Obiettivi di Apprendimento

Obiettivo Principale

  • Spiegare il processo attraverso il quale una cellula costruisce proteine utilizzando il codice del DNA

alla fine di questa sezione, si sarà in grado di:

  • Spiegare come il codice genetico all’interno di DNA determina le proteine formano
  • Descrivere il processo di trascrizione
  • Spiegare il processo di traduzione
  • Discutere la funzione dei ribosomi

e ‘ stato detto in precedenza che il DNA fornisce un “progetto” per la cellula struttura e la fisiologia. Questo si riferisce al fatto che il DNA contiene le informazioni necessarie affinché la cellula costruisca un tipo molto importante di molecola: la proteina. La maggior parte dei componenti strutturali della cellula sono costituiti, almeno in parte, da proteine e praticamente tutte le funzioni che una cellula svolge sono completate con l’aiuto di proteine. Una delle classi più importanti di proteine sono gli enzimi, che aiutano ad accelerare le necessarie reazioni biochimiche che avvengono all’interno della cellula. Alcune di queste reazioni biochimiche critiche includono la costruzione di molecole più grandi da componenti più piccoli (come ciò che si verifica durante la replicazione del DNA o la sintesi di microtubuli) e la scomposizione di molecole più grandi in componenti più piccoli (come quando si raccoglie energia chimica da molecole di nutrienti). Qualunque sia il processo cellulare può essere, è quasi sicuro di coinvolgere le proteine. Proprio come il genoma della cellula descrive il suo pieno complemento di DNA, il proteoma di una cellula è il suo pieno complemento di proteine. La sintesi proteica inizia con i geni. Un gene è un segmento funzionale del DNA che fornisce le informazioni genetiche necessarie per costruire una proteina. Ogni particolare gene fornisce il codice necessario per costruire una particolare proteina. L’espressione genica, che trasforma le informazioni codificate in un gene in un prodotto genico finale, determina in ultima analisi la struttura e la funzione di una cellula determinando quali proteine sono fatte.

L’interpretazione dei geni funziona nel modo seguente. Ricordiamo che le proteine sono polimeri, o catene, di molti blocchi di aminoacidi. La sequenza di basi in un gene (cioè la sua sequenza di nucleotidi A, T, C, G) si traduce in una sequenza di amminoacidi. Una tripletta è una sezione di tre basi di DNA in una fila che codifica per un amminoacido specifico. Ad esempio, la tripletta di DNA CAC (citosina, adenina e citosina) specifica l’aminoacido valina. Pertanto, un gene, che è composto da più triplette in una sequenza unica, fornisce il codice per costruire un’intera proteina, con più amminoacidi nella sequenza corretta (Figura 3.4.1). Il meccanismo con cui le cellule trasformano il codice del DNA in un prodotto proteico è un processo in due fasi, con una molecola di RNA come intermedio.

Questo diagramma mostra la traduzione dell'RNA in proteine. Un filamento del modello del DNA è indicato per trasformarsi in in un filamento del RNA con la trascrizione. Quindi il filamento di RNA subisce la traduzione e diventa proteine.
Figura 3.4.1-Il codice genetico: il DNA contiene tutte le informazioni genetiche necessarie per costruire le proteine di una cellula. La sequenza nucleotidica di un gene viene infine tradotta in una sequenza aminoacidica della proteina corrispondente del gene.

Dal DNA all’RNA: Trascrizione

Il DNA è alloggiato all’interno del nucleo, e la sintesi proteica avviene nel citoplasma, quindi ci deve essere una sorta di messaggero intermedio che lascia il nucleo e gestisce la sintesi proteica. Questo messaggero intermedio è l’RNA messaggero (mRNA), (Figura 3.29), un acido nucleico a filamento singolo che trasporta una copia del codice genetico per un singolo gene fuori dal nucleo e nel citoplasma dove viene utilizzato per produrre proteine.

Esistono diversi tipi di RNA, ognuno con funzioni diverse nella cellula. La struttura dell’RNA è simile al DNA con alcune piccole eccezioni. Per prima cosa, a differenza del DNA, la maggior parte dei tipi di RNA, incluso l’mRNA, sono a filamento singolo e non contengono filamenti complementari. In secondo luogo, lo zucchero ribosio nell’RNA contiene un atomo di ossigeno aggiuntivo rispetto al DNA. Infine, invece della timina di base, l’RNA contiene l’uracile di base. Ciò significa che l’adenina si accoppierà sempre con l’uracile durante il processo di sintesi proteica.

