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dal DNA alle proteine (infermieristica) ...

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TRASCRIZIONE: La trascrizione è il passaggio dell’informazione dalla molecola di DNA alla molecola di RNA. La traduzione è il passaggio dell’informazione dalla molecola di RNA alle proteine (da 4 basi azotate a 20 aminoacidi diversi). Procarioti: sia la trascrizione che la traduzione avvengono a livello del citoplasma Eucarioti: la trascrizione avviene nel nucleo mentre la traduzione avviene a livello dei ribosomi e del citoplasma. Per trascrizione si intende la trascrizione di una sequenza nucleotidica di DNA in una sequenza nucleotidica di RNA (acido ribonucleico è un polimero di nucleotidi a singolo filamento. Funge da intermediario tra il DNA e le proteine. L’RNA è quello che fornisce le informazione per dirigere la sintesi proteica). In parole più semplici la trascrizione è la sintesi di RNA a partire da un stampo di DNA. L’RNA che verrà prodotto si distingue in: -

RNA codificante che coincide con l’RNA messaggero. RNA messaggero contiene istruzioni per la sintesi delle proteine ed è l’unico che viene tradotto in proteina. RNA non codificante che si distinguono in UBIQUITARI: presenti in tutti i tipi cellulari che sono indispensabili per la maturazione e traduzione degli RNA ribosomiali, transfer e small-nuclear. e REGOLATORI: regolano l’espressione genetica e la stabilità degli RNA messaggeri. sono i microRNA di circa 20 nucleotidi e i long-non-coding RNA.

L’RNA viene prodotto utilizzando uno stampo di DNA che prende nome di unità trascrizionale: -

Nei procarioti essa è compresa tra il sito d’inizio trascrizione e il terminatore. Ad ogni unità corrisponde un frammento di RNA. Ogni unità può portare informazioni di più geni e può codificare per più proteine. Queste unità presentano una sequenza di DNA al quale l’RNA polimerasi si lega inizialmente è detta PROMOTORE che appunto si trova primo del sito d’inizio e che non viene trascritta; e inoltre serve per indicare all’apparato di trascrizione in che punto esattamente deve iniziar il processo e quale dei 2 filamenti usare come stampo ecco perché prende la funzione di regolatrice.

Negli eucarioti, invece, ogni unità di trascrizione contiene le informazioni di un unico gene detta unità trascrizionale che coincide con il gene e che codifica per un’unica proteina. Anche qui è presente il promotore e si trova nello stesso punto. Non tutto l’RNA messaggero viene tradotto in proteina infatti l’RNA messaggero viene diviso in esoni (porzioni del gene che vengono trascritte e tradotte in proteina) e introni (sequenze trascritte ma non vengono tradotte in proteina perché vengono eliminate durante il processo di maturazione). All’estremità 5’ del gene è presente una sequenza che prende nome di 5’ UTR (regione non tradotta) che non viene eliminata MA è presente nell’RNA maturo. Non vengono tradotte perché hanno funzioni regolatrici. La trascrizione si divide in 3 fasi: 1. Fase di inizio Sono trascritti tre tipi specifici di molecole di RNA: RNA messaggero, RNA di trasferimento e RNA ribosomiale. L’RNA messaggero (mRNA) consiste in un singolo filamento che porta l’informazione per la sintesi di una proteina. L’RNA di trasferimento o RNA transfer (tRNA) consiste in un singolo filamento che si ripiega su se stessa

L’RNA è tradotto per sintetizzare un polipeptide: passaggio dell’espressione genica, con cui l’informazione trascritta nell’mRNA è utilizzata per specificare la sequenza degli aminoacidi di un polipeptide. Questo processo è chiamato traduzione in quanto è la trasformazione del linguaggio a nucleotidi presente nell’mRNA nel linguaggio degli aminoacidi della proteina. Una sequenza di tre basi consecutive nell’mRNA, chiamata codone, specifica per un aminoacido. Ciascun codone richiede 3 nucleotidi, il codice è chiamato “codice a triplette”. Insieme dei codoni per gli aminoacidi e per i segnali di inizio e di terminazione della sintesi costituisce il codice genetico. Gli tRNA connettono gli aminoacidi e gli acidi nucleici in quanto può: 1 Legarsi con un aminoacido specifico e 2 Riconoscere sull’mRNA i codone corrispondente a quel determinato aminoacido. Il ciconoscimento del codone è possibile perché ciascun tRNA ha una sequenza di 3 basi chiamata anticodone, che si associa mediante legame a idrogeno al codone corrispondente sull’mRNA seguendo il principio della complementarietà delle basi. La traduzione richiede che: 1. Gli anticodoni del tRNA siano legati mediante legami ad idrogeno al codone complementare presente sull’mRNA 2. Gli aminoacidi portati dai tRNA devono essere uniti insieme nell’ordine specifico dall’mRNA. A ciò provvedono i ribosomi, organuli complessi costituiti da due differenti subunità, contenenti ciascuna varie proteine e RNA. I ribosomi si attaccano all’estremità 5’ dell’mRNA e, scorrendo lungo il messaggero, permettono ai tRNA di legarsi in sequenza ai codoni dell’mRNA. Gli aminoacidi vengono posizionati correttamente e legati tra loro nella giusta sequenza tramite legami peptidici per formare un polipeptide.

