FLUSSO DELL INFORMAZIONE E REGOLAZIONE DELL ESPRESSIONE GENICA

Transcript

1 FLUSSO DELL INFORMAZIONE E REGOLAZIONE DELL ESPRESSIONE GENICA

2 Replicazione del DNA Replicazione semiconservativa del DNA. I due filamenti di DNA parentale si separano e ciascuno serve da stampo per la sintesi di un nuovo filamento figlio mediante accoppiamento delle basi. Filamento vecchio di DNA Filamento nuovo di DNA

3 Replicazione del DNA Modelli di replicazione del DNA Semiconservativo (Watson e Crick) Conservativo Dispersivo

4 Replicazione del DNA Esperimento di M. Meselson e F. Stahl, 1958 In questo esperimento il DNA venne marcato con isotopi che ne alteravano la densità. Batteri cresciuti in un mezzo 14 N Batteri cresciuti in un mezzo 15 N E. coli DNA leggero 1. Modello sperimentale: E. coli 2. DNA di E. coli marcato con 15 N 3. Esperimento basato sulla tecnica dell ultracentrifugazione del DNA su gradiente di densità per discriminare il DNA parentale (vecchio) dal DNA neosintetizzato (nuovo). Densità crescente Estrazione del DNA e centrifugazione in una soluzione di CsCl Densità crescente Estrazione del DNA e centrifugazione in una soluzione di CsCl DNA pesante

5 Esperimento di M. Meselson e F. Stahl, 1958 Composizione del DNA Inizio Terreno contenente 15 N Coltura di E. coli DNA in gradiente di CsCl DNA pesante ( 15 N/ 15 N) Continuazione della crescita per una generazione in terreno 14 N Primo ciclo di replicazione DNA pesante, leggero (ibrido 15 N/ 14 N) Continuazione della crescita per una seconda generazione Secondo ciclo di replicazione Continuazione della crescita per una terza generazione Terzo ciclo di replicazione DNA pesante, leggero (ibrido 15 N/ 14 N) DNA leggero ( 14 N/ 14 N) 14 N/ 14 N 15 N/ 14 N

6 Caratteristiche generali Replicazione del DNA DNA Polimerasi procariotiche ed eucariotiche Enzimi Direzione Attività Funzioni possibili della sintesi esonucleasica Procariotici Polimerasi I riempimento dei gap lasciati dalla rimozione dell innesco; 3 5 riparazione del DNA Polimerasi II riempimento dei gap lasciati dalla rimozione dell innesco; riparazione del DNA Polimerasi III enzima principale della replicazione Eucariotici Polimerasi a enzima principale della replicazione (con la Polimerasi d); riparazione del DNA Polimerasi b 5 3 nessuna riparazione del DNA Polimerasi g enzima principale della repl. nei mitocondri e cloroplasti Polimerasi d enzima principale della replicazione (con la Polimerasi a) Polimerasi e (eps.) riparazione del DNA; può cooperare con le Polimerasi a e d nei meccanismi principali della replicazione

7 Caratteristiche generali Replicazione del DNA Tutte le DNA polimerasi note hanno due proprietà fondamentali in comune che hanno implicazioni fondamentali per la replicazione del DNA: 1. Tutte le polimerasi sintetizzano DNA soltanto in direzione 5-3, aggiungendo dntp al gruppo 3 ossidrile di una catena in crescita. 2. Le DNA polimerasi possono aggiungere un nuovo deossiribonucleotide soltanto ad un filamento primer preformato che forma legami idrogeno con lo stampo e non sono capaci di iniziare la sintesi di DNA catalizzando la polimerizzazione di dntp liberi.

