La traduzione: dall mrna alle proteine

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1 La traduzione: dall mrna alle proteine Le infezioni batteriche sono una grave causa di malattie e morte in Europa e negli USA. Le infezioni batteriche si curano con antibiotici che colpiscono l espressione genica. Staphylococcus aureus è un batterio che può causare gravi infezioni e inoltre può formare coperture mucillaginose (biofilm) su superfici che rimangono costantemente umide. I biofilm sono molto resistenti e difficili da eliminare. Uno dei problemi più grandi nell utilizzo dei cateteri è proprio la possibilità di formazione di biofilm da cui poi si distaccano batteri che creano stati infiammatori importanti nei pazienti. Le infezioni da S. aureus si curano con meticillina che si lega a proteine batteriche necessarie per costruire nuove pareti cellulari. Il batterio ha però sviluppato resistenza alla meticillina (MRSA Methycillin-resistant Staphylococcus aureus) molto comune in ospedali e case di riposo dove causa decine di migliaia di morti/anno È stato sviluppato l antibiotico tetraciclina che ha effetto sull espressione genica del batterio, e non su quella umana, perché lega una proteina specifica del ribosoma batterico, impedendo l attacco del trna e quindi la sintesi proteica. purtroppo negli ultimi anni MRSA ha sviluppato forme di resistenza anche alla tetraciclina!

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4 Genotipo/fenotipo Il genotipo si esprime nel fenotipo e le proteine sono intermedi tra geni e fenotipo. Ipotesi un gene - un enzima : la funzione di un gene sarebbe quella di controllare la produzione di un singolo specifico enzima. Non tutte le proteine però sono enzimi quindi meglio un gene- una proteina. Molte proteine sono costituite da più di una catena polipeptidica e ogni catena è codificata dal proprio specifico gene. L ipotesi più corretta è quindi un gene - una catena polipeptidica. ma ricordiamoci che molti geni trascrivono RNA che non diventano polipeptidi, ma hanno funzioni di regolazione

5 Rapporto DNA/proteine Poiché le proteine sono i prodotti dei geni e i geni sono fatti di DNA, l informazione codificata dal DNA deve controllare il tipo e la quantità di proteine presenti nella cellula. Come fanno i geni, costituiti da DNA, a controllare la produzione di proteine? Le proteine sono molecole lineari formate dalle possibili combinazioni dei 20 aminoacidi. Se il DNA è formato dalla combinazione di 4 nucleotidi (A T G C) e ci sono 20 aminoacidi che formano le proteine, come viene tradotta l informazione genetica a partire da 4 nucleotidi?

6 Un codice a triplette soddisfa le esigenze di traduzione del codice genetico in aminoacidi - Se 1 nucleotide codifica per un singolo aminoacido, si potrebbero avere solo 4 aminoacidi - Se fosse invece una sequenza di 2 nucleotidi a codificare per 1 aminoacido si avrebbero 16 diversi aminoacidi - Una sequenza di 3 nucleotidi permette 64 combinazioni (44 combinazioni in più rispetto alle 20 necessarie per la sintesi degli aminoacidi esistenti) Codice a triplette

7 Il codice genetico - Una sequenza di 3 nucleotidi (codone) codifica per 1 aminoacido - Più codoni possono codificare per lo stesso aminoacido il codice genetico è degenerato - Alcuni codoni non codificano per nessun aminoacido 3 sono codoni di STOP (UAA, UAG, UGA) 1 è codone di inizio (AUG = metionina)

8 Il codice genetico è universale ma con delle eccezioni In tutti gli organismi gli stessi codoni codificano per gli stessi aminoacidi (Supporta la teoria dell evoluzione della vita sulla Terra da un progenitore comune) Esistono tuttavia delle eccezioni: -alcune specie presentano alcuni codoni che specificano per aminoacidi diversi - Il codice genetico mitocondriale è parzialmente diverso da quello nucleare

9 Il codice genetico è degenerato ma non è ambiguo Ad eccezione dei codoni di inizio (1= AUG) e di stop (3= UAA, UAG, UGA), rimangono 60 codoni disponibili, molti di più di quelli necessari per codificare i 19 aminoacidi rimanenti. A quasi tutti gli aa, corrispondono infatti più codoni

10 Il codice genetico è lineare e non sovrapposto NO! SI!

11 Il codice genetico è «senza virgole» Se si toglie un nucleotide, la sequenza cambia da quel punto in avanti Se si sostituisce un nucleotide, il messaggio, e quindi l aminoacido, può cambiare

12 La sintesi proteica Gli mrna procariotici sono tradotti appena si staccano dal filamento stampo del DNA e la loro vita è in genere di pochi minuti Negli eucarioti l mrna viene modificato (maturazione), esce dal nucleo e viene tradotto nel citoplasma; la vita media dell mrna è da molti minuti a ore In entrambi i casi la traduzione è molto rapida (la sintesi di un polipeptide di centinaia di aminoacidi avviene in pochi minuti).