LA TRASCRIZIONE Il primo passaggio del flusso di informazione dal DNA al polipeptide è la trascrizione di una sequenza nucleotidica di RNA. Nella trascrizione eucariotica, la maggior parte degli RNA è sintetizzata da una delle 3 RNA polimerasi che sono enzimi presenti in tutte le cellule. Le tre RNA polimerasi differiscono per i tipèi di RNA che sintetizzano: -

L’RNA polimerasi I catalizza la sintesi di vari tipi di molecole di RNA, che sono componenti dei ribosomi

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RNA polimerasi II catalizza la produzione degli mRNA che codificano per le proteine

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RNA polimerasi III catalizza la sintesi dei tRNA e una delle molecole di rRNA

L’RNA polimerasi effettua la sintesi nella direzione 5’ ai 3’, cioè partono dall’estremità 5’ delle molecole di RNA da sintetizzare e proseguono aggiungendo nucleotidi all’estremità 3’ finchè la molecola non è completa. L’RNA polimerasi usano, nucleotidi con tre gruppi fosfato, rimuovendo due dei fosfati, legano covalentemente le subunità nucleotidiche all’estremità 3’ dell’RNA. I due filamenti sono antiparalleli. Anche il filamento del DNA trascritto e il filamento dell’RNA complementare sono antiparalleli. Quindi durante la trascrizione l’RNA sintetizzato in direzione 5’ai 3’ e lo stampo di DNA è letto in direzione 3’ 5’.

LA SINTESI DELL’RNA MESSAGGERO INCLUDE L’INIZIO L’ALLUNGAMENTO E LA TERMINAZIONE Sia nei procarioti che negli eucarioti la sequenza di DNA al quale L’RNA polimerasi inizialmente che si lega è definita promotore. I promotori sono localizzati sul DNA appena a monte del punto di inizio della trascrizione. Quando la RNA polimerasi ha riconosciuto il corretto promotore, srotola la doppia elica e inizia la trascrizione. La sintesi dell’RNA non richiede un primer. Il primo nucleotide all’estremità 5’ della molecola di mRNA in corso di sintesi trattiene il gruppo trifosfato, mentre nella fase di allungamento due fosfati vengono rimossi da ogni nucleotide successivamente incorporato all’estremità 3’. L’allungamento dell’RNA prosegue fino a che l’RNA polimerasi riconosce un segnale diu terminazione, che consiste in una specifica sequenza di basi sul DNA stampo. Questo segnale determina il distacco dell’enzima sia dal DNA stampo che dall’RNA non sintetizzato. La terminazione della trascrizione avviene in modi diversi nei procarioti e negli eucarioti. Nei procarioti, la trascrizione termina alla fine della sequenza di terminazione. Quando la RNA polimerasi arriva rilascia sia il DNA stampo che il nuovo filamento di RNA. Nelle cellule eucariotiche, L’RNA polimerasi aggiunge nucleotidi alla molecola di mRNA anche dopo aver oltrepassato il segnale di terminazione. L’RNA MESSAGGERO CONTIENE SEQUENZE DI BASI CHE NON CODIFICANO DIRETTAMENTE PER LA PROTEINA Sia nei procarioti che negli eucarioti, l’RNA polimerasi inizia la trascrizione di un gene a monte delle sequenze codificanti. Il risultato è che l’RNA messaggero possiede, alla sua estremità 5’, una sequenza leader non codificante. Tale sequenza contiene segnali di riconoscimento per il legame con il ribosoma che consentono al ribosoma di posizionarsi correttamente per iniziare la traduzione del messaggio. La sequenza leader è seguita dal codone di inizio, che indica l’inizio della sequenza codificante che contiene gli effettivi messaggi per il polipeptide. Alla fine di ciascuna sequenza codificante, vi è uno speciale codone di stop o di terminazione. I codoni stop sono presenti sia nei procarioti che negli eucarioti. GLI mRNA EUCATRIOTICI SONO MODIFICATI DOPO LA TRASCRIZIONE E PRIMA DELLA TRADUZIONE Negli eucarioti il trascritto originale detto mRNA precursore o pre-mRNA, deve3 essere modificato mentre è ancora nel nucleo. Questa attività di maturazione e modificazione post-tra-scrizionale è necessario per produrre un mRNA maturo idoneo a essere trasportato nel citoplasma e tradotto. Negli eucarioti il processo di modificazione del messaggi inizia durante la trascrizione, quando l’mRNA è lungo circa 20-30 nucleotidi. Enzimi specifici aggiungono un cappuccio (5’ cap) all’estremità della catena di mRNA. Il cap è costituito da un nucleotide insolito, la 7-metilguanosina, che è legato al trascritto di mRNA attraverso tre gruppi fosfato. I ribosomi eucariotici non possono legarsi a un RNA messaggero privo di cappuccio. Una seconda modifica al messaggero eucariotico, nota come poliadeninazione, si verifica all’estremità 3’ della molecola. Vicino all’estremità 3’ di ciascun RNA messaggero completo si trovano le sequenze di basi che servono da segnale per l’aggiunta di una coda nota come il termine di coda di poli-A (poliadenilata). Entro un minuto dalla sintesi del trascritto, enzimi specifici riconoscono nel nucleo questo segnale di poliadenizzazione e tagliano la molecola di mRNA nel sito corrispondente. A ciò segue l’aggiunta di un filamento di 100-250 nucleotidi di adenina all’estremità 3’. Funzioni della coda sono : Aiutare ad asportare l’MRNA dal nucleo, proteggere alcuni mRNA dalla degradazione nel citoplasma e favorisce un efficiente inizio della traduzione aiutando i ribosomi a riconoscere l’mRNA.