8 Caratteristiche generali Replicazione del DNA oric-dnaa (proteina d inizio) Bolla di replicazione Sintesi bidirezionale

9 Replicazione del DNA Caratteristiche generali Topoisomerasi I II

10 Nei Procarioti Replicazione del DNA 1. Inizio della replicazione in oric riconosciuta dalla proteina DnaA. L interazione richiama l elicasi in un sito adiacente ricco di AT: apertura della doppia elica. 3 sequenze di 13 nucleotidi allineati in tandem Siti di legame per la proteina DnaA Sequenza consenso

11 La replicazione del DNA nei procarioti Molecole di DNA durante il processo di replicazione furono analizzate per la prima volta da John Cairns (1962) in esperimenti in cui E. coli veniva coltivato in presenza di timidina radioattiva, che permetteva la successiva visualizzazione del DNA appena replicato mediante autoradiografia. Queste molecole di DNA contenevano due forcelle di replicazione, che rappresentavano le regioni di sintesi attiva del DNA. A livello di ciascuna forcella i filamenti parentali del DNA si separavano e venivano sintetizzati due filamenti figli. Filamento figlio Forcella di replicazione Forcella di replicazione Filamento parentale termine

12 2. Sintesi del primer Replicazione del DNA La DNA primasi Quando il DNA si srotola, la DNA primasi sintetizza un breve innesco di RNA composto da circa 5-10 nucleotidi Estensione del Inizio della Sintesi primer di RNA da Stampo di sintesi di dell RNA parte della DNA DNA RNA primer polimerasi Primasi DNA polimerasi

13 primasi innesco di RNA proteine che legano il DNA elicasi topoisomerasi proteine che legano il DNA 3. DNA polimerasi III proteine che legano il DNA elicasi topoisomerasi polimerasi proteine che legano il DNA

14

15 Replicazione del DNA I corti inneschi di DNA sono utilizzati come punto di partenza per la replicazione da parte della DNA polimerasi. Filamento veloce III Filamento lento Frammenti di Okazaki

16 4. Rimozione dei primer Replicazione del DNA Dopo aver svolto la loro funzione gli inneschi vengono rimossi da parte di polimerasi che hanno attività esonuclesica 5-3 e i gap lasciati dalle rimozioni vengono riempiti dalla stessa polimerasi. DNA polimerasi I

17 Replicazione del DNA La rimozione dell innesco Interruzione fra i frammenti di Okazaki RNA primer 5. DNA ligasi Polimerasi I Rimozione dell RNA da parte dell esonucleasi 5-3 Riempimento dell interruzione con DNA DNA ligasi Unione dei frammenti di DNA

18 Replicazione del DNA

19 Replicazione del DNA Attività esonucleasica della DNA polimerasi III: la correzione di bozze

20 Negli eucarioti Replicazione del DNA

21 Negli eucarioti Replicazione del DNA

22 Negli eucarioti Replicazione del DNA

23 Negli eucarioti Replicazione del DNA nell uomo AGGGTT

24 Negli eucarioti Replicazione del DNA

25 Riparazione del DNA REAZIONI CHIMICHE SPONTANEE FREQUENTI L accuratezza della replicazione del DNA è critica per la riproduzione cellulare, e le stime del tasso di mutazione dei diversi geni indicano che la frequenza di errori durante la replicazione corrisponde solamente una base sbagliata ogni nucleotidi incorporati. Il grande margine di fedeltà raggiunto dipende largamente dall attività della DNA polimerasi (attività esonucleasica e proofreading = correttore di bozze). Appaiamento G-C normale La forma tautomerica rara di G si accoppia con T deossiribosio deossiribosio deossiribosio deossiribosio

26 Attività esonucleasica 3 5 della polimerasi Correzione da parte della DNA polimerasi Incorporazione di una forma tautomerica rara di G invece di A Il passaggio di nuovo alla forma normale di G rompe l appaiamento della base con T La polimerasi elimina la G male appaiata tramite l esonucleasi 3 5 La sintesi procede con l incorporazione della base corretta (A)

27 Riparazione del DNA (A) DEAMINAZIONE Citosina Citosina Uracile Uracile Danneggiamento spontaneo del DNA. Ci sono due forme principali di danneggiamento spontaneo del DNA: deaminazione di adenina, citosina e guanina (A) e depurinazione (perdita di basi puriniche) dovuta al taglio del legame fra basi puriniche e il deossiribosio, che lascia un sito apurinico (AP) nel DNA (B). Timina: non ha un NH 2 esposto Adenina Ipoxantina

