Le Funzioni del Ribosoma PDF - Genetica 16/10/2023

MATERIA: GENETICA DATA: 16/10/2023 DOCENTE: G. CALABRESE LE FUNZIONI DEL RIBOSOMA Il professore inizia la lezione spiegando che la traduzione, secondo alcuni, potrebbe funzionare anche senza i ribosomi. In teoria, se si prende una prove a e si me ono insieme gli enzimi della sintesi proteica, un...

MATERIA: GENETICA DATA: 16/10/2023 DOCENTE: G. CALABRESE LE FUNZIONI DEL RIBOSOMA Il professore inizia la lezione spiegando che la traduzione, secondo alcuni, potrebbe funzionare anche senza i ribosomi. In teoria, se si prende una prove a e si me ono insieme gli enzimi della sintesi proteica, una grande quan tà di tRNA con tu gli amminoacidi lega e la molecola di mRNA, a 37 gradi cen gradi (temperatura fisiologica della nostra specie) la sintesi proteica funziona: si legano più amminoacidi tra di loro in base agli appaiamen del tRNA con le triple e dell’mRNA. Sembrerebbe quindi che il ribosoma non serva. In realtà questo non è possibile, perché durante la sintesi proteica fisiologica il ribosoma si dimostra indispensabile. All’inizio del processo di traduzione, l’mRNA si inserisce nella subunità minore (18S) del ribosoma sfru ando un pezzo dell’mRNA all’estremità 5’ che non viene trado o e che si trova a monte del filamento stesso. In questa maniera la prima triple a che deve essere trado a in amminoacido sarà posizionata in corrispondenza del sito P. Se non ci fosse la subunità minore, accadrebbe ciò che avviene in immagine: In pra ca, l’uracile potrebbe essere l’ul mo nucleo de della triple a AAU, oppure il secondo nucleo de della triple a AUC o ancora potrebbe essere il primo nucleo de della triple a UCG. Solo grazie al fa o che l’mRNA si inserisce in modo tale che i suoi primi due codoni corrispondano ai si P e al sito A, che si ha una sintesi proteica efficace, che perme e di leggere l’mRNA corre amente in corrispondenza di tu e le triple e codifican. L’altro processo controllato dal ribosoma è quello di leggere in sequenza una dietro l’altra le triple e presen sull’mRNA. Una volta iden ficate le prime tre triple e, il ribosoma svolge anche il compito di leggerle solo in sequenza. Le triple e consecu ve verranno le e dal ribosoma con la loro sequenza, altrimen cosa accadrebbe? Se non ci fosse il ribosoma, ammesso che tu i tRNA si appaiano corre amente dal primo al ventunesimo codone, e tu gli altri proseguano fino al cinquantaseiesimo codone, e così poi a valle, può accadere che, poiché nella cellula l’mRNA messaggero non è una re a perfe a ma si dispone nello spazio tridimensionale, l’mRNA si ripieghi su se stessa e che due amminoacidi codifica da due triple e molto lontane tra di loro, come la triple a 21 e la triple a 57, si ritrovino a una distanza ideale per perme ere all’enzima pep dil- transferasi di legare fra loro ques due amminoacidi. Il risultato è una proteina che con ene tu gli 1 amminoacidi corre amente inseri fino al 21esimo, a cui segue però l’amminoacido 57 e tu gli altri a valle. Quindi si o ene una proteina molto più corta, con la perdita di una elevata sequenza di amminoacidi e la possibilità che questa perdita sia deleteria per la proteina. Uno studente chiede di ripetere quest’ul ma parte: la molecola di mRNA dentro il citoplasma, se non avesse il ribosoma come supporto, sarebbe come una sorta di “stella filante” perché nello spazio tridimensionale può ripiegarsi tranquillamente. Di conseguenza può accadere che anche se i tRNA si fossero appaia tu corre amente, poiché la molecola di mRNA è ripiegata su stessa, due amminoacidi i cui codoni sono tra di loro lontanissimi, potrebbero avvicinarsi a quella distanza cri ca per cui l’enzima che dovrebbe catalizzare il legame pep dico tra i due amminoacidi con gui (tra il 21esimo e il 22esimo), catalizzi invece il legame pep dico tra il 21esimo e il 57esimo amminoacido. Quindi tu gli amminoacidi dei tRNA che si sono appaia lungo il tra o di mRNA compreso tra il 21esimo e il 57esimo codone, sarebbero esclusi, o anche se venissero lega tra di loro, non sarebbero lega alla proteina. Il ribosoma è quindi il supporto rigido indispensabile per la corre a e ordinata sintesi degli amminoacidi nella proteina codificata dall’mRNA. In sintesi è importante per: 1. Selezione della triple a/codone 2. Le ura in sequenza dei codoni Conoscendo i meccanismi molecolari alla base del processo di biosintesi delle proteine, sono sta proge a dei farmaci