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Biologia 13 - RNA, trascrizione e traduzione (parte 2)

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Biologia 13 – RNA, trascrizione e traduzione (parte 2)
RNA-polimerasi
Tutti i tipi di RNA vengono sintetizzati nel nucleo. A sintetizzarli è un enzima, detto RNA-polimerasi che,
copiando su particolari tratti del DNA (geni), ne esegue una copia complementare di quelle sequenze.
RNA-polimerasi nei procarioti
I procarioti hanno un'unica RNA-polimerasi che sintetizza tutte le forme di RNA (rRNA, tRNA, mRNA).
Il processo di trascrizione si svolge in 3 fasi:
 inizio
 allungamento
 fine
Inizio
Per cominciare la trascrizione, l’RNA-polimerasi deve riconoscere e legare saldamente l'inizio di un gene. Per
individuare il gene la molecola di RNA-polimerasi scivola (guidata da alcune proteine) lungo la doppia elica
sino a quando incontra la regione del promoter, cioè una sequenza di nucleotidi che indica il punto d'inizio
della trascrizione.
Il riconoscimento ed il legame col promotore è favorito da un fattore proteico dell’RNA-polimerasi, chiamato
fattore σ (sigma). Raggiunto il promotore, l’RNA-polimerasi si lega ad esso in maniera orientata, cioè nella
direzione della lettura (il legame in senso opposto è impossibile).
Il legame al DNA produce un cambiamento di forma della RNA-polimerasi (da un complesso chiuso ad un
complesso aperto). Tale cambiamento comporta la separazione dei filamenti di DNA (ad opera di una
subunità interna detta rudder = timone) e lo srotolamento di circa 13 bp (si forma la bolla di trascrizione).
All’interno della bolla avviene la lettura del DNA. Davanti alla RNA-polimerasi il DNA si svolge, mentre i
filamenti che la polimerasi stessa si lascia dietro, si riavvolgono (ad opera di un’altra subunità interna detta
zipper = cerniera).
Il legame col promotore è importante per svariati motivi:
 consente di individuare il sito di inizio del gene da leggere;
 permette di stabilire il legame iniziale col DNA;
 consente di modulare la velocità lettura dell’RNA-polimerasi stessa. Ci sono alcune sequenze
altamente specifiche e critiche sul promotore tali da determinare non solo la specificità del legame
tra DNA e RNA-polimerasi, ma anche influire sulla velocità di lettura di quest’ultima. Infatti, se queste
sequenze critiche assomigliano molto al tratto di DNA (e alla catena senso, più precisamente) da
codificare, esse impongono alla RNA-polimerasi una velocità di trascrizione notevole; mentre, se
sono molto diverse, la velocità di trascrizione è lenta. Nel primo caso i promotori si dicono “forti”,
nel secondo caso “deboli”. In realtà, anche altre proteine regolatrici influenzano la velocità di
trascrizione.
Allungamento
Tale fase comporta l’ulteriore aggiunta di ribonucleotidi. Dopo la sintesi dei primi 9 nucleotidi, l’RNApolimerasi si stacca dal promotore (altrimenti non potrebbe procedere nella lettura del DNA) e va avanti con
la trascrizione, leggendo e sintetizzando il gene in questione, dall’inizio alla fine, senza staccarsi. Il tutto
procede ad una velocità media di 50 nucleotidi al secondo (inferiore rispetto a quella di duplicazione del DNA
che è 800 nucleotidi al secondo). La direzione di trascrizione è sempre 5’  3’ (riferita all’RNA e non al DNA!).
Fine
Quando finisce la lettura del gene, l’RNA-polimerasi si stacca dal DNA. Questa operazione è imposta da
elementi di controllo detti terminatori. I terminatori possono essere di due tipi, Rho-indipendenti e Rhodipendenti:
 i terminatori Rho-indipendenti sono formati da due sequenze consecutive, la prima ricca di basi C e
G, la seconda una poli-A. A causa della prima sequenza si viene a formare una forcina che rallenta la
corsa della RNA-polimerasi; a causa della seconda sequenza, invece, l’RNA si stacca dal DNA, in
quanto il legame A-U è molto debole.
Biologia 13 – RNA, trascrizione e traduzione (parte 2)
1

i terminatori Rho-dipendenti, diversamente dai precedenti, reclutano una specifica proteina, detta
Rho (una ATPasi ad anello), la quale effettua la separazione dell’RNA neosintetizzato dal DNA; questa
proteina viene a sua volta attivata da una sequenza ricca di basi G sul tratto di DNA letto.