13 Cosa serve per fare la sintesi proteica - Un mrna (maturo) - Gli aminoacidi - I trna (adattatori che traducono i codoni dell mrna nella sequenza polipeptidica) - I ribosomi - Energia (sotto forma di ATP) - Fattori proteici per l inizio, l allungamento e il rilascio della catena polipeptidica

14 mrna

15 Struttura di un aminoacido Gli aminoacidi La struttura delle proteine I 20 aminoacidi

16 Gli RNA transfer (trna) DNA contiene geni che, trascritti, danno origine a RNA transfer trna sono specifici per ciascun aminoacido Struttura di nucleotidi caratteristica per: - 1 anticodone (sequenza di basi complementare al codone sull mrna) - essere riconosciuta da specifici aminoacil-trna sintetasi - 1 regione di attacco per l aminoacido specificato dal codone complementare all anticodone - Essere riconosciuta dai ribosomi La peculiare forma dei trna è fondamentale per un preciso posizionamento degli aa durante la traduzione

17 Uno specifico aminoacido si lega a un trna grazie all enzima aminoacil-trna sintetasi e consumo di ATP Gruppo amminico libero per la formazione di legami peptidici Codone per Fenilalanina è UUC

18 Il caricamento della molecola di trna avviene per opera dell aminoacil-trna sintetasi che attiva uno specifico aminoacido e lo lega a uno specifico trna, utilizzando ATP

19 I ribosomi Composti da proteine e RNA ribosomale (rrna) A differenza di mrna e trna, l rrna non trasferisce informazioni, ma ha funzioni catalitiche Costituiti da subunità minore e subunità maggiore. Nel solco tra le due subunità «passa» l mrna Hanno 3 siti di legame per i trna (A, P, E)

20 Sito P (o peptidilico), occupato dal trna con attaccata catena polipeptidica in crescita Sito E (o exit, di uscita), dove i trna che hanno ceduto gli aminoacidi escono dal ribosoma Sito A (o aminoacilico), dove si lega l aminoacil-trna che porta l aminoacido successivo da inserire sulla catena

21 La traduzione è il processo mediante il quale l informazione dell mrna (derivata dal DNA) è usata per specificare una sequenza di aminoacidi (polipeptide) Come la trascrizione, avviene in tre fasi - Inizio - Allungamento - Terminazione

22 L inizio della traduzione Formazione di un complesso di inizio: trna carico, subunità minore del ribosoma, mrna - Negli eucarioti subunità minore si lega al 5 -cap dell mrna e scorre fino al codone d inizio (AUG) -trna con anticodone complementare (UAC) e carico di metionina lega il codone e completa il complesso di inizio -Subunità maggiore si lega e il trnamet si trova così nel sito P. Sito A, allineato con il secondo codone Componenti assemblati da proteine specifiche fattori di inizio

23 L allungamento Un nuovo trna con anticodone complementare al secondo codone si lega a sito A Attività peptidil-transferasica della subunità maggiore rompe legame trna-aa sul sito P e catalizza formazione legame peptidico tra questo aa e quello legato a sito A (metionina diventa estremita N-term della nuova proteina) Quando ribosoma si muove di un codone lungo mrna in direz trna che ha rilasciato met si sposta verso sito E, dove viene rilasciato nel citoplasma -Il trna che ora porta un dipeptide slitta nel sito P Il processo si ripete e la catena polipeptidica si allunga Fattori proteici di allungamento assistono queste fasi

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25 La terminazione La trascrizione termina quando un codone di stop (UAA, UAG, UGA) entra nel sito A Questi codoni non corrispondono a nessun aa non sono riconosciuti da alcun trna Riconosciuti da un fattore di rilascio proteico che idrolizza legame tra trna nel sito P e ultimo aa del polipeptide Il complesso trna, mrna, subunità ribosomali si separa e prodotti tornano disponibili per un nuovo ciclo di traduzione Riassunto segnali di inizio e terminazione per la trascrizione e la traduzione

26 La velocità della sintesi proteica può essere aumentata con la formazione di polisomi Le cellule che sintetizzano grandi quantità di proteine contengono moltissimi polisomi e pochi ribosomi liberi

27 Il destino delle proteine e le modifiche post-traduzionali Quando un polipeptide emerge dal ribosoma (nel citosol) può acquisire la sua forma definitiva e svolgere subito il suo ruolo Oppure polipeptide può contenere una sequenza segnale che lo dirige verso i diversi comparti cellulari Sequenza segnale lega uno specifico recettore proteico su superficie dell organulo, creando un poro che consente l ingresso della proteina

28 La maggior parte delle proteine mature non sono uguali al polipeptide tradotto modificazioni post-traduzionali Proteolisi, catalizzata da proteasi. Es. rimozione della sequenza segnale del polipeptide nel RE (la proteina potrebbe fuoriuscire dal RE); proteina virale HIV appena tradotta è troppo grande per poter assumere conformazione attiva, viene quindi tagliata alcuni farmaci anti-hiv agiscono inibendo questa proteasi Glicosilazione aggiunta di carboidrati a formare le glicoproteine. Importanti per direzionare proteine ai lisosomi o altri organuli e per il riconoscimento a livello di membrana cellulare Fosforilazione aggiunta di gruppi fosfato a opera di protein-chinasi. Cambiamento di conformazione della proteina che espone il sito attivo di un enzima o il sito di legame per un altra proteina