L’espressione genica inizia con il processo chiamato trascrizione, che è la sintesi di un filamento di mRNA che è complementare al gene di interesse. Questo processo è chiamato trascrizione perché l’mRNA è come una trascrizione, o copia, del codice del DNA del gene. La trascrizione inizia in un modo un po ‘ come la replicazione del DNA, in quanto una regione di DNA si svolge e i due filamenti si separano, tuttavia, solo quella piccola parte del DNA sarà divisa. Le triplette all’interno del gene su questa sezione della molecola di DNA sono utilizzate come modello per trascrivere il filamento complementare di RNA (Figura 3.4.2). Un codone è una sequenza a tre basi di mRNA, così chiamata perché codificano direttamente gli amminoacidi. Come la replicazione del DNA, ci sono tre fasi di trascrizione: iniziazione, allungamento e terminazione.

In questo diagramma, la RNA polimerasi viene mostrata trascrivendo un filamento di DNA nel suo corrispondente trascritto di RNA.
Figura 3.4.2 – Trascrizione: dal DNA all’mRNA: Nella prima delle due fasi di produzione di proteine dal DNA, un gene sulla molecola di DNA viene trascritto in una molecola di mRNA complementare.

Nella prima delle due fasi di produzione di proteine dal DNA, un gene sulla molecola di DNA viene trascritto in una molecola di mRNA complementare.

Fase 1: Iniziazione. Una regione all’inizio del gene chiamata promotore – una particolare sequenza di nucleotidi-innesca l’inizio della trascrizione.

Fase 2: Allungamento. La trascrizione inizia quando l’RNA polimerasi svolge il segmento del DNA. Un filo, indicato come il filo di codifica, diventa il modello con i geni da codificare. La polimerasi allinea quindi l’acido nucleico corretto (A, C, G o U) con la sua base complementare sul filamento codificante del DNA. La RNA polimerasi è un enzima che aggiunge nuovi nucleotidi a un filamento crescente di RNA. Questo processo costruisce un filone di mRNA.

Fase 3: Terminazione. Quando la polimerasi ha raggiunto la fine del gene, una delle tre triplette specifiche (UAA, UAG o UGA) codifica un segnale “stop”, che innesca gli enzimi per terminare la trascrizione e rilasciare la trascrizione dell’mRNA.

Il processo di trascrizione è regolato da una classe di proteine chiamate fattori di trascrizione, che si legano alla sequenza genica e promuovono o inibiscono la loro trascrizione. (spostare la figura 3.35 qui).

Prima che la molecola di mRNA lasci il nucleo e proceda alla sintesi proteica, viene modificata in diversi modi. Per questo motivo, è spesso chiamato un pre-mRNA in questa fase. Ad esempio, il tuo DNA, e quindi l’mRNA complementare, contiene regioni lunghe chiamate regioni non codificanti che non codificano per gli amminoacidi. La loro funzione è ancora un mistero, ma il processo chiamato splicing rimuove queste regioni non codificanti dalla trascrizione pre-mRNA (Figura 3.4.3). Uno spliceosoma-una struttura composta da varie proteine e altre molecole—si attacca all’mRNA e “splices” o taglia le regioni non codificanti. Il segmento rimosso della trascrizione è chiamato introne. Gli esoni rimanenti vengono incollati insieme. Un esone è un segmento di RNA che rimane dopo lo splicing. È interessante notare che alcuni introni che vengono rimossi dall’mRNA non sono sempre non codificanti. Quando le regioni differenti di codifica di mRNA sono impiombate fuori, le variazioni differenti della proteina alla fine risulteranno, con le differenze nella struttura e nella funzione. Questo processo si traduce in una varietà molto più ampia di possibili proteine e funzioni proteiche. Quando la trascrizione dell’mRNA è pronta, viaggia fuori dal nucleo e nel citoplasma.

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Questo video vi mostrerà gli importanti enzimi e biomolecole coinvolti nel processo di trascrizione, il processo di creazione di una molecola di mRNA dal DNA.

In questo diagramma, una trascrizione pre-mRNA è mostrata nella parte superiore di un diagramma di flusso. Questa trascrizione pre-mRNA contiene introni ed esoni. Nella fase successiva, l'introne si trova in una struttura chiamata spliceosoma. Nell'ultimo passaggio, l'introne viene mostrato separato dall'RNA giuntato.
Figura 3.4.3-Splicing del DNA: Nel nucleo, una struttura chiamata spliceosome taglia gli introni (regioni non codificanti) all’interno di una trascrizione pre-mRNA e ricollega gli esoni.

