Le cellule svolgono molte funzioni diverse. Producono energia, comunicano con altre cellule e compongono la massa fisica del corpo. Una delle principali funzioni delle cellule è la costruzione di proteine. Le proteine sono macromolecole biologiche che svolgono una vasta gamma di funzioni nel corpo. Le cellule costruiscono le proteine in base alle informazioni codificate nel DNA. Il processo di estrazione delle informazioni dal DNA per costruire le proteine è chiamato espressione genica.
Fondamentalmente, l’espressione genica ha due fasi:
- Trascrizione – Durante la trascrizione, le informazioni nel DNA sono “copiate” sotto forma di RNA messaggero (mRNA)
- Traslazione – In questa fase, l’mRNA è “letto” dal macchinario cellulare e le proteine codificate sono fatte
In questo articolo, prenderemo una visione approfondita della traduzione e guarderemo i meccanismi molecolari dietro questo processo. Si raccomanda di leggere prima questo articolo sulla trascrizione.
Come l’mRNA immagazzina le informazioni?
Per capire la traduzione dobbiamo prima capire come le informazioni per le proteine sono immagazzinate nell’mRNA. In senso stretto, l’mRNA non codifica per una proteina. Piuttosto, l’mRNA codifica – dà istruzioni per una sequenza di amminoacidi chiamata catena polipeptidica. Le proteine sono costituite da numerose catene polipeptidiche.
Le informazioni nell’mRNA sono memorizzate sotto forma di sequenze di basi nucleotidiche (A, C, G e U) che vengono lette in terzine. Una tripletta di basi è chiamata codone. Ogni codone si riferisce a un aminoacido specifico. Per esempio, il codone ACG specifica l’aminoacido treonina. L’ordine dei codoni nell’mRNA specifica l’ordine degli amminoacidi nella catena polipeptidica. Così, un filamento di mRNA che contiene la sequenza AUUCAGUGU codifica per gli aminoacidi isoleucina (AUU), glutammina (CAG), e cisteina (UGU) in questo ordine.
Nell’RNA umano, ci sono 61 codoni che codificano per circa 20 amminoacidi. C’è anche il codone speciale AUG chiamato “codone di inizio” che dice dove inizia il gene. Infine, ci sono tre codoni speciali che non codificano amminoacidi (UAA, UAG, UGA) che sono chiamati “codoni di stop”. I codoni di stop dicono ai meccanismi di traduzione quando la catena polipeptidica è completa.
Panoramica della traduzione
La traduzione è un processo complesso che richiede alcuni macchinari specializzati. Due tipi di molecole sono coinvolte nel processo di traduzione: tRNA e ribosomi.
tRNA
tRNA (RNA “transfer”) sono molecole che fanno da ponte tra i codoni dell’mRNA e gli amminoacidi che specificano. Un’estremità del tRNA contiene una sequenza di basi chiamata anticodone che può legarsi a un codone specifico attraverso l’accoppiamento di basi complementari. L’altra estremità del tRNA contiene l’amminoacido specificato dal codone. Ci sono molecole di tRNA che leggono ogni codone e legano l’aminoacido specificato. I tRNA si legano all’mRNA e dispongono gli aminoacidi nell’ordine appropriato.
Ribosomi
I ribosomi sono le strutture che assemblano fisicamente le proteine. I ribosomi sono composti da una complessa rete di RNA ribosomiale speciale (rRNA) e proteine. Ogni ribosoma ha 2 parti: una piccola subunità e una grande subunità. La subunità piccola è chiamata subunità 40S e la grande subunità 60S. Le due parti dei ribosomi racchiudono il filamento di mRNA, quasi come i due pezzi di pane in un panino. In senso stretto, i ribosomi NON sono organelli perché non hanno una membrana. Anche i procarioti possiedono i ribosomi e i procarioti non hanno organelli.
I filamenti di mRNA sono inseriti nei ribosomi che leggono i codoni. I ribosomi contengono dei compartimenti per gli anticodoni del tRNA che si legano ai loro codoni corrispondenti dell’mRNA. I tre siti di legame per il tRNA sul ribosoma sono chiamati siti A, P ed E. I ribosomi contengono anche enzimi che catalizzano la reazione che lega gli amminoacidi in una catena polipeptidica.
Processo di traduzione
La traduzione stessa può essere suddivisa in tre fasi: inizio, allungamento e terminazione. La maggior parte di questi processi avviene nel citoplasma della cellula o nel reticolo endoplasmatico. Negli eucarioti, la traduzione avviene del tutto separatamente dalla trascrizione, perché lo script del pre-mRNA creato nella trascrizione deve essere modificato prima di essere tradotto. Nei procarioti, la traduzione avviene direttamente dopo la trascrizione. In alcuni casi, la traduzione di un’estremità di un filamento di mRNA può iniziare mentre l’altra estremità è ancora in fase di trascrizione.