che hanno la capacità di interferire con i vari passaggi lega alla sintesi proteica (riconoscimento dei tRNA con i si A del ribosoma, lo scorrimento del ribosoma lungo la molecola di mRNA ecc…). - La streptomicina, an bio co storico, determina un blocco della sintesi in corrispondenza del primo amminoacido. Questa molecola chimica è capace di alterare la specificità dell’appaiamento tra il tRNA della me onina e la triple a specifica della me onina sull’mRNA. L’inibizione è tale che la sintesi proteica viene rallentata enormemente, per cui l’organismo che stava cercando di sinte zzare quella proteina, un ba erio, avrà grandi difficolta, non potendo produrre proteine, a replicare se stesso. - La tetraclicina si comporta in maniera simile in quanto interferisce la sintesi proteica inibendo l’a acco del tRNA in corrispondenza del sito A del ribosoma. Le tetraclicine si inseriscono nel sito A e bloccano la sintesi proteica perché il tRNA non ha la possibilità di raggiungere la triple a complementare sull’mRNA. - Il cloramfenicolo/lincomicina agisce inibendo la pep dil-transferasi, ovvero inibisce il legame tra i due amminoacidi presen uno sul tRNA del sito P e l’altro sul tRNA del sito A. I due tRNA hanno trovato i codoni complementari ai propri an codoni, ma non avviene il legame fra gli amminoacidi trasporta. - L’eritromicina, ed altri farmaci simili che hanno il vantaggio di essere poco tossici anche in epoca fetale, blocca la traslocazione del tRNA che trasporta tu a la catena pep dica nascente dal sito A al sito P. Il risultato anche qui è il blocco della sintesi proteica. Se si prende un farmaco che ha lo stesso meccanismo della streptomicina, e si osserva che il paziente non migliora, bisogna scegliere un an bio co con un meccanismo di azione differente. 2 Gli an bio ci hanno risolto mol casi di infezione ba erica, ma negli ul mi quindici anni l’impiego eccessivo di ques ha generato ba eri molto resisten , capaci di resistere alla loro azione. Se ques an bio ci agiscono bloccando la sintesi proteica, come mai la bloccano solo per i ba eri e non per le cellule del nostro organismo? Come accade che questo meccanismo di blocco sia capace di selezionare la sintesi proteica ba erica da quella delle cellule dell’ospite infe ato? Questa selezione si basa non solo sulla conoscenza molecolare della sintesi proteica dei ba eri, ma anche sul fa o che esistono delle piccole differenze nel codice gene co, genericamente ritenuto universale, tra quello che u lizza il ba erio e quello che u lizza la cellula eucario ca. Un’altra differenza tra i ba eri e la cellula eucario ca sta nelle dimensioni, nella forma e nella cos tuzione dei ribosomi. Su queste differenze si o ene la selezione dell’organismo da inibire nella sua sintesi proteica. Da questa immagine no amo che gli amminoacidi hanno codoni diversi tra ba erio e cellula eucario ca. La me onina per i proca o ha due triple e, mentre il triptofano ha una triple a, UGA, che per gli eucario è una triple a di stop. Ma perché allora se prendiamo un an bio co per via di un ascesso dentario o una tonsillite, che comba e l’infezione ba erica, siamo più deboli, abbiamo problemi di concentrazione e di tono muscolare? Nella nostra cellula c’è un organismo, de o endosimbiote, ovvero il mitocondrio, che si ri ene sia un ba erio an chissimo che è stato fagocitato da una cellula che poi sarebbe diventata cellula eucario ca e, poiché era capace di fissare l’ossigeno e sfru arlo per accumulare energia, è stato tra enuto da questa cellula. L’origine dei mitocondri è quindi sempre ba erica. Di conseguenza i mitocondri hanno dei propri ribosomi simili a quelli ba erici e a non quelli eucario ci e un codice gene co diverso da quello usato dalla sintesi proteica citoplasma ca. Proprio essi risultato intossica dal tra amento con gli an bio ci. Le nostre cellule avvertono la funzione dell’an bio co perché non sono in grado di produrre tu a l’energia di cui hanno bisogno. Ed è questo il mo vo per cui non si hanno delle grandi performance durante una terapia an bio ca, anzi, questo potrebbe addiri ura alterare la stru ura delle fibre muscolari, che potrebbero trasformarsi in parte in tessuto conne vo a causa di mancanza di energia. Quando si prescrivono gli an bio ci, si deve evitare di compiere intense a vità. 3 ORGANIZZAZIONE DEL GENOMA Che differenza c’è tra genoma, codice gene co e geni? - Il genoma è l’insieme di tu e le sequenze