Sintesi proteica

Definizione

La sintesi proteica è il processo in cui le catene polipeptidiche sono formate da combinazioni codificate di singoli amminoacidi all’interno della cellula. La sintesi di nuovi polipeptidi richiede una sequenza codificata, enzimi e acidi ribonucleici (RNA) messaggeri, ribosomiali e di trasferimento. La sintesi proteica avviene nel nucleo e nei ribosomi di una cellula ed è regolata dal DNA e dall’RNA.

Fasi della sintesi proteica

Le fasi della sintesi proteica sono due. In primo luogo, il codice di una proteina (una catena di amminoacidi in un ordine specifico) deve essere copiato dalle informazioni genetiche contenute nel DNA di una cellula. Questo passo iniziale della sintesi proteica è noto come trascrizione.

La trascrizione produce una copia esatta di una sezione di DNA. Questa copia è conosciuta come RNA messaggero (mRNA) che deve poi essere trasportato fuori dal nucleo della cellula prima che la fase successiva della sintesi proteica possa iniziare.

Il secondo passo della sintesi proteica è la traduzione. La traduzione avviene all’interno di un organello cellulare chiamato ribosoma. L’RNA messaggero si fa strada e si collega al ribosoma sotto l’influenza dell’RNA ribosomiale e degli enzimi. L’RNA di trasferimento (tRNA) è una molecola che porta un singolo amminoacido e una sequenza codificata che agisce come una chiave. Questa chiave si inserisce in una specifica sequenza di tre codici sull’mRNA, portando l’amminoacido corretto al suo posto. Ogni serie di tre basi azotate dell’mRNA è chiamata codone.

La traduzione e la trascrizione saranno spiegate molto più dettagliatamente in seguito. Per mantenere semplice la sintesi proteica, dobbiamo prima conoscere le basi.

Polipeptidi e proteine

Il risultato della sintesi proteica è una catena di aminoacidi che sono stati attaccati, anello per anello, in un ordine specifico. Questa catena è chiamata polimero o polipeptide ed è costruita secondo un codice basato sul DNA. Si può immaginare una catena polipeptidica come un filo di perline, con ogni perlina che interpreta la parte di un aminoacido. L’ordine in cui le perline sono infilate è copiato dalle istruzioni nel nostro DNA.

Quando si parla di sintesi proteica è importante fare una distinzione tra catene polipeptidiche e proteine. Tutte le proteine sono polipeptidi, ma non tutti i polipeptidi sono proteine; tuttavia, sia le proteine che i polipeptidi sono composti da monomeri di aminoacidi.

La differenza tra una proteina e un polipeptide è la forma. Le catene più piccole di aminoacidi – di solito meno di quaranta – rimangono come filamenti a catena singola e sono chiamate polipeptidi. Le catene più grandi devono impacchettarsi più strettamente; si piegano in strutture fisse – secondarie, terziarie e quaternarie. Quando una catena polipeptidica si ripiega, viene chiamata proteina.

Le catene polipeptidiche si formano durante il processo di traduzione della sintesi proteica. Questi polipeptidi possono o non possono piegarsi in proteine in una fase successiva. Tuttavia, il termine “sintesi proteica” è usato anche nella comunità scientifica e non è errato.

Comprendere la sintesi proteica è facile se immaginiamo il nostro DNA come un libro di ricette. Questo libro elenca le istruzioni che mostrano ad una cellula come fare ogni piccola parte di ogni sistema, organo e tessuto all’interno del nostro corpo. Tutte queste singole parti sono polipeptidi. Dalla cheratina dei tuoi capelli e delle tue unghie agli ormoni che scorrono nel tuo sangue, i polipeptidi e le proteine sono le pietre miliari di ogni struttura. Il nostro DNA non codifica per lipidi o carboidrati – codifica solo per polipeptidi.

L’enzima RNA polimerasi apre il ricettario del DNA che si trova nel nucleo della cellula. Usa certi pezzi di codice come segnalibri per trovare la pagina giusta. Questo ricettario è scritto in una lingua straniera – l’mRNA copia ciò che è scritto senza capirlo. Le ricette sono tradotte in una lingua che altre molecole possono decifrare in un secondo momento. I traduttori sono i ribosomi e il tRNA. Essi leggono la ricetta e possono raccogliere gli ingredienti giusti e, nell’ordine corretto, fare il prodotto polipeptidico finito.

