Panoramica

Utilizzando un microscopio nel 1665, Robert Hooke scoprì minuscole unità di tessuto di sughero che gli ricordavano le celle (stanze) dei monasteri abitate dai monaci. Egli, quindi, si riferiva a queste unità come celle. Tuttavia, ciò che Hooke vide effettivamente con il suo microscopio erano le pareti cellulari morte del tessuto. Fu solo nel 1674 che Anton van Leeuwenhoek usò un microscopio per osservare una cellula viva.

Oggi, è opinione diffusa che ciò che Leeuwenhoek osservò al microscopio fosse una cellula batterica. Insieme ad altre scoperte, queste scoperte hanno portato alla formulazione della Teoria della Cellula da parte di Matthias Schleiden nel 1839 che afferma che una cellula è un’unità di base della vita (la teoria sostiene anche che le nuove cellule hanno origine da cellule esistenti e che tutti gli esseri viventi hanno una o più cellule).

Oggi le cellule si dividono in due categorie principali: cellule procariotiche (Archaea e Batteri) e cellule eucariotiche (piante, animali, protisti, ecc.). Come suggeriscono i nomi, i due tipi di cellule sono classificati in base al modo in cui il loro materiale genetico è disposto/organizzato all’interno della cellula. Tuttavia, hanno anche una serie di altre differenze che permettono di distinguere i due tipi di cellule.

* La parola nucleo deriva dalla parola latina nucleus che significa “nocciolo/core”.

* Mentre “Eu” significa vero o buono, “Pro” significa no – Qui, quindi, gli eucarioti possono essere descritti come cellule che hanno un nucleo mentre i procarioti sono cellule senza nucleo. Tuttavia, vale la pena notare che tutti hanno materiale genetico.

Traduzione

In biologia molecolare e genetica, la traduzione è il termine usato per descrivere il processo attraverso il quale un acido ribonucleico messaggero (mRNA) viene decodificato per sintetizzare polipeptidi o catene di aminoacidi. In questo caso, l’mRNA trasporta codici genetici (informazioni) che servono come il progetto di queste molecole (utilizzate per costruire le proteine). Nelle cellule, questo processo avviene dopo la trascrizione e comporta tre fasi principali.

Queste includono:

• Inizio
• Prolungamento
• Terminazione

A parte le differenze nel modo in cui il materiale genetico è organizzato tra eucarioti e procarioti, si possono anche identificare differenze nella traduzione tra i due tipi di cellule.

Una breve descrizione della trascrizione nei procarioti e negli eucarioti

Dato che l’mRNA, che serve come modello per la sintesi delle proteine, è esso stesso un prodotto della trascrizione, è importante avere un’idea generale di questo processo nei procarioti e negli eucarioti.

* La trascrizione può essere descritta come il processo che collega il DNA (o le informazioni genetiche contenute nel DNA) alle proteine. Qui, l’informazione contenuta nel DNA viene infine utilizzata per produrre proteine.

Nelle cellule eucariotiche, il processo di trascrizione avviene nel nucleo e il trascritto mRNA risultante viene trasportato nel citoplasma dove è coinvolto nella traduzione. Nei procarioti, invece, la trascrizione avviene nel citoplasma dove si trova il materiale genetico.

Qui vale la pena notare che, a differenza delle cellule eucariotiche, i procarioti non hanno un nucleo dove il materiale genetico è legato da una membrana. Di conseguenza, il materiale genetico della cellula si trova nel citoplasma.

In entrambi gli eucarioti e i procarioti (batteri), il primo stadio della trascrizione è noto come stadio di iniziazione e inizia quando proteine ed enzimi associati (RNA polimerasi) si legano al promotore (una sequenza di DNA).

Un buon esempio di queste sequenze (al promotore) è la casella TATA negli eucarioti (questo è un sito ideale dato che le As e le Ts sono legate da pochi (2) legami idrogeno e quindi è più facile staccare i filamenti).

Nelle cellule eucariotiche, le proteine note come fattori di trascrizione basali devono prima legarsi al sito promotore per aiutare la RNA polimerasi ad attaccarsi al sito. Questo è diverso rispetto ai procarioti dove la polimerasi si attacca direttamente al promotore.

* Durante la fase di iniziazione, il legame della polimerasi alla regione del promotore provoca lo srotolamento del DNA prima che inizi la seconda fase.