RNA-polimerasi negli eucarioti
Negli eucarioti il processo di trascrizione è molto più complesso per diversi motivi:
1. l’RNA-polimerasi non è una, ma triplice
(RNA-polimerasi I, RNA-polimerasi II e
RNA-polimerasi III).
2. L’RNA-polimerasi per legarsi al
promotore ha bisogno di più fattori (e
non di uno solo, come il fattore σ nel
caso dei procarioti), detti fattori
generali di trascrizione;
3. altri fattori (attivatori e repressori),
direttamente o tramite il complesso
mediatore, esercitano un’influenza sul
processo della trascrizione;
4. il promotore non è unico ma multiplo;
5. diversi altri elementi, detti elementi regolatori prossimali e distali, intervengono per modulare
l’attività di trascrizione.
Analizziamo, adesso, nei particolari i cinque punti sopra esposti.
Tipi di RNA-polimerasi
A differenza dei procarioti (dove esiste un solo tipo di RNA-polimerasi), negli eucarioti ci sono molti tipi di
RNA-polimerasi. Le varie RNA-polimerasi non sono solo chimicamente diverse tra loro, ma sono anche situate
in posti diversi (le polimerasi II e III nel nucleo, la polimerasi I nel nucleolo) e riconoscono promotori diversi.
Tipo di RNA-polimerasi
Geni letti e sintetizzati
RNA-polimerasi I
RNA-ribosomiale 28S, 18S e 5.8S
RNA-polimerasi II
RNA-messaggero (mRNA), snRNA, snoRNA, miRNA e l’RNA
delle telomerasi
RNA-polimerasi III
tRNA, RNA ribosomiale 5S, scRNA e alcuni snRNA
RNA-polimerasi IV e V
Sintetizzano i siRNA nelle piante.
RNA-polimerasi mitocondriale
Simile a quella dei procarioti (… poiché entrambe sono state
trasferite, dai procarioti agli eucarioti durante il processo di
endosimbiosi).
RNA-polimerasi cloroplastica
Fattori di Trascrizione Generali (GTF=General Transcription Factors, o anche TF=Transcription Factors)
Si tratta di un gruppo di 6 proteine (TFIIA, TFIIB, TFIID, TFIIE, TFIIF, TFIIH) che hanno il compito di riconoscere
il promotore e svolgere il DNA. La nomenclatura TFII sta per Trasnscription Factor of RNA-polymerase II.
Biologia 13 – RNA, trascrizione e traduzione (parte 2)
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Senza di loro, la RNApolimerasi II non può iniziare
la trascrizione. Infatti, si parla
di complesso di trascrizione
iniziale (o macchinario di
trascrizione) per indicare
l’insieme dell’RNA-polimerasi
II e dei TF.
Il primo fattore di trascrizione
ad entrare in azione durante
la trascrizione è il TFIID. Si tratta di un grosso complesso proteico formato da 12 subunità; tra queste
particolarmente importante è
la subunità TBP (TATA binding
protein), che si lega a livello
del TATA-box.
La TFIID piega di circa 80° la
sequenza TATA e questo
espone alcune regioni di essa
al contatto con i fattori TFIIA e
TFIIB, le quali si legano e
stabilizzano il legame del
TFIID. Successivamente, si
lega l’RNA-polimarasi II assieme alla TFIIF. Gli ultimi a legarsi sono il TFIIE, TFIIJ (che è una subunità del TFIIA)
ed il TFIIH (che ha la funzione di elicasi, cioè di srotolare ed aprire la doppia elica del DNA).
Durante la fase di allungamento la RNA-polimerasi II si stacca da quasi tutti i fattori di trascrizione (TF). Gli
unici TF a rimanere attaccati alla RNA-polimerasi sono il TFIID (che stabilizza il legame tra l’RNA-polimerasi
ed il DNA) e il TFIIH (che ha il compito di svolgere ed aprire la doppia elica del DNA).