Sequenze di DNA

Nel nucleo, due filamenti di DNA sono tenuti insieme da basi azotate (chiamate anche nucleobasi o basi). Quattro basi – citosina, guanina, adenina e timina – formano le lettere delle parole del ricettario del DNA.

Un filamento di DNA contiene il codice originale. Se le istruzioni di questo codice sono attentamente seguite, uno specifico polipeptide corretto può essere assemblato fuori dal nucleo. Il secondo filamento di DNA – il filamento modello – è un’immagine speculare del filamento originale. Deve essere un’immagine speculare perché le nucleobasi possono attaccarsi solo a partner complementari. Per esempio, la citosina si accoppia solo con la guanina e la timina solo con l’adenina.

Avrete probabilmente visto codici come CTA, ATA, TAA e CCC in vari libri di testo di biologia. Se questi sono i codoni (set di tre basi) del filamento originale di DNA, il filamento modello si attaccherà a questi usando i loro partner. Quindi, usando gli esempi dati, il DNA modello si attaccherà al filamento di DNA originale usando GAT, TAT, ATT e GGG.

L’RNA messaggero poi copia il filamento modello. Questo significa che finisce per creare una copia esatta del filamento originale. L’unica differenza è che l’mRNA sostituisce la timina con una base chiamata uracile. La copia dell’mRNA del filamento modello usando gli esempi dati sarebbe CUA, AUA, UAA, e CCC.

Questi codici possono essere letti da RNA di trasferimento fuori dal nucleo; la ricetta può essere compresa da una molecola che non capisce completamente il linguaggio usato nell’originale (non capisce la timina, solo l’uracile). L’RNA di trasferimento aiuta a portare le parti giuste alla catena di montaggio del ribosoma. Lì si costruisce una catena proteica che corrisponde alle istruzioni del filamento di DNA originale.

Contribuenti alla sintesi proteica

Per realizzare il tratto di codice copiato (trascrizione) abbiamo bisogno di enzimi chiamati RNA polimerasi. Questi enzimi raccolgono le molecole di RNA messaggero (mRNA) fluttuanti nel nucleo e le assemblano per formare le lettere del codice. Ogni lettera del codice del DNA ha la sua chiave e ogni nuova lettera formata dall’mRNA porta una serratura che si adatta a questa chiave, un po’ come il tRNA.

Nota che stiamo parlando di lettere. Questo è importante. All’interno del nucleo, il codice del DNA non viene compreso, semplicemente copiato – trascritto. La comprensione del codice attraverso l’ortografia delle parole formate da queste lettere – la traduzione – avviene in una fase successiva.

L’RNA polimerasi deve trovare e portare la molecola di mRNA appropriata per ogni base azotata sul filamento modello. Le molecole di mRNA selezionate si legano insieme per formare una catena di lettere. Alla fine, queste lettere comporranno l’equivalente di una frase. Ogni frase rappresenta un prodotto specifico (polipeptide). Se la ricetta non viene seguita esattamente, il prodotto finale potrebbe essere completamente diverso o non funzionare bene come dovrebbe.

L’RNA messaggero è ora diventato il codice. Viaggia verso il prossimo gruppo di importanti collaboratori che lavorano come impianti di produzione. I ribosomi si trovano fuori dal nucleo della cellula, nel citoplasma della cellula o attaccati al reticolo endoplasmatico ruvido; sono i ribosomi che rendono il reticolo endoplasmatico “ruvido”.

Un ribosoma è diviso in due parti e il filamento di mRNA lo attraversa come un nastro in una macchina da scrivere vecchio stile. Il ribosoma riconosce e si collega a un codice speciale all’inizio della frase tradotta – il codone iniziale. Le molecole di RNA di trasferimento entrano nel ribosoma, portando con sé i singoli ingredienti. Come per tutti questi processi, sono necessari degli enzimi per fare i collegamenti.

Se ogni codone mRNA ha una serratura, il tRNA possiede le chiavi. La chiave del tRNA per un codone di mRNA è chiamata anticodone. Quando una molecola di tRNA possiede la chiave che corrisponde a un codice di tre nucleobasi, può aprire la porta, lasciare il suo carico (un amminoacido) e lasciare la fabbrica del ribosoma per raccogliere un altro carico di amminoacidi. Questo sarà sempre lo stesso tipo di aminoacido dell’anticodone.