28 Riparazione del DNA (B) DEPURINAZIONE Guanina Danneggiamento spontaneo del DNA. Ci sono due forme principali di danneggiamento spontaneo del DNA: deaminazione di adenina, citosina e guanina (A) e depurinazione (perdita di basi puriniche) dovuta al taglio del legame fra basi puriniche e il deossiribosio, che lascia un sito apurinico (AP) nel DNA (B). Catena di DNA Catena di DNA dgmp = deossiguanosina monofosfato Sito AP

29 Riparazione del DNA Replicazione del DNA

30 Riparazione del DNA Danneggiamento del DNA indotto dalle radiazioni UV Dimero di timine Timine adiacenti nel DNA Dimero di timine La formazione di tali dimeri distorce la struttura della catena del DNA e blocca la replicazione o la trascrizione attraverso il sito danneggiato, pertanto la loro riparazione è strettamente correlata con la capacità delle cellule di sopravvivere all irraggiamento U.V.

31 Riparazione del DNA Reversione diretta del danno al DNA Alchilazione: è l aggiunta di gruppi metilici o etilici (da parte di agenti alchilanti) a varie posizioni sulle basi del DNA che vengono quindi chimicamente modificate. Un tipo di lesione particolarmente grave è la metilazione in posizione O 6 della guanina, perché il prodotto, la O 6 -metilguanina, forma appaiamenti complementari di basi con la timina invece che con la citosina. Guanina O 6 -metilguanina

32 Riparazione del DNA Alchilazione: è l aggiunta di gruppi metilici o etilici (da parte di agenti alchilanti) a varie posizioni sulle basi del DNA che vengono quindi chimicamente modificate. Un tipo di lesione particolarmente grave è la metilazione in posizione O 6 della guanina, perché il prodotto, la O 6 - metilguanina, forma appaiamenti complementari di basi con la timina invece che con la citosina. Questa lesione può essere riparata da un enzima (O 6 - metilguanina metiltrasferasi) che trasferisce il gruppo metilico dalla O 6 -metilguanina ad un residuo di cisteina nel suo sito attivo. O 6 -metilguanina cisteina O 6 -metilguanina metiltrasferasi metilcisteina Guanina

33 Trascrizione e maturazione degli RNA Caratteristiche generali della trascrizione Il flusso dell informazione genetica è da DNA a RNA a proteine. Tutte le cellule, dai batteri all uomo, esprimono la loro informazione genetica in questo modo un principio così fondamentale da essere chiamato il dogma centrale della biologia molecolare. Replicazione Riparazione Ricombinazione genetica DNA TRASCRIZIONE DEL DNA (sintesi di RNA) RNA codoni SINTESI PROTEICA PROTEINA aminoacidi

34 Trascrizione e maturazione degli RNA Caratteristiche generali della trascrizione Il primo passaggio della lettura di una parte necessaria delle istruzioni genetiche di una cellula è quello di copiare una porzione particolare della sequenza nucleotidica del suo DNA un gene in una sequenza nucleotidica di RNA. L informazione del DNA, anche se copiata in un altra forma chimica, è ancora scritta essenzialmente nello stesso linguaggio del DNA il linguaggio di una sequenza nucleotidica. Da cui il nome trascrizione. In termini molecolari un GENE può essere definito come un segmento di DNA che viene espresso per ottenere un prodotto funzionale, corrispondente o ad una molecola di RNA (es. RNA ribosomiali o RNA transfer) o ad un polipeptide. Promotore Regione codificante Segnale di fine trascrizione

35 Nei procarioti Trascrizione e maturazione degli RNA RNA polimerasi: a a b b l enzima completo consiste di 5 subunità: 2 a, 1 b, 1 b e 1. La subunità è attaccata in modo relativamente debole e può essere dissociata dalle altre subunità che costituiscono il nucleo della polimerasi La sequenza di DNA a cui si lega la RNA polimerasi per iniziare la trascrizione di un gene si chiama promotore Sito di inizio della trascrizione