Attivatori, repressori, co-attivatori, co-repressori e complesso mediatore
Gli attivatori e repressori sono una serie di proteine che interagiscono con particolari sequenze del DNA,
dette elementi regolatori prossimali e distali (vedi dopo), ed esercitano una funzione stimolante o inibente
sul processo di trascrizione. Essi non agiscono mai direttamente sul macchinario della trascrizione ma si
servono del complesso mediatore (che fa da mediatore, appunto, tra loro e vari TF) o di altre proteine, dette
co-attivatori e co-repressori.
Promotore (promoter)
L’apparato promoter varia a seconda della RNA-polimerasi considerata.
1. La RNA-polimerasi I, che trascrive i geni dell’rRNA 28S-18S-5.8S, ha un apparato promotore formato
da:
 un nucleo promotore (core) ricco in GC, che si estende da -45 a +20. A questo sito vi si lega un
complesso formato da 4 subunità, la TBP (TATA binding protein) + 3 TAF (TBP-activating factor 1,
2, 3).
 Elemento a monte del promotore (UCE = upstream control element), ricco in GC, che si estende
da -180 a -107. Ad esso si lega la proteina UBF (upstream binding factor), responsabile del
ripiegamento del DNA e necessaria a portare l’UCE a contatto col gruppo promotore, al fine di
attivare la RNA-polimerasi I.
2. La RNA-polimerasi II, che trascrive i geni degli mRNA, snRNA, snoRNA e miRNA ha un apparato
promoter formato da:
 Nucleo promotore (core promoter), rappresentato da solo 2 o 3 dei seguenti 5 elementi:
 BRE, una sequenza situata a -35 dal punto di inizio; rappresenta l’elemento riconosciuto dal
TFIID.
 TATA box, una sequenza posta a -25 dal punto di inizio.
 Elemento iniziatore (Inr), una sequenza situata a ridosso del sito d’inizio della trascrizione,
tra le posizioni –3 e +5.
Biologia 13 – RNA, trascrizione e traduzione (parte 2)
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
DPE (downstream promotor element), una sequenza che si trova a valle del sito d’inizio,
a+30.
 MTE (motif ten element) situato tra +18 e +27. Esso interagisce con l’Inr per l’attivazione del
TFIID.
 Elementi regolatori prossimali, sono posti tra -50 e -200 dal sito di inizio della trascrizione. Questi
elementi vengono riconosciuti e legati dagli attivatori (vedi dopo) ed hanno la funzione di
stabilizzare l’apparato di inizio della trascrizione e di modulare la reazione di inizio. Quelli più noti
sono:
 la CCAAT-box (generalmente localizzata a -80/-100),
 la GC-box (GGGCGG, generalmente a -40/-70),
 la CRE.
 Elementi regolatori distali (long-range regulatory elements), sono posti ad oltre -100.000 dal sito
di inizio della trascrizione. Nonostante la loro notevole distanza dal gene da trascrivere, questi
elementi, quando vengono attivati, si portano sempre in prossimità del gene, grazie all’attività dei
TF (Transcription Factors). Gli elementi più noti sono:
 Esaltatori e silenziatori (enhancers e silencers), sono sequenze grandi (circa 500 bp) che
attivano o reprimono il promotore, mediante l’interazione dei TF (Transcription Factors).
Solitamente sono dislocati a notevole distanza dal promotore (a monte o a valle di esso);
talvolta, però, gli enhancers e i silencer possono anche situarsi all’interno del gene da
trascrivere.
 Isolatori (insulators), sono sequenze molto grandi di DNA (da 300 a 2000 bp) che hanno
la funzione di
 “confinare ed isolare” le varie regioni dell’eucromatina per evitare che il DNA di
una regione vada a “mischiarsi” col DNA di altre regioni;
 impedire eventuali cross-reazioni attivanti da parte di geni vicini (mediante il
blocco dei silencers e degli enhancers).
 Locus di controllo delle regioni (LCR = Locus control regions), è un sito regolatore situato
molto lontano dal promotore ed indipendente dagli enanchers. La sua funzione è quella
di rendere attivo un promotore ed il meccanismo consiste nell’aprire i nucleosomi del
promotore, in modo che i TF possano legarsi ad esso (e quindi attivare il promotore
stesso). Spesso gli LCR sono tessuto-specifici cioè, pur essendo presenti in tutte le cellule,
funzionano solo in quelle di un determinato tessuto grazie all’intervento di proteine
attivatrici, presenti solo in quel tessuto.