L’RNA messaggero si sposta lungo il ribosoma come su un nastro trasportatore. Al codone successivo un’altra molecola di tRNA (con la chiave giusta) porta l’amminoacido successivo. Questo aminoacido si lega al precedente. Inizia a formarsi una catena di aminoacidi legati – una catena polipeptidica. Una volta completata, questa catena polipeptidica è un accurato prodotto finale fabbricato secondo le istruzioni del ricettario del DNA. Non una torta o un dolce, ma una catena polipeptidica.

La fine del processo di traduzione del codice mRNA è segnalata da un codone stop. I codoni di inizio e fine non codificano gli aminoacidi, ma dicono al tRNA e al ribosoma dove la catena polipeptidica deve iniziare e finire.

Il prodotto finito – il polipeptide appena sintetizzato – viene rilasciato nel citoplasma. Da lì può viaggiare ovunque sia necessario.

Sito della sintesi proteica

Il sito della sintesi proteica è duplice. La trascrizione (copiatura del codice) avviene nel nucleo della cellula dove si trova il DNA. Una volta che la copia di mRNA di una piccola sezione di DNA è stata fatta, viaggia attraverso i pori nucleari e nel citoplasma della cellula. Nel citoplasma, il filamento di mRNA si muove verso un ribosoma libero o uno attaccato al reticolo endoplasmatico ruvido. Poi il passo successivo della sintesi proteica – la traduzione – può iniziare.

Nuovi ruoli per i ribosomi

La cellula media dei mammiferi contiene più di dieci milioni di ribosomi. Le cellule tumorali possono produrre fino a 7.500 subunità ribosomiali (piccole e grandi) ogni minuto. Come fabbrica di polipeptidi, l’esistenza, lo sviluppo e la funzione di ogni organismo vivente dipendono dal ribosoma.

In precedenza si pensava che i ribosomi eucarioti avessero solo ruoli effettori nella sintesi delle proteine (causavano un effetto – una nuova proteina). Tuttavia, una recente ricerca mostra ora che i ribosomi regolano anche il processo di traduzione. Giocano un ruolo nel decidere quali proteine sono prodotte e in quali quantità. Il successo e i risultati della traduzione dipendono non solo dalla disponibilità di aminoacidi ed enzimi liberi, ma anche dalla qualità dei ribosomi.

La trascrizione nella sintesi proteica

Il processo di trascrizione è il primo passo della sintesi proteica. Questa fase trasferisce le informazioni genetiche dal DNA ai ribosomi del citoplasma o del reticolo endoplasmatico ruvido. La trascrizione è divisa in tre fasi: iniziazione, allungamento e terminazione.

Iniziazione

L’iniziazione richiede due gruppi di proteine speciali. Il primo gruppo è costituito dai fattori di trascrizione – questi riconoscono le sequenze promotrici nel DNA. Una sequenza promotrice è una sezione di codice che si trova all’inizio di un singolo gene e che mostra dove il processo di copiatura deve iniziare e in quale direzione questo codice deve essere letto. Un promotore funziona un po’ come il codone di inizio sull’mRNA.

Il secondo gruppo di proteine necessarie per l’inizio della trascrizione è costituito dalle RNA polimerasi DNA-dipendenti (RNAP). Una molecola di RNA polimerasi si lega al promotore. Una volta stabilito questo legame, il DNA a doppio filamento si srotola e si apre (si apre).

Le basi collegate mantengono i due filamenti di DNA in una forma a doppia elica. Quando i due filamenti si aprono, le basi individuali, ora non collegate, rimangono esposte. Il processo di decompressione viene ripetuto lungo il tratto di DNA dalle RNAP fino al punto di arresto della trascrizione o terminatore. L’iniziazione, quindi, implica il riconoscimento di una sequenza promotrice e la decompressione di un tratto di DNA sotto l’influenza di fattori di trascrizione e di RNA polimerasi.

Allungamento

La fase successiva del processo di trascrizione è l’allungamento. Con la sequenza codificata esposta, le RNAP possono leggere ogni singola base di adenina, guanina, citosina o timina sul filamento modello e collegarvi la corretta base partner. È importante ricordare che l’RNA non è in grado di replicare la timina e la sostituisce con la nucleobase nota come uracile.

Se, per esempio, una breve sequenza di DNA sul filamento modello è rappresentata da C-A-G-T-T-A o citosina-adenina-guanina-timina-timina-adenina, RNAP collegherà le basi partner corrette ottenute da popolazioni di basi fluttuanti nel nucleo. In questo esempio, l’RNA polimerasi attacca una base guanina alla citosina, l’uracile all’adenina, la citosina alla guanina e l’adenina alla timina per formare un filamento di RNA messaggero con la sequenza di basi azotate codificata G-U-C-A-A-U. Questo processo si ripete finché l’enzima RNAP individua una sequenza di codice genetico che lo termina – il terminatore.