36 Nei procarioti Trascrizione e maturazione degli RNA

37 L RNAm dei procarioti è policistronico Nei procarioti più geni si trovano sotto il controllo di un unico promotore a formare i cosiddetti operoni. Questi geni, in genere, codificano proteine necessarie in una specifica via metabolica come la biosintesi di un amminoacido o il catabolismo del glucosio. Ne consegue che l RNAm trascritto da un operone procariotico è policistronico cioè codifica più proteine da un singolo trascritto. DNA P RNAm Regione codificante A Regione codificante B proteine

38 La trascrizione nei procarioti DNA RNA polimerasi polipeptide RNAm ribosoma trascrizione traduzione RNA polimerasi poliribosoma

39 Nei procarioti Trascrizione e maturazione degli RNA

40 Negli eucarioti Trascrizione e maturazione degli RNA Sebbene il meccanismo della trascrizione del DNA sia simile nei procarioti e negli eucarioti, il macchinario è considerevolmente più complesso negli eucarioti. Negli eucarioti ci sono tre tipi di RNA polimerasi: 1. RNA polimerasi I: sintetizza i grossi RNA ribosomali (28S, 18S, 5,8S). 2. RNA polimerasi II: trascrive i geni il cui RNA verrà tradotto in proteine, geni di snorna e alcuni geni di snrna. 3. RNA polimerasi III: sintetizza una varietà di RNA piccoli e stabili come l RNA ribosomale 5S, gli RNA transfer e alcuni geni di snrna. Una distinzione importante tra la RNA polimerasi batterica e la RNA polimerasi II degli eucarioti è che (1) l enzima eucariotico per iniziare la trascrizione necessita di proteine di inizio che devono legarsi al promotore prima che si possa legare l enzima. (2) L inizio della trascrizione eucariotica deve tenere conto del compattamento del DNA nei nucleosomi e in forme di ordine superiore di struttura della cromatina, caratteristiche assenti nei cromosomi dei batteri.

41 Negli eucarioti Trascrizione e maturazione degli RNA Promotore eucariotico. Il promotore del gene della timidina chinasi di herpes simplex virus (HSV) contiene 3 sequenze a monte del TATA box che sono necessari per una efficiente trascrizione: 1 CCAAT box and 2 GC boxe (sequenze consenso GGGCGG). trascrizione esone TATA box introne elemento prossimale al promotore enhancer

42 TATAA inizio della trascrizione TFIID TFIIB TFIIF LA TRASCRIZIONE NEGLI EUCARIOTI L RNA polimerasi II richiede i fattori generali di trascrizione (1) Aiutano a posizionare l RNA polimerasi correttamente sul promotore; (2) aiutano a separare i due filamenti di DNA per permettere l inizio della trascrizione; (3) rilasciano l RNA polimerasi dal promotore nella modalità di allungamento una volta che la trascrizione è cominciata. Le proteine sono generali perché si assemblano su tutti i promotori usati dall RNA polimerasi II. TFIIE TFIIH RNA polimerasi II attività proteina chinasica (TFIIH) LA TRASCRIZIONE INIZIA Come la RNA polimerasi batterica, la polimerasi II rimane nel promotore, fino a che subisce un cambiamento conformazionale e viene rilasciata per iniziare a trascrivere un gene. Un passaggio chiave in questo rilascio è l aggiunta di gruppi fosfato alla coda della RNA polimerasi (nota come CTD o dominio C-terminale). Questa fosforilazione è catalizzata anche da TFIIH, che, oltre ad un elicasi, contiene come subunità una proteina chinasi. La polimerasi può allora staccarsi dal gruppo dei fattori generali di trascrizione, subendo una serie di cambiamenti conformazionali che rafforzano la sua interazione con il DNA e acquisendo nuove proteine che le permettono di trascrivere per lunghe distanze senza dissociarsi.