 Regioni di attacco alla matrice (MAR = Matrix attachment regions), sono sequenze di
DNA alle quali si lega la matrice nucleare (una fitta rete proteica che fa parte del nucleo
scheletro e che regola la disposizione della cromatina all'interno del nucleo). I MAR
servono per organizzare la cromatina in domini (regioni) e giocano un ruolo importante
nella regolazione dell'espressione genica. I geni attivi sono associati alle MAR nelle
cellule dove sono espressi, mentre non sono associati alle MAR nelle cellule dove non
sono espressi.
3. Per la RNA-polimerasi III l’apparato promotore può essere di 4 tipi:
 Tipo 1 (promotore interno): è formato da 2 elementi di controllo a valle del punto d'inizio
della trascrizione, detti boxA e boxC (sequenze di circa 10 basi); si trova nei geni per l'rRNA5S.
 Tipo 2 (promotore interno): è formato da 2 elementi di controllo a valle del punto d'inizio,
detti boxA e boxB; è presente nei geni per il tRNA.
 Tipo 3 (promotore a monte): è formato da 3 elementi (conservati) a monte del punto di inizio,
detti Oct, PSE e TATA; è presente nei geni per gli snRNA.
 Tipo 4 (promotore interno + a monte): è formato da due promotori interni simili a quelli del
tipo 2 (boxA e boxB) e 2 promotori a monte (TF e TATA).; è presente nei geni che
trascrivono l’RNA-7SL, uno degli RNA più piccoli presenti nelle cellule (nota 1).
Biologia 13 – RNA, trascrizione e traduzione (parte 2)
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In generale, i promotori si suddividono in due categorie, quelli contenenti e quelli non-contenenti le isole
CpG (C=citosina, p=fosfato, G=guanina: sequenze nucleotidiche, da 20-50 bp, ricche di coppie C-G).
 I promotori con isole GpG sono frequenti nei geni “housekeeping”, cioè quei geni che gestiscono le
funzioni basilari di tutte le cellule (ad esempio costruire membrane cellulari, le proteine del
citoscheletro, etc).
 I promotori senza isole CpG, invece, sono frequenti nei geni altamente regolati (cioè che subiscono
l’influenza di molti regolatori). Questi geni, di solito, gestiscono funzioni molto complesse (come la
difesa immunitaria e i processi digestivi).
Un numero elevato di geni (40-50%
RNA polimerasi
nell’uomo) è provvisto di promoter
alternativi. Si tratta di geni dotati di
Introduzione
negli eucarioti
nei procarioti
promoter “opzionali” coi quali possono
dare origine a proteine con caratteristiche a) Solo 1 tipo di RNA-polimerasi
Differenze coi procarioti
a) Tipi di RNA-polimerasi
biochimiche diverse, pur partendo dallo b) Bolla di trascrizione
I, II, III (IV, V, mitocondriale, cloroplatica)
stesso gene. Questo meccanismo è c) Promotore
b) Fattori di trascrizione generali
coinvolto nella specificità di tessuto (cioè, d) Fattore sigma
c) Attivatori, repressori, co-attivatori, corepressori e complesso mediatore.
uno stesso gene, in cellule appartenenti a e) Fasi della trascrizone
d)
Promotori
-Inizio
tessuti diversi, può produrre più o meno
-allungamento
• per l’RNA-polimerasi I
-fine
core + UCE
la proteina codificata perché influenzato
• per l’RNA-polimerasi II
da diversi promoter).
nucleo promotore
I promoter alternativi sono molto attivi
BRE +TATA-box + Elemento
iniziatore + DPE + MTE
durante la vita embrionale. Difetti nel
elementi regolatori prossimali
funzionamento dei promotori alternativi,
CCAAT-box + GC-box +CRE
possono essere causa di gravi malattie
elementi regolatori distali
Enhancers + silencers + insulators
genetiche. Un esempio significativo è la
+ LCR + MAR
“distrofia muscolare di Duchenne”,
• per l’RNA-polimerasi III
dovuta alla mutazione del gene distrofina,
- Tipo 1 (int.): boxA, boxC
- Tipo 2 (int.): boxA, boxB
che governa la produzione della omonima
- Tipo 3 (est.): TATA, Oct, PSE
- Tipo 4 (misto): TATA, TF, boxA, boxB
proteina, componente fondamentale
e) Elementi regolatori prossimali e distali
della struttura delle fibre muscolari
…solo per la RNA-polimerasi II
scheletriche e cardiache.