Da RNA a proteine: Traduzione

Come tradurre un libro da una lingua all’altra, i codoni su un filamento di mRNA devono essere tradotti nell’alfabeto aminoacidico delle proteine. La traduzione è il processo di sintesi di una catena di aminoacidi chiamata polipeptide. La traduzione richiede due aiuti principali: in primo luogo, un “traduttore”, la molecola che condurrà la traduzione, e in secondo luogo, un substrato su cui il filamento di mRNA viene tradotto in una nuova proteina, come il “desk” del traduttore.”Entrambi questi requisiti sono soddisfatti da altri tipi di RNA. Il substrato su cui avviene la traduzione è il ribosoma.

Ricorda che molti dei ribosomi di una cellula si trovano associati al rozzo ER, e svolgono la sintesi di proteine destinate all’apparato di Golgi. L’RNA ribosomiale (rRNA) è un tipo di RNA che, insieme alle proteine, compone la struttura del ribosoma. I ribosomi esistono nel citoplasma come due componenti distinti, una piccola e una grande subunità. Quando una molecola di mRNA è pronta per essere tradotta, le due subunità si uniscono e si attaccano all’mRNA. Il ribosoma fornisce un substrato per la traduzione, riunendo e allineando la molecola di mRNA con i “traduttori” molecolari che devono decifrare il suo codice.

L’altro requisito principale per la sintesi proteica sono le molecole traduttrici che fisicamente “leggono” i codoni dell’mRNA. L’RNA di trasferimento (tRNA) è un tipo di RNA che ferries gli amminoacidi corrispondenti appropriati al ribosoma ed attacca ogni nuovo amminoacido all’ultimo, costruendo la catena del polipeptide uno per uno. Così tRNA trasferisce aminoacidi specifici dal citoplasma ad un polipeptide in crescita. Le molecole di tRNA devono essere in grado di riconoscere i codoni sull’mRNA e abbinarli con l’amminoacido corretto. Il tRNA viene modificato per questa funzione. Su un’estremità della sua struttura è un sito di legame per uno specifico amminoacido. Dall’altra parte c’è una sequenza di base che corrisponde al codone specificando il suo particolare amminoacido. Questa sequenza di tre basi sulla molecola di tRNA è chiamata anticodone. Ad esempio, un tRNA responsabile della spola dell’amminoacido glicina contiene un sito di legame per la glicina su un’estremità. Dall’altra parte contiene un anticodone che integra il codone della glicina (GGA è un codone per la glicina, e quindi l’anticodone tRNAs leggerebbe CCU). Dotata del suo particolare carico e dell’anticodone corrispondente, una molecola di tRNA può leggere il suo codone mRNA riconosciuto e portare l’amminoacido corrispondente alla catena di crescita (Figura 3.4.4).

La parte superiore di questa figura mostra una grande subunità ribosomiale che entra in contatto con l'mRNA che ha già la piccola subunità ribosomiale attaccata. Un tRNA e un anticodon sono nelle vicinanze. Nel secondo pannello, il tRNA si lega anche allo stesso sito delle subunità ribosomiali. Nel pannello inferiore, viene mostrata una catena polipeptidica che emerge dal complesso.
Figura 3.4.4 – Traduzione da RNA a proteina: Durante la traduzione, la trascrizione dell’mRNA viene “letta” da un complesso funzionale costituito dal ribosoma e dalle molecole di tRNA. I TRNA portano gli amminoacidi appropriati in sequenza alla catena polipeptidica in crescita abbinando i loro anti-codoni con i codoni sul filamento di mRNA.

Proprio come i processi di replicazione e trascrizione del DNA, la traduzione consiste in tre fasi principali: iniziazione, allungamento e terminazione. L’iniziazione avviene con il legame di un ribosoma a una trascrizione dell’mRNA. Lo stadio di allungamento comporta il riconoscimento di un anticodone tRNA con il successivo codone mRNA nella sequenza. Una volta che le sequenze di anticodone e codone sono legate (ricordate, sono coppie di basi complementari), il tRNA presenta il suo carico di aminoacidi e il filamento polipeptidico in crescita è attaccato a questo amminoacido successivo. Questo attaccamento avviene con l’assistenza di vari enzimi e richiede energia. La molecola di tRNA rilascia quindi il filamento di mRNA, il filamento di mRNA sposta un codone nel ribosoma e il successivo tRNA appropriato arriva con il suo anticodone corrispondente. Questo processo continua fino a raggiungere il codone finale sull’mRNA che fornisce un messaggio “stop” che segnala la cessazione della traduzione e innesca il rilascio della proteina completa, appena sintetizzata. Pertanto, un gene all’interno della molecola di DNA viene trascritto in mRNA, che viene poi tradotto in un prodotto proteico (Figura 3.4.5).