43 Negli eucarioti Trascrizione e maturazione degli RNA Molte modificazioni sono caratteristiche della cromatina trascrizionalmente attiva, incluse le modificazioni degli istoni e i riarrangiamenti dei nucleosomi. L acetilazione degli istoni è stata collegata alla cromatina trascrizionalmente attiva in un largo numero di tipi cellulari. (A) Gli istoni del core (H2A, H2B, H3, H4) hanno domini histone fold, che interagiscono con gli istoni e il DNA del nucleosoma. Le code N-terminali degli istoni del core sono modificate attraverso l aggiunta di gruppi acetilici (ac) alle catene laterali di specifici residui di lisina. (B) gli attivatori e repressori trascrizionali sono associati con co-attivatori e co-repressori, che possiedono attività iston-acetiltrasferasica (HAT) e iston-deacetilasica, rispettivamente. L acetilazione degli istoni è caratteristica della cromatina attivamente trascritta e potrebbe rendere più debole il legame degli istoni al DNA e alterare la loro interazione con altre proteine. Coda N-terminale Dominio histone-fold Coattivatore Corepressore Attivatore Repressore Lisina (K) Gruppo acetilico Istoni acetilati Cromatina attiva Istoni deacetilati Cromatina inattiva

44 Negli eucarioti Trascrizione e maturazione degli RNA L allungamento della trascrizione negli eucarioti è strettamente accoppiato alla modificazione dell RNA Le modificazioni al 5 e 3 permettono alla cellula di stabilire se sono presenti entrambe le estremità di una molecola di RNA (e perciò se il messaggero è intatto) prima di esportare l RNA dal nucleo per tradurlo in proteina. Lo splicing dell RNA fornisce agli eucarioti superiori la capacità di sintetizzare parecchie proteine diverse dallo stesso gene.

45 Trascrizione e maturazione degli RNA Negli eucarioti Cap. 5 Poliadenilazione 3 Splicing

46 Negli eucarioti Trascrizione e maturazione degli RNA Maturazione degli rrna

47 Negli eucarioti Trascrizione e maturazione degli RNA Maturazione dei trna

48 La struttura del codice genetico e la traduzione Proprietà del codice genetico UAG = pirrolisina UGA = selenocisteina

49 La struttura del codice genetico e la traduzione Apparato di traduzione: ribosomi e trna

50 Nucleolo

51 Ribosomi

52 procariotici eucariotici Ribosomi

53 Frazionamento dei ribosomi S = Svedberg coefficiente di sedimentazione Gradiente di saccarosio (%) frazionamento

54 La struttura del codice genetico e la traduzione Apparato di traduzione: ribosomi e trna

55 La struttura del codice genetico e la traduzione Apparato di traduzione: ribosomi e trna

56 Appaiamento standard e non tra codone e anticodone RNAt ribosio RNAm Guanosina Citosina anticodone codone ribosio RNAt RNAm ribosio Guanosina anticodone Uridina codone ribosio

57 Appaiamento non standard tra codone e anticodone Appaiamento non standard dell alanina RNAt Inosina = ipoxantina + ribosio Ipoxantina deriva dall adenosina L appaiamento rilassato delle basi nella terza posizione è causato in parte dalla formazione di coppie di basi G-U, in parte dalla modificazione della guanosina in inosina degli anticodoni di parecchi trna durante la maturazione. L inosina può appaiarsi con C, U o A nella terza posizione, così che il suo utilizzo nell anticodone permette ad un singolo trna di riconoscere tre diversi codoni negli stampi di mrna. RNAt ribosio ribosio RNAm Inosina Uridina anticodone codone RNAt RNAt RNAm RNAm ribosio Inosina anticodone Inosina anticodone ribosio Citosina codone Adenina codone ribosio

58 La struttura del codice genetico e la traduzione Traduzione nei procarioti 1. Fase ATP dipendente: attivazione dell amminoacido La struttura del legame aminoacil-rnat. L estremità COOH dell aa forma un legame estere con il ribosio. Poiché l idrolisi di questo legame è associata a una variazione di energia libera molto alta, si dice che un aa legato in questo modo è attivato. legame estere aminoacido (triptofano) aminoacido (triptofano) RNAt specifico aminoacil-rnat sintetasi specifica unione del Trp all RNAt il Trp si lega al codon UGG