Elementi regolatori prossimali e distali
Vedi paragrafo sulla RNA polimerasi II
Traduzione
In questa fase, l’informazione portata dall’mRNA viene tradotta dai ribosomi.
Il processo si svolge in 5 tappe:
1. Attivazione dei tRNA
2. Inizio
3. Allungamento
4. Termine e rilascio
5. Modifiche post-traduzionali
Attivazione dei tRNA
Per l’attivazione dei tRNA, vedi lezione 12.
Inizio (Initiation Factors  IF)
Il tRNA di inizio (tRNAiMet)1, assieme all’IF2 (legato ad un GTP) e alla IF5B (anch’esso legato ad un GTP) si lega
alla subunità 40S del ribosoma. Quest’ultimo si era già legato all’IF3 (che ne impedisce l’accoppiamento con
la sub-unità maggiore) e all’IF2 (che servirà per legare la sub-unità minore all’mRNA). L’insieme IF3-IF1ribosoma40S + IF5B-IF2- tRNAiMet forma il complesso di pre-inizio.
Biologia 13 – RNA, trascrizione e traduzione (parte 2)
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Nel frattempo, e indipendentemente, l’mRNA si lega all’IF4, un fattore di inizio formato da diverse subunità,
di cui una, l’IF4E (cap binding protein= proteina che
lega il cap) si lega e riconosce il cappuccio
dell’mRNA, mentre l’altra, la IF4A, riconosce la
coda poli-A. Il ruolo dell’IF4 è quello di verificare
che entrambe le estremità dell’mRNA siano
presenti ed intatte e, quindi, che l’mRNA sia
idoneo.
In seguito, l’IF4-mRNA si unisce al complesso di
pre-inizio e forma il complesso di inizio.
Alla formazione del complesso di inizio fa seguito il
processo di scansione. In questa fase, il complesso
di inizio, partendo dall’estremità 5’ dell’mRNA,
scorre lungo il filamento fino ad arrivare alla
tripletta AUG, che rappresenta il segnale di inizio
traduzione. Il codone di inizio AUG è contenuto
all’interno di una breve sequenza nucleotidica,
detta sequenza di Kozak che viene riconosciuta dal
complesso di inizio (e che corrisponde alla sequenza pre-inizio di Shine-Dalgarno dei procarioti).
A questo punto, la subunità maggiore (60S) del ribosoma si libera dell’IF6 che lo teneva bloccato e gli
impediva di legarsi alla subunità minore e si va ad unire alla subunità 40S, la quale, nel contempo, si libera di
tutti i fattori di inizio (compreso l’IF1 che gli impediva di aggregarsi alla 60S).
Allungamento (Elongation Factors  EF)
Dopo l’unione delle due sub-unità ribosomiali, un secondo tRNA (quello con l'anticodone corrispondente al
codone successivo a quello di inizio AUG) si lega al sito A, assieme all’EF1-GPT (elongation factor +GTP =
fattore di allungamento unito ad un GTP). EF1 unisce il tRNA al sito A e all’mRNA (sfruttando il GTP in suo
possesso) ed effettua un controllo di qualità della corrispondenza codone-anticodone. Una volta riconosciuto
il corretto appaiamento, l’EF1 si stacca dal tRNA.
A questo punto, sul ribosoma ci sono due tRNA adiacenti (uno sul sito A e l’altro sul sito P) uniti ciascuno al
proprio codone sull'mRNA. Tra i due aminoacidi contigui si forma un legame peptidico. A realizzare il legame
è l’rRNA28S.
L’energia necessaria per effettuare il legame peptidico è fornita dall’aminoacido attivato (a sua volta ricevuta
al momento dell’attivazione da parte dell’aminoacil tRNA-sintetetasi). In seguito al legame peptidico, la
metionina si trasferisce dal sito (P) del primo tRNA a quello (A) del secondo tRNA.
Successivamente, il ribosoma avanza di una tripletta sull’mRNA. Nel fare ciò, sposta il primo tRNA nel sito E
ed il secondo nel sito P, liberando, quindi, il sito A. Il fenomeno dell’allungamento è consentito da un altro
fattore di allungamento (EF2-GTP ) e l’energia necessaria è fornita dall’idrolisi del secondo GTP in GDP.
