Il flusso dell’informazione: l’espressione genica

La traduzione

L’espressione genica: la “messa in atto” dell’informazione contenuta nel DNA

La traduzione (sintesi proteica) è il processo energeticamente più dispendioso per la cellula batterica.

Bersaglio di numerosi antibiotici.

Struttura del gene• Gene

– Unità base dell’informazione genica– Sequenza di DNA che codifica per un polipeptide

oppure per un tRNA o un rRNA– Sequenza nucleotidica definita da un punto di

inizio e uno di fine (per geni codificanti per proteine codoni di inizio e di fine)

– Negli mRNA ogni codone corrisponde ad un dato amino acido

• Fase di lettura (reading frame)– Ogni elica possiede 3 fasi possibili di lettura, dei

quali solo una corrisponde alla corretta informazione del gene

La trascrizione è un processo „asimmetrico“

‘

Template strand/elica stampo

Coding strand/elica senso

Importanza della fase di lettura

Geni che codificano per proteine (polipeptidi)

• L’elica stampo (template strand) è usata per la sintesi dell’RNA messaggero– È letta 3’-5’ e consente la sintesi di un mRNAs 5’-3’ con

sequenza nucleotidica complementare all’elica stampo ed “identica” alla sequenza dell’elica senso

– Il gene termina con un codone di stop• Il trascritto continua fino ad una sequenza di terminazione

• Il trascritto possiede una sequenza leader trascritta ma non tradotta

La trascrizione (DNA>RNA) è comunque finalizzata alla traduzione

I tre tipi di RNA trascrittimRNA (RNA messaggero): contiene la sequenza nucleotidica del gene per la sua conversione a proteina. La sua sequenza nucleotidica viene letta in triplette secondo il codice genetico

tRNA (RNA transfer): RNA stabile, specifico per ogni codone “senso”, viene caricato con l’amino acido corrispondente

rRNA (RNA ribosomale): circa il 90% di tutto l’RNA presente nella cellula. Costituisce con una cinquantina di proteine il ribosoma, su cui avviene la sintesi proteica

Il Codice Genetico

• colinearità– Corrispondenza tra sequenza nucleotidica nel DNA e sequenza

amino acidica nella proteina – CodoniUnità elementari del codice genetico, corrispondono ad un

aminoacidoDecifrato da Marshall Nirenberg negli anni 60

L’universalità del codice genetico è considerata, assieme all’uso del DNA come molecola per la conservazione del materiale genetico, la prova principale dell’evoluzione di tutti gli organismi viventi da un unico progenitore comune

Il codice genetico

E’ “degenerato”…..

(più di un singolo codone può avere lo stesso significato)

Il codice genetico

I codoni che specificano per aminoacidi sono detti codoni “senso”

I tre codoni non senso (UAA, UAG, UGA) segnalano la fine della traduzione

Che cosa consente che ad un codone corrisponda un dato aminoacido?

Il tRNA.

Sequenza nucleotidica mRNA (es. GGC, codifica per glicina)

Esistono 61 molecole diverse di tRNA, ognuna in grado di legare i codoni senso complementari tramite la loro sequenza anticodone

All’estremità 3’ del tRNA viene attaccato l’amino acido corrispondente al codone (nell’esempio, la glicina)

5’ 3’

5’3’

Il tRNA ha una struttura complessa con tratti a doppio filamento

Complementare alcodone nell’ mRNA

Sito a cui viene attaccato l’amino acido

Regioni a doppio filamento

“Peculiarità” dell’RNA transfer

• Presenza di regioni a doppio filamento

• Presenza di un legame esterico aa-nt

• Presenza di basi azotate modificate (metiluridina(meU), pseudouridina

Aminoacil-tRNA Sintetasi

La aa-tRNAs sintetasi (21 per cellula)

Legame esterico

tRNA

Aminoacido

attivato

(aa-AMP)

“Wobble”

• Scarsa fedeltà nell’appaiamento delle basi– 3° posizione del

codone è meno importante delle prime due

• Permette ad un unico tRNA di interagire con più codoni che codificano per lo stesso aa

Lo stesso tRNAs può interagire con due diversi codoni per la glicina

Il ribosoma: sede e “cervello” della sintesi proteica

• Il ribosoma è un complesso costituito da due subunità distinte e composto da rRNA (3 molecole) e proteine (circa 55)

• Nelle cellule procariote rappresenta la struttura citoplasmatica più complessa

Inizio della sintesi proteica

• Coinvolge le subunità ribosomali

• tRNA d’inizio• Fattori di inizio

(IFs)

Inizio della sintesi proteica

Il tRNA iniziatore è caricato con formil-metionina

Archea ed eucarioti usano tRNA a metionina

Inizio della sintesi proteica

• Il posizionamento del tRNA d’inizio ha luogo ad un codone AUG

• Il riconoscimento del ribosoma di un codone AUG di inizio è favorito dalla presenza di una sequenza detta di Shine-Dalgarno

…AGGAGG……AUG

5-8 nt

I tre siti di legame per il tRNA sul ribosoma

• Al termine del ciclo di inizio il ribosoma si è ricostituito e vi sono riconoscibili tre siti di legame per il tRNA

• peptidil-tRNA (sito P)– E’ il sito che lega il tRNA d’inizio e

il tRNA attaccato alla catena peptidica

• Sito dell’aminoacil-tRNA (sito A) – Dove entrano i nuovi aa-tRNA

• Sito di uscita (Exit site)– Dove si posizione il tRNA scarico

L’allungamento (elongazione) della sintesi proteica

• I successivi aa-tRNA vengono posizionati nel sito A del ribosoma da una proteina specifica detta EF-Tu ( idrolisi 1 GTP)

• L’EF-Tu resta legato al GDP ma viene ricaricato a EF-Tu/GTP da un altro fattore, EF-Ts.

• L’azione della peptidil-trasferasi del ribosoma consente il trasferimento dell’aa (o catena peptidica) dal sito P all’ aa-tRNA del sito A

• La catena peptidica nascente viene traslocata al sito P tramite l’intervento di un altro fattore, EF-G (idrolisi di 1 GTP)

La fase di allungamento della sintesi proteica è il bersaglio di un grande numero di antibiotici

• Peptidil-trasferasi: Puromicina, cloramfenicolo

• EF-Tu: kirromicine, pulvomicine

• EF-G: acido fusidico

• Ribosoma: tetraciclina, streptomicina, kanamicina

• Richiede I fattori di rilascio (RF)– Permettono il

riconoscimento dei codoni di stop

– 3 RFs nei procarioti– solo 1 RF attivo negli

eucarioti

La terminazione avviene in corrispondenza dei codoni di stop

Trascrizione e traduzione sono contemporanee nei procarioti

Step 2: dalla trascrizione alla proteinaStep 2: dalla trascrizione alla proteina

Gli enzimi sono attivi solo se ripiegati nella conformazione corretta (folding)

Nel processo di folding hanno luogo modificazioni post-traduzionali:

es. Folding ossidativo

Soltanto il corretto appaiamento di residui di cisteina porta alla

conformazione biologicamente attiva

DnaK

„Mettersi in riga“ o venire eliminati: il ruolo delle chaperonine

Struttura del complesso GroEL/GroES (una della maggiori chaperonine citoplasmatiche)

A) Veduta laterale

B) Veduta apicale e basale

Nel citoplasma troviamo anche….

• Sostanze di riserva immagazzinate in corpi di inclusione

• Es.:– Granuli di glicogeno (polimero di glucosio)– Poli-idrossi-alcanoati (PHA)– “Bolle di gas”