Dallo scrittore Myprotein Leonardo Cesanelli, laureato in Scienze e Tecnologie Alimentari, laureando in Nutrition and Functional Food.
Sintesi Proteica
Le proteine sono macromolecole biologiche di grandissima importanza. Sono le più presenti nel nostro organismo e svolgono la maggior parte delle funzioni che lo mantengono in vita.
Esse possono svolgere funzione strutturale, immunitaria, trasporto (di ossigeno, minerali, lipidi, di membrana), di identificazione dell'identità genetica, ormonale, enzimatica, contrattile, energetica. Infatti, con l'eccezione di alcuni tipi di RNA, la maggior parte delle altre molecole biologiche sono elementi relativamente inerti su cui agiscono le proteine.
Come si formano le proteine?
Negli anni cinquanta del XX secolo, Francis Crick (primo ideatore della struttura tridimensionale del DNA), considerando il problema del rapporto funzionale fra DNA e proteine, formulò il dogma centrale della biologia molecolare (dogma non inteso in senso assoluto), secondo il quale in biologia molecolare il flusso dell'informazione genetica è monodirezionale: parte dagli acidi nucleici per arrivare alle proteine, senza considerare un percorso inverso (tranne alcune eccezioni).
In parole semplici, il dogma afferma che il gene è un tratto di DNA contenente le informazioni per la produzione di una catena polipeptidica; la proteina però non contiene l’informazione per la produzione di altre proteine, dell’RNA o del DNA.
Per spiegare in che modo l'informazione contenuta nel DNA passa dal nucleo al citoplasma, è necessario ipotizzare che da un filamento di DNA di un particolare gene si formi per copia complementare una molecola di RNA (processo di trascrizione).
L'RNA messaggero o mRNA si sposta poi dal nucleo al citoplasma dove a livello dei ribosomi, serve da stampo per la sintesi delle proteine. Ma per spiegare in che modo una sequenza di DNA si trasforma nella sequenza di amminoacidi specifica di un polipeptide, deve esistere una molecola adattatrice capace di legarsi in modo specifico a un amminoacido, di riconoscere una sequenza di nucleotidi e provvista di due regioni, una che svolge la funzione di legame e l'altra che svolge la funzione di riconoscimento.
Tali molecole adattatrici sono quelle dell'RNA transfer o tRNA. Gli adattatori di tRNA, che portano gli amminoacidi, si allineano lungo la sequenza dell'mRNA in modo tale che gli amminoacidi si vengono a trovare nella sequenza giusta per la crescita di una catena polipeptidica (un processo chiamato traduzione).
Per mettere in relazione la sequenza dell'mRNA (e quindi del gene) con gli amminoacidi che compongono le proteine, occorre poi un codice genetico. Il codice genetico specifica l'acido da utilizzare di volta in volta per costruire una proteina.
L'informazione contenuta nella molecola di mRNA può essere vista come una serie lineare di parole di tre lettere (formate dalle basi uracile U, citosina C, adenina A e guanina G) che vanno appunto tradotte in proteine. Ogni sequenza di tre basi (le tre lettere) lungo la catena polinucleotidica dell'RNA è un'unità di codice, o codone, e specifica un particolare amminoacido.
Esistono 61 triplette diverse che sintetizzano per i 20 amminoacidi e 3 codoni di stop.
Trascrizione e traduzione
La trascrizione, cioè la formazione diretta di uno specifico RNA a partire da uno specifico DNA, richiede uno stampo di DNA, i corretti ribonucleotidi trifosfati (ATP, GTP, CTP e UTP) che facciano da substrato e un grande enzima chiamato RNA polimerasi che va a coprire un tratto di DNA pari a circa 50 basi.
Attraverso questo processi non viene prodotto solamente l'mRNA che conterrà l'informazione per la sintesi proteica, ma anche il tRNA e l'rRNA (RNA ribosomiale), essendo tutti, come i peptidi, codificati da geni specifici.
La trascrizione si svolge in tre tappe: inizio, allungamento, terminazione. Nella fase di inizio l'RNA polimerasi si lega ad un promotore (una sequenza di DNA situata nei pressi dell'estremità 5' della regione che codifica una proteina) tramite fettori di trascrizione di natura proteica ed inizia a svolgere e srotolare i filamenti di DNA.