Quindi, un terzo tRNA unito all’EF1-GTP si porta nel sito A… si forma il legame peptidico tra il nuovo
aminoacido ed il secondo … il ribosoma avanza di una tripletta … e il primo tRNA (che era collocato nel sito
E) viene espulso dal ribosoma e va nel citosol mentre, il terzo tRNA passa dal sito P quello E … ed un nuovo
tRNA-EF1-GTT approda nel sito A.
L’intero processo prosegue fino a quando non è stata completata la lettura dell’mRNA.
Termine e rilascio (Releasing Factors  RF)
La sintesi si arresta quando uno o più segnali consecutivi di stop (UGA, UAG, UAA) compaiono nel sito A. A
questo punto subentra un fattore di rilascio (releasing factor) che ha affinità con i segnali di stop e che stacca
la catena peptidica dal ribosoma. Il releasing factor non è altro che un tRNA che non lega alcun aminoacido
e che induce l’rRNA28S (attraverso la la sua attività aminoacil-transferasi) a legare una molecola di acqua sul
gruppo carbossilico dell’ultimo aminoacido della catena proteica.
Il primo aminoacido (metionina) incorporato nella catena proteica non compare nella proteina finale perché
esso viene asportato da un enzima subito dopo l’inizio della sintesi proteica.
Dopo il distacco dell’mRNA, il ribosoma si dissocia nelle sue due unità costituenti (40S e 60S).
Biologia 13 – RNA, trascrizione e traduzione (parte 2)
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Una stessa molecola di mRNA viene solitamente letta da più ribosomi contemporaneamente, con
conseguente produzione in serie di più catene proteiche. Il complesso mRNA e ribosomi si chiama polisoma.
Modifiche post-traduzionali
Dopo essere state sintetizzate, le proteine devono subire delle modifiche per diventare proteine mature in
grado di svolgere le proprie funzioni.
Le modifiche post-traduzionali possono essere:
Chimiche
avvengono nel RER. Le modifiche più importanti sono la N-glicosilazione, l’aggiunta di lipidi, la formazione di
ponti disolfuro, la fosforilazione e il taglio proteico. Quest’ultimo è importante per rendere attive molte
proteine. Infatti, di solito le proteine vengono prodotte in una forma inattiva. Un esempio di questo tipo è
l’insulina che viene prodotta come pro-insulina e, poi, in seguito due successivi tagli proteolitici, si trasforma
in insulina attiva.
Conformazionali ( folding)
Il processo di ripiegamento delle proteine porta alla formazione di strutture tridimensionali. Il ripiegamento
può avvenire sia contemporaneamente alla traduzione (della sintesi proteica) che alla fine di questa. Soltanto
una volta terminato il ripiegamento le proteine possono svolgere la loro funzione fisiologica. La funzione di
una proteina (sia essa un enzima, un trasportatore, un recettore o una proteina strutturale) è resa possibile
dalla sua struttura tridimensionale. Questo è il motivo per il quale il ripiegamento proteico ha una notevole
importanza. Un cattivo ripiegamento delle proteine gioca un ruolo importante in svariate malattie quali
l'encefalopatia spongiforme bovina, il morbo di Alzheimer, il morbo di Parkinson, alcune varianti di fibrosi
cistica (dove la perdita di un aminoacido porta ad un cattivo ripiegamento di una proteina-pompa del cloro
e ad un suo cattivo funzionamento). La forma tridimensionale delle proteine non è casuale (vedi paradosso
di Levinthal) ma dipende, in parte, dagli aminoacidi che la compongono (e, quindi, dai legami che si
stabiliscono tra essi) e, in parte, da particolari proteine chiamate foldasi (dal termine inglese fold=piega) e
chaperon molecolari.
1) Le foldasi comprendono essenzialmente due gruppi: le disolfuro-isomerasi (che crea i ponti disolfuro)
e le peptidil prolil-isomerasi (che converte tutti i legami della prolina cis in trans).