* Negli eucarioti, i fattori di trascrizione (TF) sono importanti in quanto identificano e si legano alla sequenza di DNA nella regione del promotore. Una volta che si legano al sito, formano quello che è conosciuto come il complesso di iniziazione che attrae la polimerasi a legarsi.

Il successivo (secondo) stadio della trascrizione è conosciuto come elongazione e può essere semplicemente descritto come l’allungamento del trascritto. Qui, la polimerasi “legge” e “scrive” l’mRNA dal filamento modello antisenso (-) del DNA mentre il filamento senso (+) lo protegge (il filamento modello antisenso negativo) da vari fattori interferenti.

Dato che la polimerasi copia dal filamento modello, l’mRNA formato è complementare a questo filamento. Tuttavia, questo nuovo filamento contiene un nucleotide Uracile (U) piuttosto che una Timina (T) presente nel filamento di DNA.

* Durante l’elongazione, la polimerasi si “muove” lungo il filamento modello in una direzione da 3′ a 5′ aggiungendo un nucleotide all’RNA in un modo che corrisponde a quelli del filamento di DNA. Questo produce una trascrizione (trascrizione dell’RNA) che è quasi identica al non-template.

L’ultima fase della trascrizione è conosciuta come terminazione, dove la trascrizione continua fino a quando non viene fermata, il che permette di liberare il trascritto dell’RNA. Qui, la polimerasi può essere istruita a dissociarsi dal modello da determinati segnali di terminazione a seconda della cellula.

Nei procarioti, segnali basati su proteine come la proteina rho controllano la terminazione Rho-dipendente che risulta nella dissociazione della polimerasi dal modello mentre l’mRNA viene liberato.

* Dato che la trascrizione avviene nel citoplasma nei procarioti, la traduzione spesso inizia mentre la trascrizione continua o subito dopo la sua fine. Negli eucarioti, invece, una membrana nucleare separa il ribosoma (coinvolto nel processo di traduzione) dal processo di trascrizione. Per questo motivo, la trascrizione deve essere completata prima che i trascritti siano rilasciati nel citoplasma dove avviene la traduzione.

Caratteristiche dell’mRNA dei procarioti e degli eucarioti

Il mRNA prodotto attraverso il processo di trascrizione è noto anche come mRNA trascritto. Anche se hanno un certo numero di caratteristiche simili, hanno anche diverse differenze. La trascrizione dell’mRNA procariotico può essere divisa in un certo numero di parti/sezioni che includono: la regione non codificante (situata all’estremità 5′ della trascrizione), la sequenza Shine-Dalgarno, una seconda regione non codificante, il codone di inizio, la regione codificante, il codone di stop e un’altra regione non codificante all’estremità 3′.

L’mRNA eucariotico, invece, inizia con un cappuccio 5′ e consiste in un nucleotide di guanina. Questo nucleotide è attaccato a un gruppo metile e legato al nucleotide vicino. Il nucleotide di guanina è attaccato alla regione non codificante, simile a quella dell’mRNA procariotico. La sezione successiva è il codone di inizio da cui si estende la regione codificante.

La regione codificante termina al codone di stop. Questa è seguita da una regione non codificante e infine dalla coda poli-A (composta da adenine e può consistere di ben 2200 nucleotidi) all’estremità 3′. Negli eucarioti, il tappo 5′ e la coda poly-A impediscono la degradazione dell’mRNA.

Qui è importante ricordare che negli eucarioti, l’mRNA deve essere rilasciato nel citoplasma dove avviene la traduzione. Pertanto, le due sezioni giocano un ruolo importante nel mantenere l’integrità dell’mRNA. Nei procarioti, la trascrizione e la traduzione possono avvenire contemporaneamente e quindi queste sezioni non sono necessarie.

A differenza della trascrizione eucariota, questo mRNA non deve essere trasportato a lunga distanza e quindi non incontra vari enzimi che potrebbero degradarlo. Di conseguenza, l’mRNA nei procarioti non richiede una protezione supplementare per evitare danni.

Come detto, la traduzione è il processo attraverso il quale i mattoni delle proteine (polipeptidi/catene di amminoacidi) sono costruiti usando le informazioni contenute nell’mRNA. È un processo importante dato che produce proteine che sono necessarie per varie funzioni cellulari.

Per capire il processo è importante conoscere alcuni dei componenti e delle terminologie usate nella traduzione.

Oltre all’mRNA (RNA messaggero), essi comprendono:

– Polipeptidi – Catene di aminoacidi e sono le molecole che costituiscono le proteine.

