Watson e Crick avevano chiarito, grazie al loro modello, la struttura del DNA; inoltre indicarono il meccanismo alla base della sua duplicazione. Era stato accertato che il DNA contenesse le istruzioni necessarie alla sintesi delle molecole biochimiche e che queste istruzioni potessero essere trasmesse alla progenie.
Rimanevano però ancora aperte due domande:
- Come sono codificate le istruzioni nel DNA?
- Come vengono trasportate queste istruzioni all’esterno del nucleo delle cellule eucarioti?
I primi passi del lungo cammino che porterà i biologi alla comprensione dei meccanismi con cui il DNA controlla le cellule furono mossi da un medico inglese, Archibald Garrod, nel 1908. Egli, studiando le possibili cause alla base di una malattia detta alcaptonuria, ipotizzò che ci potessero essere degli errori congeniti del metabolismo, quindi qualcosa che fosse ereditario. Avanzò l’ipotesi che questa malattia fosse causata da carenze enzimatiche; come dire che i geni influissero sulla produzione di queste particolari proteine.
Nel 1939 Torbjörn Caspersson e Jean Brachet scoprirono che le cellule che producono molte proteine sono ricche di RNA, intuendo quindi che questa molecola è necessaria per produrre delle catene polipeptidiche.
Nel 1941 George Beadle, un genetista, capì che i geni controllano la sintesi degli enzimi. Con Edward Tatum, un altro genetista, utilizzò la comune muffa del pane, Neurospora crassa, per allestire una serie di esperimenti; impiegando i raggi X per indurre le mutazioni, essi capirono che, ad una certa mutazione, corrispondeva la perdita di funzionalità di un certo enzima. Venne coniata il famoso dogma centrale della biologia: “un gene, un enzima”, successivamente modificato nel più corretto: “un gene, una funzione”.
Nel 1949 il chimico Linus Pauling, studiando l’emoglobina di persone affette da anemia falciforme, di persone sane e di persone portatrici del gene, capì che una persona affetta da anemia falciforme possiede una emoglobina diversa da quella delle persone sane.
Nel 1959 Severo Ochoa scoprì il meccanismo di sintesi dell’RNA; inoltre mise a punto un metodo per sintetizzare dei filamenti di RNA artificiali.
Nel 1961 Niremberg e Matthaei idearono la maniera di decifrare il codice genetico. Essi utilizzarono degli estratti cellulari contenenti tutti i componenti necessari alla sintesi proteica ma privi di RNA messaggero, in cui venne successivamente aggiunto un mRNA sintetico, costituito da ripetizioni continue della stessa base azotata, l’acido poliuridilico o poli-U. Di volta in volta uno dei venti amminoacidi necessari veniva sostituito con lo stesso amminoacido marcato radioattivamente; dopo la centrifugazione fu quindi possibile scoprire il polipeptide marcato, che era composto interamente dall’amminoacido fenilalanina e quindi, indirettamente, la tripletta (codone) corrispondente, cioè UUU. Con un metodo analogo furono decifrati tutti i codoni possibili per i 20 amminoacidi. Come si può notare dalla tabella sottostante che li riporta, esistono in genere diversi codoni per lo stesso amminoacido: il codice genetico è quindi ridondante. Inoltre per quasi tutti gli organismi è sempre lo stesso: si dice che il codice genetico è universale.
Come si legge la tabella del codice genetico? Facciamo un esempio: mettiamo di dover scoprire qual è l'amminoacido corrispondente al codone AGC. La prima lettera è la A: quindi seguiremo il terzo blocco dall'alto (quello con la lettera A più grande, subito a sinistra). Poi ci posizioniamo sulla colonna della G e, seguendo sempre il blocco con la A grande, cerchiamo la lettera G sull'ultima colonna. Si può vedere facilmente che l'amminoacido corrispondente è la serina (ser).
Se hai difficoltà con il codice dell'amminoacido, puoi scaricare un documento che riporta diversi dati utili:
mRNA o RNA messaggero
Questa molecola rappresenta il trascritto del DNA. È costituita da un filamento singolo, polimerizzato in direzione 5’ → 3’, utilizzando come stampo il filamento 3’ → 5’ del DNA, filamento detto antisenso. L’enzima che catalizza la polimerizzazione è l’RNA polimerasi che riconosce sullo stampo una particolare sequenza nucleotidica detta promotore. La catena di DNA viene aperta dall’enzima stesso e la sintesi dell’mRNA procede fino a che l’RNA polimerasi non incontra una seconda sequenza nucleotidica, detta sequenza di terminazione, giunta alla quale la trascrizione termina. Nei procarioti questo trascritto è pronto per la successiva traduzione; negli eucarioti deve subire la maturazione, detta anche splicing. Infatti nel secondo caso il trascritto primario, che viene detto pre-mRNA, possiede dei tratti detti introni, i quali non vanno tradotti. Gli unici tratti che verranno espressi sono gli esoni. Il pre-mRNA subisce quindi una rielaborazione: sulla estremità 5’ viene legata una molecola di 7-metilguanosina detta CAP (cappuccio) mentre all’estremità 3’ viene aggiunto un segmento di numerosi residui di adenosina detta coda poli-A. Il CAP è necessario per rendere stabile l’mRNA. Prima di essere diretto al citoplasma, però, gli introni vengono rimossi ed eliminati mentre gli esoni vengono legati assieme, per formare l’mRNA maturo. Quest’ultimo viene avviato al citoplasma per essere tradotto.
Traduzione dell’mRNA: la sintesi proteica
Definizione: "La traduzione è il processo di sintesi proteica, effettuata dai ribosomi, utilizzando le informazioni fornite dall’RNA messaggero che è, a sua volta, la copia di un gene".