Il DNA parzialmente srotolato funge quindi da stampo per la sintesi di RNA, viene infatti letto nella fase di allungamento dalla RNA polimerasi in direzione 3'-5' e si produce il trascritto di RNA aggiungendo nucleotidi all'estremità 3'. Nell'ultima fase, quando l'RNA polimerasi raggiunge il sito di terminazione, il trascritto di RNA si stacca dallo stampo.
Una volta che l'informazione genetica è stata trascritta su un filamento di mRNA, questo esce dal nucleo nel citoplasma, e si reca nei ribosomi dove avviene il processo di traduzione. Qui, per consentire la traduzione delle informazioni in proteine, è necessaria la presenza, oltre che dell'mRNA e del ribosoma, anche di tRNA, enzimi, vari fattori, ATP e naturalmente amminoacidi.
Innanzitutto il tRNA è una molecola che grazie alla sua particolare struttura è in grado di “caricarsi” di un amminoacido, leggere i codoni dell'mRNA ed associarsi con esso, e quindi fornire gli amminoacidi corrispondenti ai codoni letti interagendo con il ribosoma. I ribosomi sono organuli cellulari formati da due subunità separate quando il ribosoma non è impegnato nella sintesi proteica, attaccate all'mRNA durante il processo di traduzione.
Nel ribosoma si riconoscono tre siti di legame per il tRNA, il sito A, di attacco, dove l'anticodone del tRNA carico si lega al codone dell'mRNA, il sito C, di condensazione, dove il tRNA cede il proprio amminoacido alla catena polipeptidica in crescita, e il sito D, di distacco, dove viene a trovarsi il tRNA che ha ormai consegnato il proprio amminoacido, prima di staccarsi dal ribosoma e tornare nel citosol a raccogliere un'altra molecola di amminoacido e ricominciare il processo.
Anche la traduzione, come la trascrizione, avviene nelle tre fasi di inizio, allungamento e terminazione. Nella fase di inizio la subunità minore del ribosoma si lega al proprio sito di rocnoscimento sul filamento di mRNA.
Quindi un tRNA caricato con l'amminoacido metionina si lega al codone di inizio AUG (il primo amminoacido di una catena polipeptidica è per questo sempre la metionina, anche se non tutte le proteine mature portano questo amminoacido come N-terminale, dato che spesso viene rimosso da un enzima) formando il complesso di inizio al quale si aggiunge la subunità ribosomiale maggiore portando il tRNA ad occupare il sito C.
Nella fase di allungamento un'altro tRNA carico si lega al codone esposto nel sito A. Il nuovo amminoacido si lega, con un legame peptidico, al primo amminoacido (metionina) grazie all'attività peptidil-transferasica della subunità maggiore. Quando il ribosoma si sposta di un codone lungo l'mRNA, il tRNA libero si ritrova nel sito D dove viene rilasciato, mentre il peptide in via di sintesi viene a trovarsi nel sito C.
Il processo si ripete in continuazione portando la catena polipeptidica ad allungarsi sempre di più e con la partecipazione di proteine dette fattori di allungamento. La catena è ormai completa quando il sito A raggiunge uno dei tre codoni di stop: UAA, UAG, UGA. Qui un fattore si rilascio si lega al complesso e stacca il polipeptide dal tRNA nel sito C consentendo una reazione di idrolisi.
Infine tutte le restanti componenti, mRNA e subunità ribosomiali, si separano.
1) Dogma Centrale, in Enciclopedia della scienza e della tecnica, Istituto dell'Enciclopedia Italiana, 2007-2008.
2) F Crick, Central dogma of molecular biology., in Nature, vol. 227, nº 5258, agosto 1970.
3) Lodish H, Berk A, Matsudaira P, Kaiser CA, Krieger M, Scott MP, Zipurksy SL, Darnell J, Molecular Cell Biology, 5th, New York, New York, WH Freeman and Company, 2004.
4) David L. Nelson, Michael M. Cox, I Principi di Biochimica di Lehninger, 3ª ed., Bologna, Zanichelli, febbraio 2002.
5) Valitutti, N. Taddei, H. Kreuzer, A. Massey, D. Sadava, D. M. Hillis, H. C. Heller, M. R. Berenbaum, Dal Carbonio agli OGM Plus, Bologna, Zanichelli, marzo 2014
6) http://www.parodos.it/storia/argomenti/ribosoma.htm
7) http://ebook.scuola.zanichelli.it/sadavabiologia/la-trascrizione-dal-dna-all-rna
Proteine Concentrate