– Nucleotidi – Componenti strutturali di DNA e RNA. Sono essi stessi costituiti da nucleoside e fosfato e comprendono adenina, timina, citosina e guanina (così come l’Uracile).

– Codoni – Un gruppo composto da tre nucleotidi – Per esempio, AUG è un buon esempio di codone – Mentre i codoni servono come elementi costitutivi degli aminoacidi, altri fermano il processo una volta che il polipeptide è completo.

– tRNA (transfer RNA) – Fanno da ponte tra i codoni dell’mRNA e gli aminoacidi.

– Ribosoma – I ribosomi sono composti da rRNA e proteine e sono le strutture in cui vengono prodotti i polipeptidi.

Traduzione nei procarioti

Dato che il materiale genetico (DNA) dei procarioti non è contenuto in un nucleo legato alla membrana, la trascrizione avviene nel citoplasma. Questo, quindi, permette di iniziare la traduzione in questo ambiente non appena l’mRNA esce dalla polimerasi (RNA polimerasi/RNAP).

Nei casi in cui c’è abbastanza spazio (sull’mRNA) per ospitare il ribosoma, la traduzione può iniziare anche prima che il processo di trascrizione sia completato.

Come risultato, uno scenario in cui un filamento di DNA viene trascritto da più polimerasi con più ribosomi che traducono queste informazioni (dell’RNA) non è insolito nei procarioti, in particolare quando si tratta di geni altamente espressi.

Come nel caso della trascrizione, ci sono tre fasi di traduzione che includono l’iniziazione, l’allungamento e la terminazione. La fase di iniziazione è caratterizzata dalla formazione del complesso di iniziazione e inizia con la piccola subunità del ribosoma (30S) che si lega all’mRNA.

* Il ribosoma è composto da due subunità (subunità di rRNA) di cui una è più piccola dell’altra. Nei procarioti, la subunità più piccola è designata 30S mentre quella più grande è 50S – il totale di queste è 70S (S sta per unità Svedberg.)

Iniziazione

Perché la fase di iniziazione abbia luogo, la subunità ribosomiale più piccola deve prima essere dissociata da quella più grande (50S). Una volta dissociata, i fattori di iniziazione (IF-1 e IF-2) si legano a determinati siti sulle subunità 30S dove svolgono funzioni diverse.

Al sito A (della subunità ribosomiale), IF-1 serve a impedire l’ingresso di una nuova molecola di aminoacil-tRNA in questa fase della traduzione. Inoltre, promuove l’assemblaggio e la stabilizzazione del complesso.

Anche il fattore di iniziazione IF-3 promuove il legame della subunità all’mRNA. Il terzo fattore di iniziazione (IF-2 GTP) introduce l’aminoacil-tRNA iniziatore e lega il sito P della subunità. Così facendo, permette all’anticodone del tRNA di attaccarsi al codone di inizio (AUG) dell’mRNA.

Dopo l’idrolisi del GTP (così come il rilascio degli altri fattori di iniziazione) la subunità più grande del ribosoma (50S) si lega alla subunità più piccola (30S) che produce un ribosoma completamente funzionale. Dopo la formazione di un ribosoma completamente funzionale, il sito A può nuovamente accettare un’altra molecola di aminoacil-tRNA.

Per la fine della fase di iniziazione, il complesso di iniziazione che si forma consiste in entrambe le subunità ribosomiali (la subunità grande e quella piccola), l’mRNA e il tRNA che porta anche la fMet (N-formil-metionina).

* IF-1 e IF-3 aiutano anche a dissociare la subunità più piccola del ribosoma (30S) da quella più grande (50S).

* La sequenza Shine-Dalgarno si trova diverse basi a monte del codone di inizio (nell’mRNA). Questo sito è importante in quanto segnala il processo di sintesi proteica allineando correttamente la subunità del ribosoma al codone di inizio.

* Il tRNA, che è uno degli iniziatori porta la N-formil-metionina (fMet) che è inserita nel terminale N delle catene polipeptidiche prodotte da procarioti come l’E. coli.coli.

Elongazione

La seconda fase della traduzione è conosciuta come elongazione ed è caratterizzata dall’allungamento della catena polipeptidica. Qui, il ribosoma ha una funzione catalitica come peptido-transferasi.