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Questo video ti mostrerà gli importanti enzimi e biomolecole coinvolti nel processo di traduzione, che utilizza l’mRNA per codificare una proteina.

Questa figura mostra uno schema di una cellula in cui la trascrizione dal DNA all'mRNA avviene all'interno del nucleo e la traduzione dall'mRNA alla proteina avviene nel citoplasma.
Figura 3.4.5-Dal DNA alla proteina: trascrizione attraverso la traduzione: La trascrizione all’interno del nucleo cellulare produce una molecola di mRNA, che viene modificata e quindi inviata nel citoplasma per la traduzione. La trascrizione viene decodificata in una proteina con l’aiuto di un ribosoma e molecole di tRNA.

Comunemente, una trascrizione di mRNA sarà tradotta simultaneamente da parecchi ribosomi adiacenti. Ciò aumenta l’efficienza della sintesi proteica. Un singolo ribosoma potrebbe tradurre una molecola di mRNA in circa un minuto; quindi più ribosomi a bordo di una singola trascrizione potrebbero produrre più volte il numero della stessa proteina nello stesso minuto. Un poliribosoma è una serie di ribosomi che traducono un singolo filamento di mRNA.

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Guarda questo video per conoscere i ribosomi. Il ribosoma si lega alla molecola di mRNA per iniziare la traduzione del suo codice in una proteina. Cosa succede alle piccole e grandi subunità ribosomiali alla fine della traduzione?

Capitolo Recensione

Il DNA memorizza le informazioni necessarie per istruire la cellula a svolgere tutte le sue funzioni. Le cellule usano il codice genetico immagazzinato all’interno del DNA per costruire proteine, che alla fine determina la struttura e la funzione della cellula. Questo codice genetico si trova nella particolare sequenza di nucleotidi che compongono ciascun gene lungo la molecola del DNA. Per “leggere” questo codice, la cella deve eseguire due passaggi sequenziali. Nella prima fase, la trascrizione, il codice del DNA viene convertito in un codice RNA. Una molecola di RNA messaggero che è complementare a un gene specifico viene sintetizzata in un processo simile alla replicazione del DNA. La molecola di mRNA fornisce il codice per sintetizzare una proteina. Nel processo di traduzione, l’mRNA si attacca a un ribosoma. Successivamente, le molecole di tRNA spostano gli amminoacidi appropriati al ribosoma, uno per uno, codificati da codoni sequenziali di triplette sull’mRNA, fino a quando la proteina non è completamente sintetizzata. Una volta completato, l’mRNA si stacca dal ribosoma e la proteina viene rilasciata. In genere, più ribosomi si attaccano a una singola molecola di mRNA contemporaneamente in modo tale che più proteine possano essere prodotte dall’mRNA contemporaneamente.

Domande di revisione

Domande di pensiero critico

Spiega brevemente le somiglianze tra trascrizione e replicazione del DNA.

La trascrizione e la replicazione del DNA coinvolgono entrambi la sintesi di acidi nucleici. Questi processi condividono molte caratteristiche comuni-in particolare, i processi simili di iniziazione, allungamento e terminazione. In entrambi i casi la molecola di DNA deve essere distorta e separata, e il filamento di codifica (cioè senso) verrà utilizzato come modello. Inoltre, le polimerasi servono per aggiungere nucleotidi al filamento di DNA o mRNA in crescita. Entrambi i processi vengono segnalati per terminare una volta completati.

Contrasto trascrizione e traduzione. Nome almeno tre differenze tra i due processi.

La trascrizione è davvero un processo di “copia” e la traduzione è davvero un processo di “interpretazione”, perché la trascrizione comporta la copia del messaggio di DNA in un messaggio di RNA molto simile mentre la traduzione comporta la conversione del messaggio di RNA nel messaggio di aminoacidi molto diverso. I due processi differiscono anche nella loro posizione: la trascrizione avviene nel nucleo e la traduzione nel citoplasma. Anche i meccanismi con cui vengono eseguiti i due processi sono completamente diversi: trascrizione utilizza enzimi polimerasi per costruire mRNA mentre traduzione utilizza diversi tipi di RNA per costruire proteine.

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