Cosa imparerai a fare: Riassumi il processo di traduzione

Prenditi un momento per guardare le tue mani. L’osso, la pelle e il muscolo che vedete sono costituiti da cellule. E ognuna di queste cellule contiene molti milioni di proteine In realtà, le proteine sono “mattoni” molecolari chiave per ogni organismo sulla Terra!

Come vengono prodotte queste proteine in una cellula? Per cominciare, le istruzioni per la produzione di proteine sono “scritte” nel DNA di una cellula sotto forma di geni. Fondamentalmente, un gene viene utilizzato per costruire una proteina in un processo in due fasi:

• Passo 1: Trascrizione (che abbiamo appena appreso)! Qui, la sequenza del DNA di un gene viene “riscritta” sotto forma di RNA. Negli eucarioti come te e me, l’RNA viene elaborato (e spesso ha alcuni bit tagliati fuori di esso) per rendere il prodotto finale, chiamato RNA messaggero o mRNA.
• Passo 2: Traduzione! In questa fase, l’mRNA viene “decodificato” per costruire una proteina (o un pezzo/subunità di una proteina) che contiene una serie specifica di aminoacidi.

Requisiti per la Traduzione

Figura 1. Un legame peptidico collega l’estremità carbossilica di un amminoacido con l’estremità amminica di un altro, espellendo una molecola d’acqua. Per semplicità in questa immagine, vengono mostrati solo i gruppi funzionali coinvolti nel legame peptidico. Le denominazioni R e R ‘ si riferiscono al resto di ciascuna struttura aminoacidica.

Il processo di traduzione, o sintesi proteica, comporta la decodifica di un messaggio mRNA in un prodotto polipeptidico. Gli amminoacidi sono legati covalentemente insieme collegando i legami peptidici. Ogni singolo amminoacido ha un gruppo amminico (NH2) e un gruppo carbossilico (COOH). I polipeptidi si formano quando il gruppo amminico di un amminoacido forma un legame ammidico (cioè peptidico) con il gruppo carbossilico di un altro amminoacido (Figura 1).

Questa reazione è catalizzata dai ribosomi e genera una molecola d’acqua.

Il macchinario di sintesi proteica

Oltre al modello di mRNA, molte molecole e macromolecole contribuiscono al processo di traduzione. La traduzione richiede l’input di un modello di mRNA, ribosomi, TRNA e vari fattori enzimatici.

Ribosomi

Un ribosoma è una macromolecola complessa composta da RRNA strutturali e catalitici e molti polipeptidi distinti. I ribosomi esistono nel citoplasma nei procarioti e nel citoplasma e nel reticolo endoplasmatico ruvido negli eucarioti. I ribosomi sono costituiti da due subunità. In E. coli, la piccola subunità è descritta come 30S e la grande subunità è 50S, per un totale di 70S. I ribosomi dei mammiferi hanno una piccola subunità 40S e una grande subunità 60S, per un totale di 80S. La piccola subunità è responsabile del legame del modello di mRNA, mentre la grande subunità lega sequenzialmente i TRNA.

tRNA

I TRNA sono molecole di RNA strutturali che sono state trascritte dai geni dalla RNA polimerasi III. Fungendo da adattatori, i TRNA specifici si legano alle sequenze sul modello di mRNA e aggiungono l’aminoacido corrispondente alla catena polipeptidica. Pertanto, i TRNA sono le molecole che in realtà “traducono” il linguaggio dell’RNA nel linguaggio delle proteine.

Figura 2. Fenilalanina tRNA

Dei 64 possibili codoni mRNA—o combinazioni di triplette di A, U, G e C—tre specificano la terminazione della sintesi proteica e 61 specificano l’aggiunta di aminoacidi alla catena polipeptidica. Di questi 61, un codone (AUG) noto anche come “codone iniziale” codifica l’inizio della traduzione. Ogni anticodone tRNA può basare la coppia con uno dei codoni mRNA e aggiungere un amminoacido o terminare la traduzione, secondo il codice genetico. Ad esempio, se la sequenza CUA si verificasse su un modello di mRNA nel frame di lettura corretto, legherebbe un tRNA che esprime la sequenza complementare, GAU, che sarebbe legata all’amminoacido leucina.