2) I chaperon (o chaperones o Heat
Schock Proteins - HSP) furono, in
origine, descritte come proteine
da
shock
termico
(vedi
esperimento della Drosofila e
Hsp70). In realtà, vengono
prodotte non solo in risposta a
shock termico ma anche ad altri
fattori ambientali (presenza di
metalli pesanti, chemioterapici),
stati
patologici
(infezioni,
febbre, neoplasie) e fattori
cellulari (per es. fattori di
crescita). Tutti i chaperon hanno
una struttura in comune,
caratterizzata da una sequenza
N-terminale di 450 aminoacidi,
detta dominio ATPasico (col
quale legano l’ATP che serve a fornire l’energia necessaria per ripiegare le proteine), ed una sequenza
C-terminale di 200 aminoacidi, detta dominio di riconoscimento (col quale riconoscono e si legano
alla proteina da ripiegare). I chaperon si legano ai siti idrofobi delle proteine per evitare che questi,
per sfuggire all’acqua, si aggreghino tra loro o con siti idrofobi di altre proteine (provocando, in
entrambi i casi, un non corretto ripiegamento della proteina). Ci sono due tipi di chaperon molecolari:
Biologia 13 – RNA, trascrizione e traduzione (parte 2)
7


i chaperoni veri e propri (di piccole dimensioni – 200 KDa): si legano alla catena proteica non
appena questa esce dal ribosoma. Le principali classi di chaperoni sono la Hsp70 e le Hsp90 (Hot
schock proteins … 70 e 90 sta ad indicare il peso molecolare) e la clanexina. Gli chaperoni
molecolari possono agire sia nel RER (per le proteine destinate alla via secretoria) che nel
citoplasma (per le proteine destinate alla via citoplasmatica.
le chaperonine (di grandi dimensioni 800 KDa), che si legano a proteine già completamente
formate ma che hanno perso la propria struttura tridimensionale a causa di agenti denaturanti.
Destino delle proteine
La destinazione delle proteine viene decisa da segnali di indirizzamento, primari e secondari.
Il segnale di indirizzamento primario viene espresso non appena la proteina inizia ad essere prodotta ed è
letto da una ribonucleoproteina (composta da
RNA-7SL e 6 proteine) detta particella di
riconoscimento del segnale (SRP= signal
recognize particle) che si lega in
corrispondenza dell’uscita del tunnel
ribosomiale. Il segnale di indirizzamento
primario è costituito da:
 una regione N-terminale a carica
positiva,
 una regione centrale idrofobica
 una regione polare adiacente al
punto dove viene effettuato il
taglio della sequenza segnale, per
liberare la proteina matura.
Una proteina neo-sintetizzata può contenere oppure non contenere il segnale di indirizzamento primario. In
base a questo, la proteina seguirà due vie:
1. Via secretoria
Se la proteina nascente ha il segnale
di indirizzamento primario viene
riconosciuta dall’SRP, la quale
arresta
temporaneamente
la
traduzione (per evitare che la
proteina
venga
erroneamente
rilasciata nel citosol e/o si ripieghi
prima di essere trasferita nel reticolo
endoplasmatico) e
trascina il
ribosoma sul RER, dove lo lega al
traslocone; quindi il ribosoma porta
a termine la traduzione.
Il traslocone è un complesso
proteico composto da parecchie
componenti. In particolare:
- un recettore SRP, che lega la
molecola di SRP;
- un recettore per il ribosoma, che serve per ancorare l'organulo al reticolo;
- una proteina del poro che forma un canale idrofilico tramite cui la proteina in allungamento
può entrare nel lume del reticolo;
- un enzima peptidasi che taglia la sequenza segnale (che serviva solo per il riconoscimento e
trasporto al reticolo endoplasmatico).
Dal RER le proteine vengono, poi, veicolate verso l’apparato di Golgi e da qui verso le altre
destinazioni (esterno, membrana citoplasmatica, lisosomi). Il tipo di destinazione viene deciso da
segnali di indirizzamento secondario. Alcuni di questi segnali sono stati parzialmente identificati. Per
Biologia 13 – RNA, trascrizione e traduzione (parte 2)
8
esempio, per inviare le proteine verso i lisosomi viene legato loro uno zucchero particolare (il
mannosio 6-fosfato).
2. Via citoplasmatica
Se la proteina nascente non ha il segnale non viene riconosciuta dalla SRP. Pertanto, la sintesi
continua sui ribosomi liberi (cioè, non legati al RER) e la proteina risultante viene, poi, rilasciata nel
citoplasma. Qui, in base ad altri segnali, verrà destinata nei vari siti (nucleo, mitocondri, perossisomi
o citoplasma). Anche in questo caso sono stati individuati alcuni segnali di indirizzamento secondario.