DAI GENI EUCARIOTICI VENGONO TRASCRITTE SEQUENZE NON CODIFICANTI E CODIFICANTI Possiamo trovare lunghe sequenze di basi all’interno delle regioni codificanti del gene. Tale regioni non codificanti all’interno del gene sono chiamate introni, per contrapporre agli esoni che sono parte di sequenze codificante la proteina. Quando un gene contiene introni è trascritto, l’intero gene viene copiato in una lunga mo0lecola di RNA chiamata mRNA precursore che contiene sia esoni che gli introni. Perché il pre RNA diventi RNA messaggero funzionale, è necessario non solo che venga munito dal cappuccio e dalla coda di poli-A, ma anche chen siano rimasti gli introni e che siano uniti insieme gli esoni attraverso un processo definito splicing. Lo splicing può venire con modalità diverse a seconda del tipo di RNA. Esso prevede lò’associazione di piccoli complessi di ribonucleoprteine nucleari (snRNP) a formare una grossa particella ribonucleoproteica detta splicesoma. Lo splicesoma catalizza la reazione e porta la rimozione degli introni dal pre-mRNA e alla saldatura di esoni adiacenti. In altri casi l’RNA all’interno si comporta come un ribozima(RNA catalitico), tagliando se stesso senza l’intervento di uno spliceosoma o enzimi proteici. Riassunto slide La trascrizione consiste in tre passaggi • Inizio: attacco della RNA polimerasi a specifiche regioni del DNA: promotori (nei procarioti) • attacco della RNA polimerasi a fattori di trascrizione (proteine) legate ai promotori (negli eucarioti) • Allungamento: sintesi di una catena di RNA a partire dall’estremità 3’ del DNA stampo mediante aggiunta di un nucleotide alla volta • Termine: distacco della molecola di RNA neosintetizzata, trascritta, quando la RNA pol incontra sul DNA altre sequenze specifiche: terminatori La TRASCRIZIONE è operata da specifici enzimi, RNA Polimerasi, che: •Riconoscono specifici siti (sequenze di basi) sul DNA (promotori) (direttamente o indirettamente) •Operano in direzione 5’ 3’ sulla molecola di DNA stampo •Aggiungono un nucleotide alla volta seguendo il principio di complementarietà delle basi dettato dal DNA stampo TRADUZIONE La traduzione rappresenta un processo di trasferimento dell’informazione genetica, che comporta la conversione del codice 4 basi azotate dell’acido nucleico nell’alfabeto a 20 aminoacidi polipeptidi . La traduzione implica il lavoro coordinato dei più di 100 tipi diversi di marcomolecole, quali le proteine e gli RNA dei ribosomi, l’mRNA e gli aminoacidi legati al tRNA. Le proteine sono copstituite da aminoacidi legati insieme da legami peptidici, questo legame avviene tra il gruppo amminico e il gruppo carbossilico di due aminoacidi adiacenti. UN AMINOAC IDO DEVE ESSERE LEGATO AL SUO SPECIFICO tRNA PRIMA DI ESSERE INCORPORATO IN UN POLIPEPTIDE Il DNA contiene particolari geni per tRNA transfer che danno origine ai tRNA. Ciascun tipo di molecola di tRNA si lega uno specifico aminoacido, particolari enzimi chiamati aminoacil-tRNA sintetasi, legano gli aminoacidi alle rispettive molecole di tRNA utilizzando l’ATP come fonte di energia. I complessi che ne risultano, sono chiamati aminoacil-tRNA, che sono in grado di legarsi alle sequenze codificanti dell’RNA messaggero cosi da allineare gli aminoacidi nel giusto ordine e formare la catena polipeptidica.