L’intero processo può essere diviso in tre fasi principali dell’elongazione che includono: legame aminoacil-tRNA, formazione del legame peptidico, così come la traslocazione. Durante il primo passo di questo ciclo (legame aminoacil-tRNA), un aminoacil-tRNA che corrisponde al secondo codone si lega al sito A (sito aminoacilico) attraverso l’interazione codone-anticodone.

Qui, vale la pena notare che la metionina che è arrivata con l’IF-2 insieme al tRNA iniziatore durante la fase di iniziazione è il primo amminoacido. Il legame dell’aminoacil-tRNA è promosso dal GTP e dal fattore di elongazione (ET-Tu). I tre si uniscono per formare un complesso (complesso aminoacil-tRNA/EF-Tu/GTP) che provoca l’idrolisi del GTP. A sua volta, il fattore di allungamento (EF-Tu legato t GDP) viene rilasciato.

La molecola EF-Tu rilasciata può quindi promuovere il legame di un altro tRNA al ribosoma una volta che si è rigenerato. Questo avviene quando EF-Ts (anche un fattore di allungamento) si lega e sostituisce il GDP sull’EF-Tu. L’EF-Ts viene quindi sostituito dal GTP con conseguente formazione di un EF-Tu-GTP rigenerato.

Nel secondo passo, la formazione del legame peptidico, l’estremità carbossilica dell’amminoacido sul tRNA al sito peptidilico (P) si dissocia e si lega al gruppo amminico dell’amminoacido che è unito al tRNA al sito A attraverso un legame peptidico. Questo passo del ciclo è catalizzato dalla peptidil transferasi.

Il terzo passo del ciclo (traslocazione) è caratterizzato dal legame del complesso di elongazione e del GTP al ribosoma. Qui, l’idrolisi del GTP porta alla produzione di GDP e di un fosfato mentre il rilascio del fattore di elongazione (EF-G) lo libera per legare il GTP in preparazione di un altro ciclo di elongazione.

Con il tRNA deacilato che si sposta dal sito P al sito E e il tRNA dipeptidile dal sito A al sito P, il sito rimane vuoto e quindi libero di accettare un altro aminoacido. Un aminoacido viene continuamente aggiunto all’estremità terminale C del polipeptide man mano che cresce in lunghezza per ciascuno dei codoni mentre il peptidil-tRNA si sposta da e verso i siti P e A.

Terminazione

* Durante l’allungamento, il tRNA si sposta continuamente dal sito P al sito A (in avanti) mentre porta l’aminoacido successivo da aggiungere alla catena precedente (catena che è iniziata con una metionina). Questo processo continua fino a quando un codone di stop nell’mRNA entra nel sito A fermando così il ciclo. Ci sono tre tipi di codoni di stop che includono: UAA, UAG e UGA.

L’ultima fase del processo di traduzione è conosciuta come terminazione ed è il punto in cui il processo finisce. Essendo entrato nel sito A, il codone di stop impedisce al tRNA di legarsi.

Uno dei fattori di rilascio (RF-1 o RF-2 insieme a un RF-3) si lega ai codoni facendo sì che l’enzima (peptidil transferasi) responsabile dei legami peptidici rilasci una molecola d’acqua sull’ultimo aminoacido della catena che causa l’idrolizzazione del peptide e del tRNA attaccato al sito P. Come risultato, la catena appena formata si separa dal tRNA e lascia il ribosoma.

* Mentre RF-1 identifica UAA e UAG, RF-2 identifica UAA e UGA mentre RF-3 promuove l’interazione di uno degli altri due fattori di rilascio con il ribosoma.

* I fattori di rilascio si legano al codone di stop dato che nessun tRNA ha anticodone per il codone di stop nei procarioti.

Alcuni degli altri eventi che avvengono durante la fase di terminazione includono:

– l’mRNA viene rilasciato

– il tRNA viene rilasciato dal ribosoma quando il fattore di rilascio del ribosoma si lega al sito A

– Il ribosoma si dissocia nelle subunità grandi e piccole quando EF-G si lega al RRF (ribosome releasing factor)

La traduzione negli eucarioti

Come avviene nei procarioti, la traduzione è il processo attraverso il quale una sequenza di mRNA viene tradotta in polipeptidi durante la sintesi proteica.

Come detto, i processi di trascrizione e traduzione avvengono nel citoplasma nei procarioti (e possono anche avvenire contemporaneamente). Tuttavia, negli eucarioti, la membrana del nucleo separa il ribosoma situato nel citoplasma dal processo di trascrizione che avviene nel nucleo. Per questo motivo, la traduzione inizia quando la trascrizione termina e l’mRNA viene trasportato nel citoplasma.

