribosoma si trovano tre siti di legame per i tRNA. Un tRNA carico passa dall’uno all’altro di essi seguendo un ordine preciso. • Il sito A(attacco) è dove l’anticodone del tRNA carico si lega al codone dell’mRNA, allineando l’amminoacido che va aggiunto alla catena polipeptidica in crescita. • Il sito C(condensazione) è dove il tRNA cede il proprio amminoacido alla catena polipeptidica in crescita. • Il sito D(distacco) è dove viene a trovarsi il tRNA che ha ormai consegnato il proprio amminoacido, prima di staccarsi dal ribosoma e tornare nel citosol a raccogliere un’altra molecola di amminoacido e ricominciare il processo.

16. La sintesi delle proteine All’inizio l’rRNA della subunitàribosomialeminore si lega a un sito di legame complementare lungo l’mRNA, situato «a monte» (verso l’estremità 5') del codone che dà effettivamente inizio alla traduzione. Il codone di inizio nell’mRNA è AUG. Perciò il primo amminoacido di una catena polipeptidica è sempre la metionina, anche se non tutte le proteine mature portano questo amminoacido come N-terminale; in molti casi, dopo la traduzione la metionina iniziale viene rimossa da un enzima. Dopo che il tRNA caricato con metionina si è legato all’mRNA, la subunità maggiore del ribosoma si unisce al complesso di inizio. Queste componenti (mRNA, due subunitàribosomiali e tRNA caricato con la metionina) sono tenute insieme correttamente da un gruppo di proteine dette fattori di inizio. continua

17. La sintesi delle proteine • L’allungamento procede così: nel sito A della subunitàribosomiale maggiore rimasto libero entra adesso il tRNA carico, il cui codone è complementare al secondo codone dell’mRNA. Quindi la subunità maggiore catalizza due reazioni: • rompe il legame fra il tRNA nel sito C e il suo aminoacido; • catalizza la formazione di un legame peptidico fra questo amminoacido e quello attaccato al tRNA situato nel sito A. Ora il secondo amminoacido è legato alla metionina, ma è ancora attaccato al proprio tRNA posto nel sito A. • il catalizzatore del legame peptidico sembra essere l’rRNA, che per questo motivo può essere considerato un ribozima. Questa situazione insolita (di solito i catalizzatori dei sistemi biologici sono proteine) è una possibile conferma indiretta dell’ipotesi che l’RNA, e in particolare l’RNA catalitico, si sia evoluto prima del DNA. continua

18. La sintesi delle proteine • Dopo aver consegnato la propria metionina, il primo tRNA si sposta nel sito D, quindi si stacca dal ribosoma e torna nel citosol per caricarsi con un’altra metionina. • Il secondo tRNA, che ora porta un dipeptide (una catena di due amminoacidi) slitta nel sito C, intanto che il ribosoma si sposta di un codone lungo l’mRNA in direzione 5'→3'. • Il processo di allungamento della catena polipeptidica continua a mano a mano che si ripetono le seguenti tappe: • il successivo tRNA carico entra nel sito A rimasto libero e qui il suo anticodone si lega al codone dell’mRNA; • l’amminoacido appena portato dal tRNA forma un legame peptidico con la catena amminoacidica presente nel sito C; • il tRNA del sito C si sposta nel sito D, da cui poi si distacca. Il ribosoma avanza di un codone, cosicché l’intero complesso tRNA-polipeptide viene a trovarsi nel sito C, resosi appena vacante. • Tutte queste tappe si svolgono con la partecipazione di proteine dette fattori di allungamento. continua

19. La sintesi delle proteine La terminazione avviene quando nel sito A entra uno dei tre codoni di stop: il ciclo di allungamento si arresta e la traduzione ha termine. Questi codoni, UAA, UAG e UGA, non codificano nessun amminoacido e non si legano a un tRNA. Si legano invece a un fattore di rilascioche consente l’idrolisi del legame fra la catena polipeptidica e il tRNA presente nel sito C. Nelle prossime pagine si proverà a mostrare il processo di traduzione in forma animata continua

20. Val Gly Ala Gln C A U G G A C G A G U U G C U C A A C C U G U A La traduzione La fase di traduzione ha inizio quando l’RNA messaggero si attacca al ribosoma. Successivamente su ogni codone si attaccherà il tRNA con l’anticodone complementare, portandosi dietro un amminoacido. anticodone codone continua

21. Val Gly Ala Gln C A U G G A C G A G U U G C U C A A C C U G U A La traduzione La fase di traduzione ha inizio quando l’RNA messaggero si attacca al ribosoma. Successivamente su ogni codone si attaccherà il tRNA con l’anticodone complementare, portandosi dietro un amminoacido. continua

22. Val Gly Ala Gln C A U G G A C G A G U U G C U C A A C C U G U A La traduzione La fase di traduzione ha inizio quando l’RNA messaggero si attacca al ribosoma. Successivamente su ogni codone si attaccherà il tRNA con l’anticodone complementare, portandosi dietro un amminoacido. continua