In particolare:
- sequenze di aminoacidi basici, intervallate da brevi tratti di aminoacidi non basici,destinano le
proteine verso il nucleo;
- sequenze di aminoacidi basici (treonina e serina), non intervallate da altri aminoacidi, destinano
le proteine verso i mitocondri.
Distruzione delle proteine
La vita media delle proteine varia da pochi minuti a parecchi giorni (ad esempio l’emoglobina ha una vita
media di 120 giorni) … a tutta la vita dell’individuo (per esempio le proteine del cristallino dei vertebrati).
Tutte le proteine vengono distrutte per 3 motivi:
- evitare l’accumulo di quelle anormali
- evitare l’accumulo di quelle normali ma divenute inutili
- favorire il riciclo degli aminoacidi
Le proteine possono essere distrutte in due modi:
- distruzione lisosomiale… formazione di un autofagolisosoma e degradazione della proteina.
- distruzione ubiquitina-dipendente: le proteine da distruggere vengono legate dalle ubiquitine (una
piccola proteina formata da 70-80 aminoacidi) e, per questo, riconosciute dal proteosoma (un
complesso enzimatico che individua la proteina legata dalle ubiquitine), il quale le distrugge. Tale
processo è stato individuato, per la prima volta, nei reticolociti (precursori dei globuli rossi), che non
contengono lisosomi.
Codice genetico
Il codice genetico è essenziale per il passaggio di informazioni da DNA all’RNA. Esso ha alcune caratteristiche
molto importanti.
1. Il codice è a triplette: ogni tripletta di basi corrisponde ad un aminoacido.
2. Il codice non ha punteggiatura; i codoni sono letti consecutivamente.
3. Il codice non ha sovrapposizione: le basi sull’mRNA vengono lette per gruppi di 3 e in successione (es.
AUGAAGUUGCGG può essere letto solo come AUG-AAG-UUG-CGG e non AU-GAA-GUU-GC-GG).
4. Il codice ha segnali di inizio e di fine che ne definiscono il quadro di lettura. Il segnale di inizio è quasi
sempre rappresentato dalla tripletta AUG, raramente può essere utilizzata la tripletta GUG. Il segnale di
fine è rappresentato da 3 codoni UAG, UGA, UAA. Questi ultimi sono detti codoni non-senso perché non
codificano per alcun aminoacido (mentre, quelli codificanti sono detti codoni senso).
5. Il codice è quasi universale. Con poche eccezioni, tutti gli organismi condividono lo stesso linguaggio
genetico. Alcune variazioni sono state trovate nei batteri, in alcuni protozoi, nelle alghe e nei mitocondri.
Per esempio la tripletta UAG che nell’uomo rappresenta un segnale di stop, in alcuni protozoi ciliati essa
codifica per l’aminoacido glutammina.
6. Il codice è degenerato (ridondante). Tranne due eccezioni, AUG (metionina) e UGG (triptofano), per
ogni aminoacido è presente più di un codone. Questa molteplicità del codice è detta degenerazione del
codice. Infatti, se due codoni hanno le prime due basi uguali e la terza è diversa, l’aminoacido codificato
può sempre lo stesso. Un esempio è dato da CUU, CUC, CUA e CUG, tutti per leucina. La ridondanza
rende il codice genetico meno vulnerabile alle mutazioni.
7. L’anticodone vacilla. Il vacillamento (o tentennamento o wobble) dell’anticodone consiste nella
variabilità di appaiamento tra la 3a base del codone e la corrispondente 1a base dell’anticodone. I primi
due appaiamenti (posizioni 1 e 2 sul codone) sono fissi e rispettano la regola della complementarietà (CG U-A), il terzo, invece, è oscillante cioè, può non rispettare la regola della complementarietà (per cui
alla C può corrispondere anche la A o la U). Questo fenomeno è dovuto alla conformazione curva
dell’anticodone che, in quanto tale, non consente il perfetto appaiamento di tutte e tre le basi.
Biologia 13 – RNA, trascrizione e traduzione (parte 2)
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In virtù del vacillamento, le cellule degli eucarioti non contengono 61 (64-3 segnali di stop=61) tRNA
diversi ma solo 45-51.
8. Nella posizione 3 del codone si ritrovano spesso nucleotidi insoliti, come l’inosina (… e diversi altri).
9. Il codice genetico, per convenzione, è scritto nella forma in cui appare nell’mRNA.
Biologia 13 – RNA, trascrizione e traduzione (parte 2)
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