V. TRASCRIZIONE E TRADUZIONE DEL DNA

Transcript

1 V. TRASCRIZIONE E TRADUZIONE DEL DNA 0) CONCETTI BASE La trasformazione delle informazioni genetiche in proteine richiede due passaggi: la trascrizione del DNA in mrna e la traduzione dell mrna in una catena polipeptidica. Il codice genetico è a triplette, cioè ogni aminoacido è codificato da una sequenza di tre basi azotate. 1) LA STRUTTURA DELLE PROTEINE Come sappiamo, se si legano assieme una dopo l altra più molecole di aminoacidi, si ottiene una catena polipeptidica (o polipeptide), che si ripiega su se stessa assumendo una particolare conformazione tridimensionale: il risultato è una proteina. Le proteine, in genere formate da centinaia di subunità amminoacidiche, hanno una particolare forma tridimensionale; questa dà a ognuna di esse la propria funzione specifica, che, espressa in termini generali, consiste nella capacità di legarsi a altre molecole. Un gran numero di proteine con solo 20 aminoacidi Le decine di migliaia di proteine diverse presenti negli organismi sono ottenute tutte combinando assieme solo 20 aminoacidi. Che una così grande varietà di proteine derivi da un numero relativamente ridotto di subunità non stupisce: basti pensare che la lingua italiana ha migliaia di parole e poco più di una ventina di lettere dell alfabeto; è infatti l ordine in cui queste si susseguono a determinare se si ottiene per esempio colorito o otricolo. Analogamente, una proteina differisce dall altra per la sequenza di aminoacidi. La Figura 6.1a riporta la formula di struttura di due aminoacidi, la glicina (gly) e l isoleucina (ile); dalla Figura 6.1b si vede che essi occupano le prime due posizioni in una delle due catene polipeptidiche di cui è composta l insulina. Questa proteina, che

2 rende possibile il passaggio del glucosio dal sangue nelle cellule del nostro organismo, è rappresentata schematicamente in Figura 6.1c. Ma come viene costruita in una cellula la catena di aminoacidi di una proteina? In altre parole, in che modo gli aminoacidi gly, ile, val, ecc. vengono legati assieme in un ben determinato ordine a formare una data proteina? Per ora sappiamo che i geni codificano per le proteine e che un gene è un tratto di DNA caratterizzato da una particolare sequenza delle basi azotate A, T, C e G. In che modo questa sequenza determina quella degli aminoacidi di una proteina?

3 2) IL PROCESSO DI SINTESI DELLE PROTEINE A grandi linee, il processo di sintesi delle proteine può essere descritto in modo abbastanza semplice. Per prima cosa, un tratto di DNA contenuto nel nucleo della cellula si srotola e in corrispondenza di esso i due filamenti della doppia elica si separano; a questo punto, il messaggio che esso contiene (costituito dalla sequenza di basi azotate presente su uno dei due filamenti) viene copiato su una molecola di RNA messaggero (mrna). Questa molecola (paragonabile a un pezzo di nastro magnetico su cui sono copiate le informazioni contenute in un tratto di nastro master di DNA) fuoriesce poi dal nucleo della cellula (Figura 6.2). La destinazione del nastro di mrna è un ribosoma, un corpicciolo presente nel citoplasma che può essere considerato come un banco di lavoro molecolare: è infatti in esso che le istruzioni (il nastro di mrna) e le materie prime (gli aminoacidi) si incontrano e danno come risultato la formazione del prodotto (una proteina). A mano a mano che il nastro di mrna viene letto nel ribosoma, gli aminoacidi vengono legati l uno dopo l altro nell ordine indicato dall mrna a formare una catena polipeptidica, che si va via via allungando. Quando la costruzione di questa è terminata, essa si stacca dal ribosoma e si ripiega su se stessa formando una proteina. Ma come arrivano gli aminoacidi al ribosoma? Vi sono trasportati da un secondo tipo di RNA, l RNA di trasporto (trna).

