Le proteine sono strutture essenziali per il funzionamento delle cellule e per la vita di ogni organismo. Strutturalmente, le proteine sono polipeptidi costituiti da aminoacidi, ovvero le unità monomeriche. In natura esistono centinaia di amminoacidi diversi, ma solo 20 di essi costituiscono le proteine del corpo umano e di altri animali. Non preoccuparti, non è necessario conoscere la struttura di ciascun amminoacido: questo è un argomento più complesso che verrà affrontato, eventualmente, più avanti nel tuo percorso di studi.
Sintesi proteica: un riassunto
Proteine: macromolecole biologiche formate da catene di aminoacidi legate tramite legami peptidici e in grado di svolgere molteplici funzioni biologiche, critiche per la sopravvivenza di ogni organismo.
Le proteine comprendono enzimi come la DNA polimerasi utilizzata nella replicazione del DNA, ormoni come l'ossitocina secreta durante il travaglio del parto e anche anticorpi sintetizzati durante una risposta immunitaria.
Tutte le cellule contengono proteine, che sono macromolecole molto importanti ed essenziali per ogni organismo. Le proteine si trovano persino nei virus, che non sono considerati cellule viventi!
La sintesi delle proteine è un processo complesso ed affascinante che consiste in due fasi principali: la trascrizione e la traduzione.
La trascrizione è il trasferimento di una sequenza di basi del DNA in RNA.
La traduzione è la "lettura" di questo materiale genetico RNA.
In ogni fase sono coinvolti organelli, molecole ed enzimi diversi, ma non preoccuparti: scoprirai nei prossimi paragrafi, quali sono i componenti più importanti.
Il processo di sintesi proteica inizia con il DNA che si trova nel nucleo. Il DNA contiene il codice genetico sotto forma di sequenza di basi, che memorizza tutte le informazioni necessarie per la creazione delle proteine.
I geni codificano per specifiche categorie di aminoacidi e di conseguenza proteine.
Le fasi della sintesi proteica: la trascrizione
La trascrizione è la prima fase della sintesi proteica e avviene all'interno del nucleo, dove è conservato il nostro DNA. Essa include la fase in cui si produce l'RNA pre-messaggero (pre-mRNA), che è un breve filamento singolo di RNA complementare a un gene presente nel nostro DNA. Il termine "complementare" indica che il filamento ha una sequenza opposta a quella del DNA (ad esempio, se la sequenza del DNA è ATTGAC, la sequenza complementare dell'RNA è UAACUG).
L'appaiamento di basi complementari avviene tra una base azotata pirimidinica e una purinica. Ciò significa che nel DNA l'adenina si accoppia con la timina e la citosina con la guanina. Nell'RNA, l'adenina si accoppia con l'uracile e la citosina con la guanina.
Il termine pre-mRNA viene utilizzato per le cellule eucariotiche, poiché queste contengono sia introni (regioni non codificanti del DNA) che esoni (regioni codificanti). Le cellule procariotiche producono direttamente l'mRNA, poiché non contengono introni.
Ad oggi gli scienziati esperti in biologia concordano con il fatto che soltanto l'1% circa del nostro genoma codifica per le proteine, mentre il resto non lo fa. Gli esoni sono sequenze di DNA che codificano per queste proteine, mentre il resto è considerato introne, in quanto non codifica per le proteine. Alcuni libri di testo definiscono gli introni come DNA "spazzatura", ma questo non è del tutto vero. Alcuni introni svolgono ruoli molto importanti nella regolazione dell'espressione genica.
Ma perché abbiamo bisogno di creare un altro polinucleotide quando abbiamo già il DNA? Semplicemente, il DNA è una molecola troppo grande! I pori nucleari mediano ciò che entra ed esce dal nucleo e il DNA è troppo grande per attraversarlo e raggiungere i ribosomi, che sono la sede successiva della sintesi proteica. Per questo motivo viene prodotto l'mRNA, che è abbastanza piccolo da uscire nel citoplasma.
Cerca di leggere e comprendere nel dettaglio questi punti importanti prima di leggere le fasi della trascrizione. Sarà più facile da capire:
- Il filamento di senso, noto anche come filamento codificante, è il filamento di DNA che contiene il codice della proteina. Va da 5' a 3'.
- Il filamento antisenso, noto anche come filamento modello, è il filamento di DNA che non contiene il codice della proteina ed è semplicemente complementare al filamento senso. Va da 3 'a 5'.
Alcuni di questi passaggi potrebbero essere molto simili alla replicazione del DNA, ma non bisogna confonderli.
- Il DNA contenente il gene target si srotola, cioè i legami idrogeno tra i filamenti di DNA si rompono. Questo processo è catalizzato dalla DNA elicasi.
- I nucleotidi di RNA liberi nel nucleo si accoppiano con i loro nucleotidi complementari sul filamento modello, catalizzati dalla RNA polimerasi. Questo enzima forma legami fosfodiestere tra nucleotidi adiacenti (questo legame si forma tra il gruppo fosfato di un nucleotide e il gruppo OH al carbonio 3' di un altro nucleotide). Ciò significa che il filamento di pre-mRNA sintetizzato contiene la stessa sequenza del filamento di senso.