23. Val Gly Ala Gln C A U G G A C G A G U U G C U C A A C C U G U A La traduzione La fase di traduzione ha inizio quando l’RNA messaggero si attacca al ribosoma. Successivamente su ogni codone si attaccherà il tRNA con l’anticodone complementare, portandosi dietro un amminoacido. continua

24. Val Gly Ala Gln C A U G G A C G A G U U G C U C A A C C U G U A La traduzione La fase di traduzione ha inizio quando l’RNA messaggero si attacca al ribosoma. Successivamente su ogni codone si attaccherà il tRNA con l’anticodone complementare, portandosi dietro un amminoacido. continua

25. Val Gly Ala Gln C A U G G A C G A G U U G C U C A A C C U G U A La traduzione La fase di traduzione ha inizio quando l’RNA messaggero si attacca al ribosoma. Successivamente su ogni codone si attaccherà il tRNA con l’anticodone complementare, portandosi dietro un amminoacido. continua

26. Val Gly Ala Gln C A U G G A C G A G U U G C U C A A C C U G U A La traduzione La fase di traduzione ha inizio quando l’RNA messaggero si attacca al ribosoma. Successivamente su ogni codone si attaccherà il tRNA con l’anticodone complementare, portandosi dietro un amminoacido. continua

27. Val Gly Ala Gln C A U G G A C G A G U U G C U C A A C C U G U A La traduzione La fase di traduzione ha inizio quando l’RNA messaggero si attacca al ribosoma. Successivamente su ogni codone si attaccherà il tRNA con l’anticodone complementare, portandosi dietro un amminoacido. continua

28. Val Gly Gln C A U G G A G U U C G A G C U C A A C C U G U A La traduzione L’amminoacido del primo tRNA si lega poi a quello del secondo… Ala continua

29. Val Gly Gln C A U G G A G U U C G A G C U C A A C C U G U A La traduzione L’amminoacido del primo tRNA si lega poi a quello del secondo… Ala continua

30. Val Gly Gln C A U G G A G U U C G A G C U C A A C C U G U A La traduzione L’amminoacido del primo tRNA si lega poi a quello del secondo… Ala continua

31. Val Gly Gln C A U G G A G U U C G A G C U C A A C C U G U A La traduzione … il primo tRNA si allontana… Ala continua

32. Val Gly Gln C A U G G A G U U C G A G C U C A A C C U G U A La traduzione … il primo tRNA si allontana… Ala continua

33. Val Gly Gln C A U G G A G U U C G A G C U C A A C C U G U A La traduzione … il primo tRNA si allontana… Ala continua

34. Val Gly Gln C A U G G A G U U C G A G C U C A A C C U G U A La traduzione … e un nuovo tRNA si attacca all’RNA messaggero Ala continua

35. Val Gly Gln C A U G G A G U U G C U C A A C C U G U A La traduzione … e un nuovo tRNA si attacca all’RNA messaggero Ala continua

36. Val Gly Gln C A U G G A G U U G C U C A A C C U G U A La traduzione … e un nuovo tRNA si attacca all’RNA messaggero Ala continua

37. Val Gly Ala Gln C A U G G A G C U C A A C C U G U A La traduzione … e così via. G U U continua

38. Val Gly Ala Gln C A U G G A G U U G C U C A A C C U G U A La traduzione … e così via. continua

39. Val Gly Ala Gln C A U G G A G U U G C U C A A C C U G U A La traduzione … e così via. continua

40. Val Gly Ala Gln C A U G G A G U U G C U C A A C C U G U A La traduzione … e così via. continua

41. Val Gly Ala Gln C A U G G A G U U G C U C A A C C U G U A La traduzione … e così via. continua

42. Val Gly Ala Gln C A U G G A G C U C A A C C U G U A La traduzione … e così via. continua

43. Val Gly Ala Gln C A U G G A G C U C A A C C U G U A La traduzione … e così via. continua

44. Val Gly Ala Gln C A U G G A G C U C A A C C U G U A La traduzione … e così via. continua

45. Val Ala Gln Gly C A U G C U C A A C C U G U A La traduzione … e così via. G G A continua

46. Val Ala Gln Gly C A U G C U C A A C C U G U A La traduzione … e così via. G G A continua

47. La traduzione In questo modo si viene a costruire un polipeptide sempre più grande finché non si arriva ad un codone di stop e la sintesi si interrompe. continua

48. Ciclo ribosomiale • Insomma si può effettivamente dire che il ribosoma, praticamente una nucleoproteina, è al centro della biosintesi delle proteine, infatti: • La traduzione inizia quando mRNA e tRNA iniziatore si legano alla subunità minore • Poi viene reclutata la subunità maggiore • Poi inizia la sintesi proteica ed il ribosoma scorre sul mRNA • Quando incontra il codone stop, il peptide viene rilasciato, e le due subunità si dissociano • Esse sono poi pronte per un nuovo ciclo. • Un ribosoma è in contatto con circa 30 nt, ma nei poliribosomi sono distanziati circa 80 nt continua

49. Ciclo ribosomiale

50. Produzione di una proteina in eucarioti