4 La prima parte di questo processo (quella in cui le istruzioni del DNA vengono copiate nell mrna) è detta trascrizione; la seconda parte (quella in cui, in base alle istruzioni contenute nell mrna, viene fabbricata la catena polipeptidica) è detta traduzione. Trascrizione e traduzione sono i due stadi fondamentali del processo di sintesi delle proteine. Un gene determina la sequenza di amminoacidi di un particolare polipeptide, responsabile di un carattere ereditario Un organismo è la manifestazione di una particolare combinazione di proteine, ognuna formata da una o più catene polipeptidiche. Un gene codifica l informazione per una singola catena polipeptidica, nel senso che la sua particolare sequenza lineare di nucleotidi determina la particolare sequenza di amminoacidi del polipeptide. Nella conversione dell informazione da polinucleotide a polipeptide interviene una molecola intermediaria, l RNA (da ribonucleic acid, acido ribonucleico). Nelle cellule, l informazione genetica passa dal DNA all RNA e da questo alle proteine. La Figura 9.6 illustra il flusso dell informazione codificata. Per prima cosa la cellula trascrive (copia) le istruzioni codificate di un gene in una molecola di RNA, che passa poi nel citoplasma, nella sede di formazione del polipeptide (i ribosomi). Qui le istruzioni contenute nella molecola di RNA dirigono l attività di sintesi, determinando quale polipeptide (quale sequenza di amminoacidi) si forma. Nei ribosomi varie proteine e particolari molecole di RNA traducono infatti le istruzioni dell RNA nell esatto prodotto genico del quale è stata ordinata la costruzione. Per comprendere questo flusso d informazione è necessario conoscere la struttura dell RNA, che differisce da quella del DNA principalmente per tre caratteristiche: I nucleotidi dell RNA contengono il ribosio (Figura 6.3), uno zucchero che ha un atomo di ossigeno in più rispetto allo zucchero del DNA (il desossiribosio). Si

5 tratta di una differenza importante, perché permette agli enzimi di distinguere i due tipi di sostanze. Come il DNA, anche l RNA contiene quattro basi azotate, ma una di queste, l uracile, è tipica dell RNA. L uracile sostituisce la timina, essendo complementare all adenina. Le molecole di RNA sono formate da un solo filamento, per cui le basi azotate possono essere esposte e formare legami a idrogeno con altre molecole. La trascrizione dei messaggi genetici nelle molecole di mrna permette che l informazione sia trasferita ai ribosomi L informazione contenuta nel DNA raggiunge i ribosomi tramite un tipo di RNA opportunamente chiamato, vista la funzione, RNA messaggero (mrna). Le molecole di RNA si formano nella trascrizione, un processo che per certi versi assomiglia alla sintesi di un nuovo filamento di DNA. Durante la trascrizione (Figura 9.7) i due filamenti del DNA si separano temporaneamente e, su uno dei due filamenti di DNA che funge da stampo, si forma un filamento complementare di mrna.

6 Una molecola di mrna è molto più piccola di una di DNA, dato che contiene in genere meno di un migliaio di nucleotidi. La RNA polimerasi, l enzima che catalizza il processo, incorpora nella catena in via di formazione soltanto ribunonucleotidi. Inoltre l enzima è in grado di distinguere i due filamenti del DNA, scegliendo il complementare a quello che codifica le corrette sequenze amminoacidiche (filamento anticodificante). La trascrizione del filamento codificante produrrebbe infatti RNA contenenti messaggi privi di senso. L informazione genetica registrata in un gene viene così trascritta in una molecola di mrna che, avendo una sequenza di nucleotidi complementari a quella del DNA, ne trasporta il messaggio. Terminata la sua sintesi, questo messaggero mobile abbandona lo stampo e porta l informazione codificata ai ribosomi, dove controlla la sintesi di uno specifico polipeptide. Come vedremo tra breve, questo processo richiede anche l intervento di altri due tipi di RNA, l RNA di trasporto e l RNA ribosomiale. Vi è una corrispondenza tra le triplette di nucleotidi (codoni) dei messaggi genetici e gli amminoacidi delle proteine Nella sintesi delle proteine, la successione lineare di nucleotidi di una molecola di mrna viene letta a gruppi di brevi sequenze di nucleotidi, chiamate codoni, ognuna delle quali rappresenta una parola molecolare.