di DNA presen nel nucleo delle nostre cellule, sia le sequenze trascri e e trado e, sia sequenze regolatorie non trascri e che svolgono funzioni “aggiun ve” rispe o a quelle dei classici geni. Se il nostro genoma con ene sei miliardi e qua rocentomilioni di nucleo di, l’insieme di tu i nucleo di delle sequenze di DNA presen nelle nostre cellule cos tuiscono il genoma. La maggior parte del genoma è cos tuita da sequenze che aiutano le poche sequenze trascri e a funzionare corre amente. - Il codice gene co è la corrispondenza tra le triple e di nucleo di e gli amminoacidi - I geni sono quelli che vengono trascri e trado *Numero massimo di geni assumendo che tutto il DNA codifica proteine con peso molecolare medio di 400000, cioè contenenti circa 400 aminoacidi e codificate da 1200 nucleotidi Questa è una tabella che compara le dimensioni del genoma di varie specie. 1. L’Escherichia Coli è un ba erio saprofita che convive nel nostro intes no, il cui genoma con ene circa 4milioni di nucleo di. Questo genoma, se si prendesse una molecola di DNA del ba erio e la si misurasse, è una molecola lunga poco meno di 1,5 mm. Considerando che una proteina è cos tuita da 400 aminoacidi e che ciascun aminoacido è codificato da tre nucleo di, il tra o di DNA di cui si ha bisogno con ene 1200 nucleo di. Basterà confrontare il numero di coppie di basi della molecola di DNA del ba erio per il numero di nucleo di necessari per ogni proteina, e si arriva alla cifra di 3000 geni localizza nel genoma del ba erio. 2. Il lievito è un fungo unicellulare che serve per la produzione della birra e la lievitazione del pane. Il DNA del lievito è circa tre volte quello del ba erio e ha una lunghezza di circa 4,5 mm. Mantenendo il paragone, si dovrebbe a endere che il genoma del lievito contenga le sequenze per codificare circa 11mila proteine, cifra esagerata perché estraendo proteine dai lievi , non si arriva a tale numero. 3. La Drosofila, il moscerino della fru a, ha un genoma cos tuito da 165milioni di coppie di basi, la lunghezza del DNA è 10 volte superiore a quella del lievito e mantenendo il paragone tra il numero di nucleo di del genoma e il numero di proteine che possono essere codificate da quel genoma si arriva alla cifra di 138mila proteine diverse. Anche in questo caso non si arriverà mai a tale cifra. 4. Il genoma dell’uomo è molto più grande, il numero di geni che potrebbero essere codifica in proteine dovrebbero essere oltre un milione e mezzo. Nell’uomo però non esiste una cosi grande quan tà di proteine differen. Come mai questo accade? L’organizzazione del genoma è una sorta di “anatomia” delle molecole di DNA presen nelle cellule dei vari organismi, e a seconda della semplicità o complessità dell’organismo si o engono genomi più semplici o complessi. Osservando la tabella si direbbe che all’aumentare della dimensione dell’individuo aumenta la quan tà dei nucleo di, ma non sempre è cosi (alcune lumache hanno un genoma quasi 100 volte più grande del nostro). 4 ORGANIZZAZIONE DEL GENOMA PROCARIOTICO Il ba erio presenta un genoma principale cos tuito da una molecola circolare che occupa una porzione centrale del ba erio de o nucleoide. Questa molecola di DNA circolare è lunga circa 1,5 mm, è cos tuita da circa un milione paia di basi e presenta un unico sito di replicazione. Essendo circolare, la molecola non presenta estremità, non ha né un inizio né una fine, quindi non ha stru ure par colari che invece hanno i cromosomi lineari come i nostri, ovvero le regioni dei telomeri e non hanno nemmeno il centromero, perché il meccanismo di suddivisione del materiale gene co nelle cellule figlie è completamente diverso da quello che avviene nelle cellule eucario che. A questo genoma principale se ne aggiunge uno opzionale, secondario, non presente in tu e le cellule ba eriche. La molecola di DNA è sempre circolare ma mille volte più piccola della molecola principale. Questa molecola corrisponde al plasmide, che con ene geni per la resistenza agli an bio ci, ed è questa la cara eris ca che ha permesso ai ricercatori di scoprirlo: differenziare il genoma dei ba eri resisten da quelli non resisten grazie alla presenza di ques geni contro l’a vità degli an bio ci. Il plasmide inoltre è trasferibile da una cellula ba erica ad un’altra (questo è alla base della diffusione dell’an bio co-resistenza presente in ambito ospedaliero), talvolta ad una cellula eucario ca (virus). 5