Iniziazione
Nella prima fase della traduzione, vengono rilasciate le proteine fattore di iniziazione. Queste sono le proteine che innescano i primi passi del processo di traduzione. Gli iniziatori della traduzione si legano all’estremità 5′ dell’mRNA e lo portano ai ribosomi. L’mRNA si lega alla piccola subunità del ribosoma e viene tenuto in posizione. Negli eucarioti, una molecola di tRNA contenente metionina si lega alla piccola subunità e insieme si muovono lungo il filamento di mRNA fino a raggiungere il codone di inizio, che è quasi sempre il codone AUG. Una volta raggiunta, la grande subunità ribosomiale racchiude il resto del filamento, formando il complesso di iniziazione completato.
Nei procarioti, la storia è un po’ diversa. Nei procarioti, la piccola subunità ribosomiale non percorre il filamento di mRNA alla ricerca del codone AUG. Invece, si lega direttamente a certe sequenze nel filamento di mRNA. I meccanismi di traduzione dei procarioti possono riconoscere la zona di inizio dalla presenza di sequenze Shine-Dalgarno che si verificano prima del codone di inizio. I batteri usano le sequenze Shine-Dalgarno perché una sequenza di DNA può codificare per più proteine
Elongazione
Una volta che il tRNA che trasporta la metionina trova il codone di inizio, inizia la fase successiva della traduzione. Durante l’allungamento, viene costruita la catena polipeptidica vera e propria. Si può ricordare cosa succede durante l’allungamento dal nome: nell’allungamento, la catena polipeptidica si allunga.
Quando inizia l’allungamento, la metionina che trasporta il tRNA si trova nel sito P al centro del ribosoma. Accanto al sito P c’è il sito A, che si trova sopra un codone esposto sul filamento dell’mRNA. Il sito A è lo “slot” per la prossima molecola di tRNA che si legherà al codone esposto attraverso l’accoppiamento codone-anticodone complementare.
Una volta che il prossimo tRNA atterra nel sito A, il ribosoma catalizza una reazione che lega insieme i due aminoacidi. La reazione che lega due aminoacidi è una reazione di idrolisi (rimozione dell’acqua) che unisce il gruppo amminico di un aminoacido al gruppo carbossilico di un altro. Questa reazione trasferisce la metionina dal primo tRNA al tRNA nel sito A. Ora abbiamo una catena polipeptidica primitiva composta da due amminoacidi. La metionina è chiamata l’estremità N-terminale e l’altra è chiamata l’estremità opposta è chiamata C-terminale.
La maggior parte delle catene polipeptidiche sono più lunghe di due aminoacidi. Una volta che il primo legame peptidico è stato fatto, l’mRNA viene tirato attraverso il ribosoma esattamente di un codone. Questo spostamento sposta il tRNA con la catena dal sito A al sito P e sposta il tRNA vuoto nello slot P allo slot E (“uscita”) dove viene rimosso. Lo spostamento espone anche un nuovo codone dell’mRNA nel sito A.
Il processo si ripete lungo il filamento dell’mRNA fino a quando la catena polipeptidica è completa. Alcune proteine consistono solo di poche decine di aminoacidi, mentre altre possono averne migliaia. La più lunga proteina conosciuta si chiama titina e consiste in una catena di 33.000 aminoacidi.
Terminazione
Come fanno i ribosomi a sapere quando la catena polipeptidica è completa? Questo è il ruolo dell’ultimo passo della traduzione, chiamato terminazione. La terminazione dei meccanismi di traduzione avviene quando un codone di stop (UAA, UAG, UGA) entra nel sito A. Quando un codone di stop entra nel sito A, viene riconosciuto non dal tRNA, ma da proteine speciali chiamate fattori di rilascio. Queste proteine fanno sì che gli enzimi ribosomiali aggiungano una molecola d’acqua all’ultimo amminoacido della catena, causando la dissociazione delle subunità ribosomiali e liberando la catena polipeptidica. In seguito, le subunità ribosomiali possono essere usate di nuovo per tradurre un’altra catena polipeptidica.
Modifica post-traduzionale
Ora che abbiamo una catena polipeptidica completa, può uscire e iniziare a fare il suo lavoro nel corpo, giusto? Beh, non proprio.
Nei procarioti, le proteine sono generalmente pronte a partire non appena vengono tradotte. Negli eucarioti, tuttavia, le catene polipeptidiche devono spesso passare attraverso una manciata di modifiche prima di essere una proteina matura pienamente funzionante. Queste modifiche post-traslazione comportano l’alterazione o la rimozione di alcuni aminoacidi. Alcune proteine richiedono di essere ripiegate in forme complesse 3-D ed esistono enzimi che assistono nel ripiegamento. A volte due catene polipeptidiche ripiegate si agglomerano per formare un complesso proteico più grande. Altre volte l’aggiunta o la rimozione di gruppi di aminoacidi funziona come un “tag” che dice al corpo dove la proteina deve andare.
Negli eucarioti, la modifica post-traslazione avviene nel reticolo endoplasmatico e nell’apparato di Golgi. Nel reticolo endoplasmatico, le proteine sono piegate o hanno sezioni tagliate o aggiunte. I meccanismi che gestiscono questi processi sono molto diversi. Dopo essere state trattate nel reticolo endoplasmatico, le proteine sono racchiuse in una vescicola legata alla membrana e trasportate all’apparato di Golgi. Una volta lì, subiscono alcune modifiche dell’ultimo minuto prima di essere spedite alla loro destinazione finale.