7 Ogni codone è lungo tre nucleotidi (tripletta) e specifica l inserimento in un determinato punto della catena polipeptidica in via di formazione di uno (e solo quello) dei venti amminoacidi. Il codone CAC, per esempio, determina sempre l introduzione dell amminoacido istidina, il codone CUA specifica l amminoacido leucina e così di seguito. Il messaggio genetico viene letto codone dopo codone fino al completamento della proteina. Con un alfabeto genetico di quattro lettere (A, G, C e U) sono possibili 64 combinazioni in triplette (4 x 4 x 4), ampiamente sufficienti per assegnare a ognuno dei 20 amminoacidi almeno un corrispondente codone. L ipotesi che il codice del DNA fosse un codice di triplette, cioè che ogni amminoacido fosse specificato da una sequenza di tre basi azotate del DNA fu avanzata per la prima volta dal biochimico sudafricano Sydney Brenner. L elaborazione dell RNA messaggero Negli organismi eucarioti il trascritto primario, cioè il nastro di mrna che si forma dalla trascrizione, non è funzionale; prima di passare nel citoplasma, esso deve subire una serie di modificazioni. Dopo l aggiunta di un cappuccio iniziale (che permetterà l aggancio al ribosoma) e di una coda di ribunonucleotidi tutti con la base azotata A, il trascritto primario viene sottoposto a un processo che può essere paragonato al montaggio che un regista fa del suo film. In genere, il regista, prima unisce, nell ordine da lui previsto, i tratti di pellicola girati nelle varie scene; successivamente, passa a un lavoro di taglia e cuci, cioè, visionando il materiale, decide quali scene includere e quali tagliare; in quest ultimo caso, unisce il tratto di pellicola che precede e quello che segue la scena eliminata. Introni ed esoni Qualcosa del genere avviene anche con l mrna degli eucarioti. Come mostra la Figura 6.10, speciali enzimi tagliano via dal trascritto primario certi tratti, i cosiddetti introni, e saldano assieme le porzioni restanti: il risultato è un mrna maturo che non contiene più introni, ma solo esoni, come vengono chiamati i tratti del trascritto primario che codificano per amminoacidi.

8 Da questo si conclude che gli introni sono tratti non codificanti, non contengono cioè istruzioni relative all assemblaggio di amminoacidi in proteine. Perché allora il DNA li contiene? Come si può scoprire leggendo DNA apparentemente insignificante si stanno costantemente trovando nuovi elementi che sembrano indicare che anche queste sequenze inutili hanno una loro funzione. La sintesi dei polipeptidi comporta la decodificazione dei codoni degli mrna ad opera degli RNA di trasporto La formazione di un polipeptide secondo l informazione contenuta nell mrna si chiama traduzione e, tra i processi biosintetici che avvengono nelle cellule, è il più complesso. Il processo di traduzione (sintesi delle proteine) richiede la presenza di mrna, amminoacidi, numerosi enzimi, ribosomi e di una fonte di energia chimica rappresenta-ta da molecole di ATP (o GTP). Inoltre vi partecipa un secondo tipo di RNA, che decodifica i codoni dell mrna e li traduce nel linguaggio delle proteine (gli amminoacidi). Questo decodificatore molecolare si chiama RNA di trasporto (trna). Gli RNA di trasporto funzionano come qualunque apparecchio decodificatore: riconoscono una serie di simboli e li converto in una serie corrispondente. La funzione decodificatrice dei trna dipende strettamente dalla loro forma tridimensionale (Figura 9.8). Ad un capo della molecola vi è una sequenza di tre nucleotidi specifica per ogni trna, l anticodone, che può unirsi per complementarietà dei nucleotidi con un codone dell mrna. Dalla parte opposta all anticodone, il trna presenta un sito al quale si lega

9 uno specifico amminoacido. (Un trna legato covalentemente al corrispondente amminoacido si chiama trna carico ). In tutti i trna i due capi opposti della molecola si trovano esattamente alla stessa distanza. Un trna inserisce il suo amminoacido nella giusta posizione del polipeptide, ogni volta che nell mrna compare il codone corrispondente. Per fare un esempio, il codone UCU dell mrna si lega solo con l anticodone AGA del trna che trasporta l amminoacido serina; ne consegue che, quando nella traduzione di un mrna si raggiunge un codone UCU, in quel punto del polipeptide in via di formazione viene sempre introdotta la serina. Il trna rappresenta quindi il collegamento tra il linguaggio dei codoni dell mrna e il linguaggio degli amminoacidi. Il codice genetico I ricercatori impiegarono la prima metà degli anni Sessanta per decifrare tutto il codice genetico e, quando il lavoro fu completato, a ogni parola molecolare (codone) era associato il corrispondente amminoacido (Figura 9.9). Tra gli aspetti più interessanti, emerse che il codice genetico è universale, cioè un determinato codone corrisponde allo stesso amminoacido, indipendentemente dal tipo

10 di organismo, sia esso un batterio, un lievito, un fungo, un abete o un essere umano. In tutti questi organismi, per esempio, il codone CAU determina sempre l inserimento dell amminoacido tirosina. Si ritiene che tutti gli organismi abbiano ereditato il codice universale da un antenato comune, vissuto molto prima che il primo organismo eucariote facesse la comparsa nello scenario della vita. Il carattere universale del codice genetico comporta anche che i geni umani possano funzionare in organismi come i batteri, e viceversa; ciò ha per noi sia conseguenze negative sia positive. Per esempio, proprio perché i loro geni funzionano anche nelle cellule umane, i virus che possono causare malattie che vanno dal comune raffreddore all AIDS sono in grado di impadronirsi del macchinario delle cellule umane e utilizzarlo ai propri fini