- Il pre-mRNA si stacca una volta che la RNA polimerasi raggiunge un codone di stop.
Figura 1. Uno sguardo dettagliato alla trascrizione dell'RNA.
Gli enzimi coinvolti nella trascrizione
L'elicasi del DNA è l'enzima responsabile della fase iniziale dello svolgimento (apertura) e della decompressione. Questo enzima catalizza la rottura dei legami idrogeno che si trovano tra le coppie di basi complementari e permette al filamento modello di essere esposto per l'enzima successivo, l'RNA polimerasi.
L'RNA polimerasi viaggia lungo il filamento e catalizza la formazione di legami fosfodiestere tra nucleotidi di RNA adiacenti. L'adenina si accoppia con l'uracile, mentre la citosina con la guanina.
Ricorda: nell'RNA l'adenina si accoppia con l'uracile. Nel DNA, l'adenina si accoppia con la timina.
Che cos'è lo splicing dell'mRNA?
Le cellule eucariotiche contengono introni ed esoni. Ma a noi servono solo gli esoni, perché sono le regioni codificanti. Lo splicing dell'mRNA descrive il processo di rimozione degli introni, in modo da avere un filamento di mRNA contenente solo esoni. Questo processo è catalizzato da enzimi specializzati chiamati spliceosomi.
Una volta completato lo splicing, l'mRNA può uscire dal poro nucleare e dirigersi verso il ribosoma per la traduzione.
Figura 2. Splicing dell'mRNA.
Le fasi della sintesi proteica: la traduzione
I ribosomi sono organelli responsabili della traduzione dell'mRNA, un termine che descrive la "lettura" del codice genetico. Questi organelli, costituiti da RNA ribosomiale e proteine, mantengono l'mRNA in posizione durante questa fase. La "lettura" dell'mRNA inizia quando viene rilevato il codone di inizio, AUG (basi azotate: adenina-uracile-guanina).
Per prima cosa, introduciamo l'RNA di trasferimento (tRNA). Questi polinucleotidi a forma di trifoglio contengono due caratteristiche importanti:
- Un anticodone, che si legherà al suo codone complementare sull'mRNA.
- Un sito di attacco per un amminoacido.
I ribosomi possono ospitare al massimo due molecole di tRNA alla volta. I tRNA sono i veicoli che trasportano gli amminoacidi corretti ai ribosomi.
Di seguito sono riportate le fasi della traduzione:
- L'mRNA si lega alla subunità piccola di un ribosoma in corrispondenza del codone di inizio, AUG.
- Un tRNA con un anticodone complementare, UAC, si lega al codone dell'mRNA, portando con sé l'amminoacido corrispondente, la metionina.
- Un altro tRNA con un anticodone complementare per il codone successivo dell'mRNA si lega. In questo modo i due aminoacidi si avvicinano.
- L'enzima peptidil transferasi catalizza la formazione di un legame peptidico tra questi due amminoacidi. Questo processo utilizza l'ATP.
- Il ribosoma viaggia lungo l'mRNA e rilascia il primo tRNA legato.
- Questo processo si ripete fino al raggiungimento di un codone di stop. A questo punto, il polipeptide sarà completo.
La traduzione è un processo molto rapido perché fino a 50 ribosomi possono legarsi dietro al primo, in modo da produrre contemporaneamente lo stesso polipeptide.
Figura 3. Traduzione dell'mRNA nel ribosoma
Gli enzimi coinvolti nella traduzione
La traduzione è caratterizzata da un enzima principale, la peptidil transferasi, che è un componente del ribosoma stesso. Questo importante enzima utilizza l'ATP per formare un legame peptidico tra aminoacidi adiacenti. Ciò contribuisce a formare la catena polipeptidica.
Cosa succede dopo la traduzione?
Ora abbiamo una catena polipeptidica completa. Ma non abbiamo ancora finito. Anche se queste catene possono essere funzionali da sole, la maggior parte subisce ulteriori passaggi per diventare proteine funzionali. Ciò include il ripiegamento dei polipeptidi in strutture secondarie e terziarie e le modifiche dell'apparato del Golgi.
Sintesi proteica - Punti chiave
- La trascrizione descrive la sintesi del pre-mRNA a partire dal filamento modello di DNA. Questo viene sottoposto a splicing dell'mRNA (negli eucarioti) per produrre una molecola di mRNA composta da esoni.
- Gli enzimi DNA elicasi e RNA polimerasi sono i principali responsabili della trascrizione.
- La traduzione è il processo con cui i ribosomi "leggono" l'mRNA, utilizzando il tRNA. È qui che viene creata la catena polipeptidica.
- Il principale motore enzimatico della traduzione è la peptidil transferasi.
- La catena polipeptidica può subire ulteriori modifiche, come il ripiegamento e l'aggiunta del corpo di Golgi.
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