59 La struttura del codice genetico e la traduzione Traduzione nei procarioti 2. Fase GTP dipendente: Inizio

60 La struttura del codice genetico e la traduzione Traduzione nei procarioti 2. Fase GTP dipendente: Inizio IF2: lega fmet-trna e lo porta alla sub minore del ribosoma; idrolizza GTP IF1: promuove la dissociazione dei ribosomi in subunità separate IF3: stabilizza la sub minore nella forma dissociata; previene la riassociazione delle 2 subunità; denatura la forcina terminale 3 OH dell rrna 16S

61 La struttura del codice genetico e la traduzione Traduzione nei procarioti 1. Fase GTP dipendente: Allungamento

62 La struttura del codice genetico e la traduzione Traduzione nei procarioti 2. Fase GTP dipendente: Termine

63 Traduzione negli eucarioti La struttura del codice genetico e la traduzione RNAm procariotico Sequenza Shine-Dalgarno RNAr 16S RNAm eucariotico 5 cap m 7 G Subunità ribosomale 40S 5 cap m 7 G UTR UTR Scorrimento sul ribosoma

64 Inizio della traduzione negli eucarioti RNAm Subunità 40S Attacco dei fattori di inizio Scorrimento Subunità 60S

65 La struttura del codice genetico e la traduzione Folding e misfolding delle proteine (A) Una forma del globulo fuso del citocromo b 562 è più aperta e meno ordinata della forma finale ripiegata della proteina, mostrata in (B). Esperimenti hanno dimostrato che una volta che il dominio proteico di una proteina multidominio emerge dal ribosoma, forma nel giro idi pochi secondi una struttura compatta che contiene la maggior parte della struttura secondaria finale (a eliche e foglietti b) allineata più o meno nel modo giusto. Per molti domini proteici, questa struttura insolitamente aperta e flessibile, che è chiamata globulo fuso, è il punto di partenza per un processo relativamente lento in cui avvengono molti aggiustamenti di catene laterali che alla fine formano la struttura terziaria corretta. Nonostante ciò, poiché ci vogliono alcuni minuti per sintetizzare una proteina di dimensioni medie, buona parte del processo di ripiegamento è completata quando il ribosoma rilascia l estremità C-terminale di una proteina.

66 Chaperone molecolari aiutano a guidare il ripiegamento di molte proteine Le chaperoni molecolari sono state identificate per la prima volta nei batteri quando vennero studiati mutanti di E. coli che non permettevano al fago lambda di replicarsi al loro interno. Questi mutanti producono versioni leggermente alterate del macchinario chaperone e come risultato sono difettosi in passaggi specifici dell assemblaggio delle proteine virali. Una visione corretta del ripiegamento delle proteine. Ciascun dominio di una proteina appena sintetizzata raggiunge rapidamente uno stato di globulo fuso. Il ripiegamento successivo avviene più lentamente e per vie multiple, comportando spesso l aiuto da parte di una proteina chaperone molecolare. Alcune molecole possono comunque non riuscire a ripiegarsi correttamente; queste sono riconosciute e degradate da proteasi specifiche.

67 Chaperone molecolari aiutano a guidare il ripiegamento di molte proteine Le chaperone molecolari sono incluse fra le proteine dello shock da calore (heat-shock proteins, di cui la loro designazione come hsp), perché sono sintetizzate in quantità enormemente maggiore dopo una breve esposizione delle cellule ad una temperatura elevata (per esempio, 42 C per cellule che normalmente vivono a 37 C). Ciò riflette l operazione di un sistema feedback che risponde a qualunque aumento di proteine ripiegate male (come quelle prodotte da temperature elevate) aumentando la sintesi delle proteine chaperone che aiutano queste proteine a ripiegarsi. Le cellule eucariotiche hanno almeno due famiglie principali di chaperone molecolari hsp60 e hsp70. Membri diversi della famiglia svolgono la loro funzione in organelli diversi. Così i mitocondri contengono le loro molecole hsp60 e hsp70 che sono distinte da quelle che agiscono nel citosol e una hsp70 speciale (chiamata BIP) aiuta a ripiegare correttamente le proteine nel reticolo endoplasmatico rugoso. Le proteine del tipo hsp60 e 70 lavorano ognuna con la propria piccola serie di proteine associate quando aiutano altre proteine a ripiegarsi, hanno in comune un affinità per zone idrofobiche esposte su proteine non completamente ripiegate e idrolizzano ATP, spesso legando e rilasciando la proteina ad ogni ciclo di idrolisi di ATP. Sotto altri aspetti, i due tipi di proteine hsp funzionano diversamente. Il macchinario hsp70 agisce precocemente nella vita di molte proteine, legandosi ad una fila di circa 7 amminoacidi idrofobici prima che la proteina lasci il ribosoma.

