Basi cellulari e molecolari della vita Prof. Dr. Stefano Martellucci

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1 Basi cellulari e molecolari della vita Prof. Dr. Stefano Martellucci

2 Trascrizione e Traduzione dal gene alla proteina

3 Trascrizione e Traduzione dal gene alla proteina La trascrizione e la traduzione avvengono durante tutto il ciclo cellulare

4 Trascrizione e Traduzione dal gene alla proteina La struttura, la funzione, lo sviluppo e la riproduzione di un organismo dipendono dalle caratteristiche delle proteine presenti in ciascuna cellula e tessuto. Proteine: polimeri formati dagli aminoacidi (monomeri). La sequenza con cui questi aminoacidi son assemblati è codificata dai geni.

5 Beadle e Tatum chiarirono il ruolo dei geni nel determinare un fenotipo attraverso uno studio sulla muffa arancione del pane. Neurospora crassa

6 Il punto di partenza Il ceppo wild type (prototrofo) di Neurospora può crescere in un terreno minimo contenente sostanze minerali, saccarosio e vitamina A poiché è in grado di sintetizzare ciò di cui ha bisogno in modo autonomo; Ceppi mutanti auxotrofi richiedono sostanze addizionali, hanno mutazioni in geni che codificano per gli enzimi necessari per sintetizzare i nutrienti a loro necessari; Vengono così isolati mutanti nutrizionali sulla base dell ipotesi che le cellule di Neurospora, come tutte le cellule, funzionassero per interazione dei prodotti di un gran numero di geni; Viene studiata la catena biosintetica che porta alla formazione dei vari aminoacidi: tutti gli enzimi che concorrono alla biosintesi vengono mutati, uno alla volta.

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8 Il punti di arrivo ogni gene controlla in qualche modo un enzima: un gene-un enzima; dato che gli enzimi possono consistere di più di una catena polipeptidica e che i geni codificano per una singola catena polipeptidica: un gene - una catena polipeptidica; Oggi sappiamo che non tutti i geni codificano per proteine (vedi i tipi di RNA)

9 Trascrizione e Traduzione dal gene alla proteina Il dogma centrale l informazione scorre dal DNA all RNA alle proteine DNA RNA Proteine

10 Trascrizione e Traduzione dal gene alla proteina Quando la cellula ha bisogno di una certa proteina, l informazione genetica per la sequenza aminoacidica di quella proteina deve essere ottenuta dal DNA Trascrizione: sintesi di un filamento di RNA copiato da un filamento di DNA (Solo una delle due elica di DNA viene trascritta in RNA). Traduzione: conversione del mrna nella sequenza di aminoacidi di un polipeptide

11 Trascrizione

12 Le tre fasi della trascrizione Trascrizione Inizio Allungamento Terminazione Una sequenza a monte del punto di inizio della trascrizione, il promotore, interagisce con la RNA polimerasi. Il promotore assicura lo stesso punto di inizio per tutti gli RNA. La regione codificante, quella sequenza di DNA che viene trascritta in RNA, viene copiata. La trascrizione procede ad un tasso di nucleotidi al secondo. A valle della regione codificante si trova il terminatore, zona specifica per l interruzione della trascrizione.

13 Overview

14 Tipi di RNA coinvolti nel processo di trascrizione Non tutti i geni codificano proteine Non tutti i trascritti genici vengono tradotti Esistono quattro tipi di RNA ciascuno codificato da un gene specifico RNA messaggero (mrna). Codifica per la sequenza aminoacidica di un polipeptide. RNA transfer (trna). Porta gli aminoacidi ai ribosomi durante la traduzione. RNA ribosomale (rrna). Insieme alle proteine ribosomali forma i ribosomi, strutture sulle quali mrna viene tradotto in proteine. RNA nucleare (snrna). Insieme ad alcune proteine forma complessi coinvolti nella maturazione dell RNA eucariote.

15 Tipi di enzimi coinvolti nel processo di trascrizione La trascrizione si realizza mediante un processo biochimico regolato da un enzima fondamentale per tutto il processo stesso: RNA polimerasi. Questa polimera catalizza la formazione dei legami fosfodiestere tra i nucleotidi dell RNA complementare allo stampo A differenza della DNA polimerasi la RNA polimerasi NON necessita di un primer per cominciare la polimerizzazione di un nuovo filamento legandosi in corrispondenza di un promotore; NON possiede la funzione proof reading; NON è accurata come la DNA polimerasi; si stacca in corrispondenza di una sequenza termine.

16 Inizio della trascrizione Svolgimento della doppia elica di DNA Procarioti: è la RNA polimeri stessa a svolgere la doppia elica di DNA Eucarioti: proteine specifiche si legano al DNA nel punto di inizio della trascrizione. Polimerizzazione del nuovo filamento di RNA Durante la trascrizione il neofilamento di RNA viene sintetizzato in direzione 5 -> 3. L elica di DNA letta per sintetizzare il filamento di RNA è detta elica stampo mentre l elica di DNA complementare all elica stampo avente la stessa polarità dell elica di RNA è detta elica senso. I precursori del RNA sono i ribonucleosidi trifosfato (NTP).