Terminazione

Quando le RNAP individuano una sequenza terminatrice, avviene la fase finale della trascrizione – la terminazione. La stringa di RNAPs si disconnette dal DNA e il risultato è un filamento di RNA messaggero. Questo mRNA porta il codice che alla fine istruirà il tRNA su quali amminoacidi portare al ribosoma.

L’RNA messaggero lascia il nucleo attraverso i pori nucleari principalmente per diffusione, ma a volte ha bisogno dell’aiuto degli enzimi trasportatori e dell’ATP per raggiungere la sua destinazione.

Processo di traduzione nella sintesi proteica

Durante il processo di traduzione, le piccole e grandi subunità di un ribosoma si chiudono su un filamento di mRNA, intrappolandolo debolmente al suo interno. I ribosomi organizzano il filamento in codoni o insiemi di tre lettere base azotate. Questo perché il codice per un singolo amminoacido – la forma più elementare di una proteina – è un codice di tre lettere nucleobase.

Come i ribosomi riconoscono parti di codice, possiamo dire che lo capiscono. L’accozzaglia di lettere copiate durante la fase di trascrizione può essere letta e compresa nella fase di traduzione.

Per esempio, GGU, GGC, GGA, e GGG codificano l’aminoacido noto come glicina. La maggior parte degli aminoacidi hanno codici multipli perché questo riduce la possibilità di errori – se la RNA polimerasi collega accidentalmente l’adenina invece della citosina a GG, non importa. Sia GGC che GGA codificano per lo stesso aminoacido. Puoi vedere una lista di codoni dell’mRNA per i venti aminoacidi non essenziali qui.

C’è solo un codone iniziale – AUG. Tre codoni – TAA, TAG e TGA – rappresentano i codoni di stop. Né i codoni di inizio né quelli di fine corrispondono al codice di un aminoacido; sono non codificanti. I singoli codoni di inizio e i tre codoni di fine sono chiaramente contrassegnati su questa ruota dei codoni.

Quando un codone diventa visibile – una volta che il codone precedente è stato collegato ad un amminoacido – una sezione di una molecola di RNA di trasferimento si inserisce nel codone dell’mRNA. Questa “chiave” è chiamata anticodone. L’RNA di trasferimento ha due ruoli: attaccarsi a un aminoacido al di fuori del ribosoma e distribuire questo aminoacido al momento giusto e nella giusta posizione su un filamento di mRNA all’interno del ribosoma.

Decine di migliaia di molecole di RNA di trasferimento producono una catena polipeptidica. La titina o connectina è la più grande molecola proteica e contiene circa 33.000 aminoacidi. Il più piccolo polipeptide funzionale è il glutatione – solo tre aminoacidi. Per produrre il glutatione, prima il ribosoma e il tRNA devono leggere il codone di inizio (tre basi), poi leggere il primo codone codificante della proteina (tre basi), il secondo (tre basi), il terzo (tre basi), e il codone di stop (tre basi). Le ricette (sequenze) codificanti del DNA e dell’mRNA per il glutatione contengono nove basi. Ci possono essere o meno sezioni aggiuntive di DNA non codificante all’interno di questa ricetta. Le sequenze non codificanti non producono amminoacidi.

Come il processo di trascrizione, anche la traduzione all’interno del ribosoma è divisa nelle tre fasi di iniziazione, allungamento e terminazione.

L’iniziazione comporta il riconoscimento da parte del ribosoma del codone di inizio del mRNA. L’allungamento si riferisce al processo con cui il ribosoma si muove lungo la trascrizione dell’mRNA, riconoscendo ed esponendo i singoli codoni in modo che il tRNA possa portare gli amminoacidi giusti. Il braccio dell’anticodone del tRNA si attacca al codone appropriato dell’mRNA sotto l’influenza degli enzimi ribosomiali.

Finalmente, la terminazione avviene quando il ribosoma riconosce il codone di stop dell’mRNA; la catena polipeptidica completata viene quindi rilasciata nel citoplasma. Viene inviata ovunque sia necessario – all’interno della cellula o in altri tessuti, uscendo dalla membrana cellulare attraverso l’esocitosi.

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