68 Chaperone molecolari aiutano a guidare il ripiegamento di molte proteine Le proteine del tipo hsp60 formano una struttura a forma di botte che agisce più tardi nella vita di una proteina, dopo che è stata completamente sintetizzata. Questo tipo di chaperone forma una camera di isolamento in cui entrano proteine ripiegate non correttamente, impedendone l aggregazione e fornendo loro un ambiente favorevole in cui tentare di ripiegarsi.

69 Regioni idrofobiche esposte forniscono segnali cruciali per il controllo qualità delle proteine. Circa il 20% delle proteine vengono aiutate dalla hsp70 e il 10% dalle hsp60. In che modo queste proteine vengono scelte per questo ripiegamento catalizzato da ATP? Una proteina che ha un ampia zona di amminoacidi idrofobici esposta sulla superficie è in genere anormale: o non è riuscita a ripiegarsi correttamente dopo aver lasciato il ribosoma, o ha subito un incidente che l ha svolta parzialmente in un tempo successivo, o non è riuscita a trovare la subunità partner normale in un complesso proteico più grande. Una tale proteina non è semplicemente inutile per la cellula, può essere pericolosa. Molte proteine con una regione idrofobica esposta anormalmente possono formare aggregati, precipitando fuori dalla soluzione. In rari casi, questi aggregati possono provocare malattie molto gravi.

70 La struttura del codice genetico e la traduzione Folding e misfolding delle proteine

71 Quando tutti i controlli di qualità di una proteina falliscono, grossi aggregati proteici tendono ad accumularsi nella cellula colpita. Gli aggregati possono, adsorbendo su di essi macromolecole cruciali, danneggiare gravemente le cellula e causarne anche morte. Gli aggregati proteici rilasciati da cellule morte tendono ad accumularsi nella matrice extracellulare e, in casi estremi, possono anche danneggiare i tessuti. Il cervello, poiché è composto da un insieme altamente organizzato di cellule nervose, è altamente vulnerabile. Aggregati proteici nel cervello causano principalmente neurodegenerazione (malattia di Huntington e la degenerazione di Alzheimer causa di demenza correlata all età e colpisce più di 20 milioni di persone nel mondo d oggi. Molti aggregati proteici che causano problemi formano fibrille costituite da una serie di catene polipeptidiche che sono stratificate l una sull altra come pile continue di foglietti b (filamento cross-beta resistente alla proteolisi). Questa struttura si osserva in tanti disordini neurologici in cui produce depositi colorati in modo anormale noti come amiloide. Le proteine ripiegate in modo anormalo possono aggregarsi causando malattie umane distruttive. Una varietà particolare di questa malattia ha raggiunto una particolare notorietà: le malattie da prioni. A differenza delle malattie di Huntington e di Alzheimer, quella da prioni si può diffondere da un organismo all altro, purché il secondo organismo mangi un tessuto contenente l aggregato proteico. Una serie di malattie chiamate scrapie nella pecora, malattie di Creutzfeldt-Jacob (CJD) nell uomo e encefalopatia spongiforme bovina (BSE) nei bovini (morbo della mucca pazza) è causata da una forma male ripiegata e aggregata di una proteina chiamata PrP (proteina prionica). La PrP si trova normalmente sulla superficie esterna della membrana plasmatica, soprattutto nei neuroni. La sua funzione normale è sconosciuta ma ha la sfortunata proprietà di essere convertibile in una conformazione anormale molto speciale. Questa conformazione non soltanto forma filamenti cross beta resistenti alla proteolisi ma è anche infettiva perché converte molecole di PrP ripiegate normalmente nella stessa forma (da PrP a PrP*).