I TRNA maturi assumono una struttura tridimensionale attraverso il legame intramolecolare dell’idrogeno per posizionare il sito di legame dell’amminoacido ad un’estremità e l’anticodone all’altra estremità (Figura 2).L’anticodone è una sequenza di tre nucleotidi in un tRNA che interagisce con un codone mRNA attraverso l’accoppiamento di base complementare.

I TRNA devono interagire con tre fattori:

1. Devono essere riconosciuti dalla corretta aminoacil sintetasi.
2. Devono essere riconosciuti dai ribosomi.
3. Devono legarsi alla sequenza corretta in mRNA.

Aminoacil tRNA sintetasi

Attraverso il processo di “carica” del tRNA, ogni molecola di tRNA è collegata al suo aminoacido corretto da un gruppo di enzimi chiamati aminoacil tRNA sintetasi. Esiste almeno un tipo di aminoacil tRNA sintetasi per ciascuno dei 20 aminoacidi.

Codice genetico

Dato il diverso numero di “lettere” nell’mRNA e negli “alfabeti” proteici, gli scienziati hanno teorizzato che le combinazioni di nucleotidi corrispondevano a singoli amminoacidi. Gli scienziati hanno teorizzato che gli amminoacidi erano codificati da triplette nucleotidiche e che il codice genetico era degenerato. In altre parole, un dato amminoacido potrebbe essere codificato da più di una tripletta nucleotidica. Queste triplette nucleotidiche sono chiamate codoni. Gli scienziati hanno accuratamente risolto il codice genetico traducendo MRNA sintetici in vitro e sequenziando le proteine specificate (Figura 3).

Figura 3. Questa figura mostra il codice genetico per tradurre ogni tripletta nucleotidica in mRNA in un amminoacido o un segnale di terminazione in una proteina nascente. (credito: modifica del lavoro di NIH)

Oltre a istruire l’aggiunta di un amminoacido specifico a una catena polipeptidica, tre (UAA, UAG, UGA) dei 64 codoni terminano la sintesi proteica e rilasciano il polipeptide dal macchinario di traduzione. Queste terzine sono chiamate codoni nonsense o stop codons. Un altro codone, AUG, ha anche una funzione speciale. Oltre a specificare l’amminoacido metionina, serve anche come codone iniziale per avviare la traduzione. Il frame di lettura per la traduzione è impostato dal codone AUG start vicino all’estremità 5 ‘ dell’mRNA.

Il codice genetico è universale. Con poche eccezioni, praticamente tutte le specie usano lo stesso codice genetico per la sintesi proteica. La conservazione dei codoni significa che un mRNA purificato che codifica la proteina globina nei cavalli potrebbe essere trasferito a una cellula di tulipano e il tulipano sintetizzerebbe la globina di cavallo. Che ci sia un solo codice genetico è una potente prova che tutta la vita sulla Terra condivide un’origine comune, soprattutto considerando che ci sono circa 1084 possibili combinazioni di 20 aminoacidi e 64 codoni triplette.

Si ritiene che la degenerazione sia un meccanismo cellulare per ridurre l’impatto negativo delle mutazioni casuali. I codoni che specificano lo stesso amminoacido in genere differiscono solo per un nucleotide. Inoltre, gli amminoacidi con catene laterali chimicamente simili sono codificati da codoni simili. Questa sfumatura del codice genetico assicura che una mutazione di sostituzione a singolo nucleotide possa specificare lo stesso amminoacido ma non avere alcun effetto o specificare un amminoacido simile, impedendo alla proteina di essere resa completamente non funzionale.

Passi di traduzione

Come con la sintesi di mRNA, la sintesi proteica può essere divisa in tre fasi: iniziazione, allungamento e terminazione. Il processo di traduzione è simile nei procarioti e negli eucarioti. Qui esploreremo come la traduzione avviene in E. coli, un procariote rappresentativo, e specificare eventuali differenze tra la traduzione procariotica ed eucariotica.

Iniziazione della traduzione

La sintesi proteica inizia con la formazione di un complesso di iniziazione. In E. coli, questo complesso coinvolge il piccolo ribosoma 30S, il modello di mRNA, i fattori di iniziazione e uno speciale tRNA iniziatore. Il tRNA iniziatore interagisce con il codone inizio AGOSTO. Guanosina trifosfato (GTP), che è un trifosfato nucleotidico purinico, agisce come fonte di energia durante la traduzione—sia all’inizio dell’allungamento che durante la traslocazione del ribosoma.