17 La reazione di polimerizzazione durante la trascrizione è simile a quella della duplicazione del DNA con la differenza che quando sul filamento stampo la RNA polimeri incontra una Adenina (A) sul filamento di RNA neosintetizzato viene inserito l Uracile (U). La sequenza nucleotidica della nuova catena di RNA viene determinata per appaiamento complementare sullo stampo di DNA. Essendo a singolo filamento L RNA si può ripiegare in vari modi in una conformazione tridimensionale complessa: esistono vari tipi di RNA che svolgono ruoli strutturali e catalitici

18 A cosa porta la trascrizione Il prodotto della trascrizione è l RNA messaggero precursore (pre-mrna), cioè un trascritto che per poter produrre una molecola di mrna matura e funzionale, deve essere modificato e/o processato.

19 L RNA degli eucarioti subisce un processo di maturazione prima di passare nel citoplasma. Nel caso dell mrna viene aggiunto un cappuccio al 5 (aggiunta di una guanina, 7- metilguanosina, al nucleotide terminale in 5 ) ed una coda di polia al 3 ( Adenine al nucleotide terminale in 3 ).

20 Introni ed Esoni I geni eucariotici sono costituiti da esoni, sequenze codificanti, ed introni, sequenze interposte non codificanti di lunghezza variabile da 80 a 10000bp. Inizialmente sono trascritti sia gli introni che gli esoni (pre-mrna). Quindi, per ottenere mrna maturi gli introni sono rimossi attraverso un processo chiamato splicing che richiede lo spliceosoma, un grosso aggregato di RNA e proteine.

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22 Traduzione

23 La traduzione, o sintesi proteica, avviene sui ribosomi dove il messaggio genetico, codificato sotto forma di mrna, viene tradotto. Gli aminoacidi arrivano al ribosoma legati ad una molecola di trna La molecola di RNA viene tradotta in direzione 5 -> 3, la stessa in cui viene trascritta Il polipeptide è sintetizzato a partire dall estremità N all estremità C

24 Il codice genetico Il codice genetico specifica quali aminoacidi devono essere utilizzati per costruire una data proteina: le possibili combinazioni di quattro lettere in parole di tre elementi danno un totale di 4 3 triplette o codoni. Il codice è a triplette: ogni codone del mrna consta di tre nucleotidi; Il codice non ha segni di interpunzione: viene letto in modo continuo; AUG è il primo codone e codifica la metionina mentre i codini di STOP sono tre; Il codice è ridondante (degenerato): più codoni codificano per uno stesso aa; Il codice non è ambiguo Il codice è universale

25 mrna I codoni di una molecola di mrna NON riconoscono direttamente gli aminoacidi cui corrispondono: la traduzione dell mrna in proteina dipende invece da molecole adattatrici (trna) che riconoscono e legano sia l aa che il codone in siti diversi. Il codone del mrna riconosce l anticodone del trna. Non esistono 61 trna uno per ogni anticodone ma molti di meno.

26 trna L aminoacido corretto viene legato al trna da un enzima, l aminoacil-trna sintetasi, mediante un processo che richiede idrolisi di ATP in AMP. Dall interazione sopra descritta otteniamo un aminoacil.trna o trna carico.

27 Ribosoma I ribosomi sono costituiti di due subunità ognuna contenente rrna e proteine. Circa 2/3 della massa del ribosoma è dato da rrna Ogni ribosoma contiene tre siti di legame per i trna, noti come A, P ed E

28 Traduzione le tre fasi Inizio Elementi coinvolti una molecola di mrna; un ribosoma; un trna iniziatore specifico; fattori di inizio proteici; ioni Mg++ Allungamento Consta di 3 passaggi 1. il trna carico si lega al ribosoma; 2. si forma il legame peptidico; 3. traslocazione: il ribosoma si muove lungo l mrna un cordone alla volta Termine Il ribosoma, grazie all aiuto di proteine dette fattori di terminazione o di distacco, riconosce uno dei tre codoni di STOP del mrna il quale non ha un a m i n o a c i d o corrsispondente e quindi nessun anticodone sul trna. Termine della traduzione.

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30 Allungamento Durante la traduzione un trna caricato con l aa successivo si lega al sito aminoacilico (A) abbinando le basi del suo anticodone. Il COOH terminale della catena polipeptidica si stacca dal t-rna nel sito peptidilico (P) e si unisce con un legame peptidico al gruppo amminico del nuovo aa: tale reazione è catalizzata dalla Peptidil trasferasi. Segue uno slittamento della subunità maggiore che porta i due trna nei siti E e P. Quindi la subunità minore scorre di tre nucleotidi sull mrna

31 Lo smistamento delle proteine Il reticolo endoplasmatico Le proteine sintetizzate sul reticolo endoplasmatico rugoso (RER) vengono estruse nello spazio tra le due membrane dell ER: le cisterne. Nelle cisterne vengono modificate mediante l aggiunta di oligosaccaridi, diventando glicoproteine, ed in seguito trasferite nell apparato del Golgi.

32 Lo smistamento delle proteine L apparato del Golgi E il centro principale di smistamento delle proteine

33 Lo smistamento delle proteine Alcune proteine vengono secrete immagazzinate in vescicole secretorie che migrano verso la superficie della cellula dove si fondono con la membrana plasmatica e rilasciano le proteine all esterno della cellula; Altre vengono smistate, sotto il controllo genetico, nei vari comparti che raggiungono trasportate all interno di vescicole di trasporto.

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35 La genetica è lo studio delle differenze ereditarie. L analisi genetica si basa sull esistenza di forme varianti, cioè individui che mostrano differenze fenotipiche in uno o più caratteri Come nascono le varianti genetiche? I principali processi responsabili della variabilità genetica sono: la mutazione e la ricombinazione

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