11 (Figura 6.9); tale macchinario costruisce infatti proteine sia con le istruzioni del DNA umano sia con quelle del DNA virale. Per quanto riguarda il versante positivo, oggi, mediante le tecniche della biotecnologia, siamo in grado di utilizzare virus e batteri per sintetizzare le più svariate molecole biologiche come l insulina e l ormone della crescita umani; in questo caso, sono determinati geni umani che vengono fatti agire in laboratorio all interno di opportuni microrganismi. Dei 64 codoni, quattro richiedono particolare attenzione. Tre di essi (UGA, UAG e UAA) non corrispondono ad alcun amminoacido e fungono da segnali di arresto, alla conclusione della sintesi di un polipeptide (codoni di arresto o, anche, codoni non senso). Un altro codone, AUG, che corrisponde all amminoacido metionina, è il codone d inizio. AUG è sempre presente all inizio della porzione codificante degli mrna e dà avvio alla sintesi proteica. Si può notare anche che il codice genetico è ridondante, cioè un amminoacido può essere specificato da più di una tripletta. In effetti, quasi tutti gli amminoacidi sono codificati da più codoni dell mrna, che spesso differiscono tra loro per la terza base azotata. Viceversa, ogni codone codifica per un solo amminoacido. Ci si può fare un idea di come gli scienziati siano riusciti a decifrare il codice genetico leggendo l approfondimento Come è stato decifrato il codice genetico?. La traduzione è un processo in tre fasi che avviene sui ribosomi, veri e propri banchi di lavoro molecolari La traduzione avviene nei ribosomi, organelli formati da alcune decine di proteine differenti e da un certo numero di molecole di RNA. Il tipo di RNA contenuto nei

12 ribosomi si chiama RNA ribosomiale (rrna) ed è il terzo tipo di RNA prodotto dalle cellule. Mentre gli mrna trasportano un informazione codificata e i trna servono a decodificarla, gli rrna sono principalmente molecole strutturali, che formano un impalcatura alla quale si possono legare le varie proteine ribosomiali. Queste ultime svolgono diverse funzioni: alcune servono a tenere assieme la particella ribosomiale, mentre altre si legano agli mrna o ai trna e partecipano attivamente come enzimi alla sintesi dei polipeptidi. I ribosomi sono componenti non specifici dell apparato di traduzione, delle specie di banchi di lavoro, sui quali può essere tradotto qualsiasi mrna. Un ribosoma attivo è formato da due subunità, una più grande, l altra più piccola (Figura 9.10). Le due subunità di un ribosoma si uniscono all inizio della sintesi del polipeptide, per poi separarsi quando la sintesi si conclude. Un ribosoma attivo (formato dalle due subunità) ha un solco attraverso il quale può scorrere la molecola di mrna. Inoltre un ribosoma possiede due siti in cui possono essere accolti due trna, in modo che i loro amminoacidi si vengano a trovare vicini sulla subunità maggiore. Questa contiene un enzima che forma legami covalenti tra gli amminoacidi adiacenti. Mentre il ribosoma scorre lungo l RNA messaggero, nuovi amminoacidi vengono aggiunti al polipeptide in corso di formazione, nell ordine determinato dall mrna. L energia necessaria per formare i legami tra gli aminoacidi proviene da molecole del tipo dell ATP.

13 I momenti principali del processo sono mostrati nelle Figure 6.13 e 9.11, anche se, per maggiore chiarezza, sono stati omessi molti enzimi e alte molecole accessorie. Nella traduzione si riconoscono tre fasi: l inizio; l allungamento della catena polipeptidica; la conclusione del processo o terminazione.

14 Nella fase di inizio si forma il complesso tra mrna, subunità minore e trna e il messaggio viene posizionato correttamente Il processo di traduzione comincia quando l mrna si lega alla subunità minore di un ribosoma. Il legame avviene sempre in corrispondenza del codone d inizio AUG ed è seguito dall unione del primo trna (il cui anticodone è UAC, complementare al codone d inizio). Questo trna trasporta la metionina, che è quindi il primo amminoacido di un polipeptide in corso di formazione. Il legame del codone AUG al ribosoma determina una griglia di lettura, assicura cioè che la traduzione incominci dal nucleotide giusto. Se la lettura del messaggio iniziasse uno o due nucleotidi più in là, verrebbero lette le triplette sbagliate e, di conseguenza, gli amminoacidi incorporati nel polipeptide non sarebbero quelli richiesti.

15