Una volta identificato l’AGO appropriato, la subunità 50S si lega al complesso di Met-tRNAi, mRNA e la subunità 30S. Questo passaggio completa l’avvio della traduzione.

Allungamento della traduzione

La subunità ribosomiale 50S di E. coli è costituita da tre compartimenti: il sito A (aminoacil) lega i TRNA di aminoacil caricati in entrata. Il sito P (peptidil) lega i TRNA carichi che trasportano aminoacidi che hanno formato legami peptidici con la catena polipeptidica in crescita ma non si sono ancora dissociati dal loro corrispondente tRNA. Il sito E (exit) rilascia TRNA dissociati in modo che possano essere ricaricati con aminoacidi liberi. questo crea un complesso di iniziazione con un libero Un sito pronto ad accettare il tRNA corrispondente al primo codone dopo l ” AGOSTO.

Figura 4. Traduzione del ribosoma mRNA

Durante l’allungamento della traduzione, il modello di mRNA fornisce specificità. Mentre il ribosoma si muove lungo l’mRNA, ogni codone dell’mRNA entra nel registro ed il legame specifico con l’anticodone caricato corrispondente di tRNA è assicurato. Se l’mRNA non fosse presente nel complesso di allungamento, il ribosoma legherebbe i TRNA in modo non specifico.

L’allungamento procede con TRNA caricati che entrano nel sito A e poi si spostano nel sito P seguito dal sito E con ogni singolo “passo” del ribosoma. I passi ribosomiali sono indotti da cambiamenti conformazionali che avanzano il ribosoma di tre basi nella direzione 3′. L’energia per ogni fase del ribosoma è donata da un fattore di allungamento che idrolizza GTP. I legami peptidici si formano tra il gruppo amminico dell’amminoacido attaccato al tRNA del sito A e il gruppo carbossilico dell’amminoacido attaccato al tRNA del sito P. La formazione di ogni legame peptidico è catalizzata dalla peptidil transferasi, un enzima a base di RNA che è integrato nella subunità ribosomiale 50S. L’energia per ogni formazione del legame peptidico è derivata dall’idrolisi GTP, che è catalizzata da un fattore di allungamento separato. L’aminoacido legato al P-sito tRNA è anche collegato alla crescente catena polipeptidica. Mentre il ribosoma attraversa l’mRNA, il precedente tRNA del sito P entra nel sito E, si stacca dall’amminoacido e viene espulso (Figura 5). Sorprendentemente, l’apparato di traduzione di E. coli richiede solo 0.05 secondi per aggiungere ogni amminoacido, il che significa che una proteina di 200 aminoacidi può essere tradotta in soli 10 secondi.

Figura 5. La traduzione inizia quando un anticodone tRNA iniziatore riconosce un codone su mRNA. La grande subunità ribosomiale si unisce alla piccola subunità e viene reclutato un secondo tRNA. Mentre l’mRNA si muove rispetto al ribosoma, si forma la catena polipeptidica. L’inserimento di un fattore di rilascio nel sito A termina la traduzione e i componenti si dissociano.

Terminazione della traduzione

La terminazione della traduzione si verifica quando viene rilevato un codone nonsense (UAA, UAG o UGA). Al momento dell’allineamento con il sito A, questi codoni senza senso sono riconosciuti dai fattori di rilascio nei procarioti e negli eucarioti che istruiscono la peptidil transferasi ad aggiungere una molecola d’acqua all’estremità carbossilica dell’amminoacido P-sito. Questa reazione costringe l’amminoacido P-site a staccarsi dal suo tRNA e la proteina appena prodotta viene rilasciata. Le piccole e grandi subunità ribosomiali si dissociano dall’mRNA e l’una dall’altra; vengono reclutate quasi immediatamente in un altro complesso di iniziazione della traduzione. Dopo che molti ribosomi hanno completato la traduzione, l’mRNA è degradato in modo che i nucleotidi possano essere riutilizzati in un’altra reazione di trascrizione.

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