* Per raggiungere il citoplasma, l’mRNA passa attraverso i pori nucleari sulla membrana nucleare.

* Negli eucarioti, la traduzione avviene anche nel ribosoma situato sul Reticolo Endoplasmatico (ER).

Negli organismi eucarioti, la traduzione avviene anche in tre fasi che includono iniziazione, allungamento e terminazione. Mentre questo è simile al processo nei procarioti, ci sono diverse differenze in particolare per quanto riguarda i componenti coinvolti.

Iniziazione

Durante la fase di iniziazione, la subunità ribosomiale più piccola forma un complesso con tre fattori di iniziazione. Qui, tuttavia, la subunità ribosomiale più piccola è 40S rispetto alla molto più piccola 30S nei procarioti. Il legame di questi fattori di iniziazione (IF-1, IF-A, e IF-3) alla subunità ribosomiale produce il complesso di preiniziazione che a sua volta si unisce all’IF-5 (fattore di iniziazione 5) e al tRNA.

In definitiva, questo complesso si lega all’mRNA per formare il complesso di iniziazione. Come avviene nei procarioti, la piccola subunità ribosomiale si muove lungo la regione non tradotta dell’mRNA alla ricerca del codone di inizio (nella maggior parte dei casi, il primo AUG serve come codone di inizio negli eucarioti).

* Negli eucarioti, la sequenza di mRNA situata al codone di inizio è nota come sequenza Kozak (ACCAUGG). Mentre questa sequenza ha una funzione simile alla sequenza Shine-Dalgarno, le due sono diverse in quanto la sequenza Kozak contiene effettivamente la sequenza di inizio.

Una volta che il codone di inizio viene riconosciuto, la subunità più grande del ribosoma (60S) viene reclutata nel complesso che risulta nella formazione di un ribosoma completamente funzionale (questo è un processo dipendente dall’energia che coinvolge l’idrolisi del GTP e alla fine produce un ribosoma 80S). Una volta formato un ribosoma completamente funzionale, i fattori di iniziazione vengono rilasciati.

* Alla fine del fattore di iniziazione, il tRNAmet iniziatore si trova nel sito P mentre il sito A rimane libero.

Elongazione

È la seconda fase della traduzione e comporta la sintesi del polipeptide. Mentre il processo di elongazione negli eucarioti è simile a quello degli eucarioti, EF-Tu è sostituito da EF-1α. Qui, le proteine del fattore di allungamento (EF) hanno tre funzioni principali.

La prima funzione di queste proteine (proteine fattore di allungamento) è di reclutare i tRNA carichi nel sito A. Inoltre, svolgono un ruolo importante nella formazione di un legame peptidico tra gli amminoacidi e nella traslocazione del ribosoma lungo l’mRNA.

Il progresso del processo comporta l’evento di traslocazione. In ognuno di questi eventi, i tRNA carichi entrano nel sito A prima di spostarsi sul sito P. Alla fine di ogni evento, il tRNA entra nel sito E per essere rimosso.

Quando il ribosoma si muove lungo l’mRNA, i fattori di allungamento promuovono i legami peptidici tra gli aminoacidi situati sul tRNA (nel sito A) e il gruppo carbossilico del gruppo amminico che si trova sul tRNA del sito P.

Qui, la peptidil transferasi (ribozima situato nella subunità ribosomiale 50S) serve a catalizzare la reazione. L’amminoacido associato al tRNA sul sito P è quindi legato alla catena polipeptidica in crescita che permette alla catena di continuare a crescere in lunghezza. Questo processo permette al ribosoma di continuare a muoversi lungo l’mRNA mentre la catena polipeptidica continua a crescere prima di fermarsi alla fase di terminazione.

Terminazione

È l’ultima fase del processo di traduzione. Si verifica quando il ribosoma arriva al codone senza senso dell’mRNA dove il tRNA non ha un anticodone complementare. Una volta che il codone senza senso è identificato da fattori di rilascio, l’amminoacido al sito P si stacca dal tRNA che libera il polipeptide.

D’altra parte, il ribosoma non è solo dissociato dall’mRNA, ma anche nelle due subunità (piccole e grandi subunità ribosomiali) che permette loro di entrare nella fase di iniziazione in un altro processo di traduzione.

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