Il processo di sintesi delle proteine è chiamato traduzione, in quanto le cellule “leggono” un messaggio costruito con una sequenza di basi azotate e lo “traducono” in una sequenza di amminoacidi.
Nel processo di traduzione sono coinvolti tre tipi di RNA, ciascuno con una funzione specifica ma complementare a ciascun altra; solo insieme, infatti, essi possono portare a compimento il processo.
Tre tipi di RNA
L'RNA ribosomiale (rRNA) è una parte essenziale delle due subunità che formano i ribosomi.
L'RNA messaggero (mRNA) è incaricato di trasferire le informazioni genetiche dal nucleo ai ribosomi, in modo che possano essere espresse come proteine.
L’RNA transfer (tRNA) svolge un ruolo fondamentale nel trasporto degli amminoacidi ai ribosomi, nell'ordine corretto.
Ribosomi
I ribosomi sono organuli presenti nel citoplasma; negli eucarioti spesso sono associati al reticolo endoplasmatico. Sono nucleoproteine, cioè sono strutture complesse costituite da una combinazione di proteine e di RNA che viene chiamato RNA ribosomiale, abbreviato in rRNA.
Questo RNA, come tutti gli RNA, è il prodotto della trascrizione di una determinata regione del DNA.
Queste strutture complesse, che si muovono fisicamente lungo una molecola di RNA detto messaggero, catalizzano la formazione del legame peptidico tra gli amminoacidi, formando così la catena polipeptidica. Esse legano anche un altro tipo di RNA, detto di trasporto e varie altre proteine accessorie necessarie alla sintesi proteica.
I ribosomi sono formati da due parti separate, dette subunità (maggiore e minore), ciascuna delle quali contiene il proprio rRNA. Nei procarioti i ribosomi hanno un tasso di sedimentazione di 70 S (svedberg): la subunità maggiore è di 50 S mentre quella minore è di 30 S. Negli eucarioti i ribosomi hanno un tasso di sedimentazione di 80 S: la subunità maggiore è di 60 S mentre quella minore è di 40 S.
Il tRNA
È l’RNA di trasporto (transfer), così chiamato perché porta legati a sé gli amminoacidi necessari alla sintesi.
Le cellule contengono più di 20 diverse molecole di tRNA, almeno una per ciascuno dei diversi amminoacidi.
È una molecola formata da più di 80 nucleotidi legati in maniera da formare una caratteristica configurazione a trifoglio.
La catena termina sempre con una sequenza CCA presso la sua estremità 3’.
A questa estremità si legherà uno specifico amminoacido (reazione catalizzata dall’enzima amminoacil-tRNA-sintetasi con idrolisi di una molecola di ATP).
Alcune parti (verde scuro) sono uguali in tutti i tRNA, mentre le altre possono variare.
Nell’ansa centrale è presente una sequenza di 3 basi azotate detta anticodone, complementare ad uno specifico codone dell’mRNA.
Meccanismo della traduzione
- Ora che abbiamo visto quali sono i “protagonisti” della traduzione, vediamo come essa si svolge.
- Fondamentalmente possiamo suddividerla in tre fasi:
- Inizio
- Allungamento
- Terminazione
Inizio
La subunità minore del ribosoma si lega all’estremità 5’ dell’mRNA in corrispondenza di un codone particolare (in genere 5’-AUG-3’) che è complementare all’anticodone (in genere 3’-UAC-5’).
- Poi il primo tRNA si colloca in modo da appaiarsi al sito di inizio dell’mRNA.
- Nei procarioti il tRNA che possiede questo anticodone trasporta la formilmetionina (fMet), che, terminata la sintesi, verrà rimossa.
- Si forma così il complesso di inizio (subunità minore - mRNA – primo tRNA)
- Una volta che si è formato il complesso di inizio, la subunità maggiore è in grado di legarsi alla subunità minore.
- Il tRNA viene alloggiato in un particolare sito del ribosoma detto P (peptide).
Allungamento
- Il secondo codone dell’mRNA si trova in corrispondenza del sito A (amminoacile) della subunità maggiore; qui alloggerà un secondo tRNA.
- Si forma il legame peptidico tra i due amminoacidi.
- L’mRNA scorre in avanti di un codone, per cui il primo tRNA si viene a trovare in corrispondenza di un terzo sito, il sito E (exit), da cui uscirà
- Il secondo tRNA porta con sé la catena in allungamento e passa dal sito A al sito P
- Il sito A è libero e….
- … può accogliere un terzo tRNA
- Questa fase si ripete più volte
Ricapitolando:
- Il sito E riceve il tRNA che deve allontanarsi
- Il sito P accetta il tRNA recante la catena polipeptidica in formazione
- Il sito A accoglie il tRNA con il nuovo amminoacido che si dovrà aggiungere alla catena
Terminazione
- La sintesi termina in corrispondenza di uno di questi 3 codoni: UAA, UAG e UGA, detti codoni di stop.
- Dato che non esistono anticodoni per queste triplette, nel sito A si inserisce una particolare molecola detta fattore di rilascio (RF, da release factor).
- La traduzione cessa, le subunità si separano e l’mRNA può essere riutilizzato per una successiva sintesi proteica.
Polisoma
Durante il processo di allungamento, la parte iniziale dell’mRNA può essere disponibile all’attacco di un altro ribosoma, che forma un nuovo complesso di inizio. Può così formarsi un gruppo di ribosomi, detto poliribosoma o polisoma.
Ciò serve quando la cellula deve produrre grandi quantità di proteine.