I tRNA sono catene polinucleotidiche di circa 70\80 catene nucleotidiche. Ogni molecola di tRNA deve avere diverse proprietà specifiche: 1. Deve possedere un anticodone cioè una specifica sequenza che possa legarsi al codone complementare presente sull’mRNA 2. Deve essere riconosciuta una specifica aminoacil-tRNA sintetasi che lega il corretto aminoacido 3. Deve possedere una regione che funga da attacco per l’aminioacido specifico dell’anticodone deve essere riconosciuta dai ribosomi LA TRADUZIONE COMINCIA CON LA FORMAZIONE DI UN COMPLESSO DI INIZIO Il processo di sintesi proteica presenta tre fasi distinte: inizio, cicli ripetuti di allungamento e terminazione. L’inizio della traduzione richiede l’intervento di proteine chiamati fattori di inizio, che si attaccano alla subunità ribosomiale minore. Il tRNA che porta il primo aminoacido del polipeptide è i tRNA iniziatore, che lega l’aminocido metionina; il primo aminoacido di una nuova catena polipeptidica è la metionina. Nei procarioti, la metionina di inizio è modificata mediante l’aggiunta di un gruppo carbonilico derivato dall’acido formico, ed è chiamata Nformilmetionina (fMet). Il complesso di inizio è completo quando la subunità ribosomiale mggiore si lega alla subunità minore e vengono rilasciati i rimanenti fattori di inizio. Negli eucarioti, la metionina legata al tRNA iniziatore non è modificata. La subunità minore, insieme a circa 10 fattori proteici di inizio, forma un complesso di inizio che si lega al cap 5’ dell’Mrna. Questo complesso si sposta lungo la sequenza leader non codificante secondo un meccanismo a cricchetto ATP-dipendente fino a raggiungere il codone di inizio che si trova all’interno della traduzione. A questo punto, l’intero ribosoma è assemblato per iniziare la traduzione. Il processo di assemblaggio del ribosoma sia nei procarioti che negli eucarioti richiede energia da parte della guanosina trifosfato (GTP), una molecola di trasferimento di energia simile all’ATP. DURANTE L’ALLUGAMENTO, GLI AMINOACIDI VENGONO AGGIUNTI ALLA CATENA PLIPEPTIDICA IN CRESCITA Il ciclo di allungamento, ossia la fase della trdduzione in cui gli aminoacidi sono aggiunti uno a uno al polipeptide in crescita. L’aminoacil-tRNA specifico riconosce il codone nel sito A e vi si lega tramite uno specifico appaiamento di basi tra il suo anticodone e il codone complementare sull’mRNA. La fase di legame richiede diverse proteine chiamate fattori di allungamento. È richiesta anche energia, che è fornita dalla guanosina trifosfato (GTP), una molecola di trasferimento dell’energia simile all’ATP. Il gruppo amminico dell’aminoacido posto sul sito A è ora allineato con il gruppo carbossilico dell’aminoacido precedente che si trova sul sito P. durante questo processo l’aminoacido sul sito P viene rilasciato dal suo tRNA e viene legato all’aminoacil-tRNA posto sul sito A. Nella fase di allungamento, nota anche come traslocazione, il ribosoma scorre sull’mRNA avanzando di un singolo codone. Il codone dell’mRNA che specifica per l’aminoacido successivo si trova posizionato nel sito A, non più occupato dal tRNA in seguito all’avanzamento del ribosoma. Il processo di traslocazione richiede energia, che è di nuovo fornita dal GTP. Poiché la traslocazione comporta il movimento del ribosoma lungo la molecola di mRNA in direzione 3’, la traduzione procede sempre in direzione 5’ ai 3’. UNO DEI TRE CODONI DI STOP SEGNALA LA TERMINAZIONE DELLA TRADUZIONE Nella terminazione, la fase finale della traduzione, la sintesi della catena polipeptidica è terminata da un fattore di rilascio, una proteina che riconosce il codone stop alla fine di ogni sequenza. Ogni mRNA è tradotto un numero limitato di volte prima di essere distrutto.

Proteine specializzate associate ai ribosomi, dette chaperoni molecolari, assistono le catene polipeptidiche appena sintetizzate nel processo di ripiegamento nella loro conformazione tridimensionale attiva. LE VARIAZIONI DELL’ESPRESSIONE GENICA Oltre a mRNA, rRNA e tRNA, le cellule eucariotiche contengono vari altri tipi di RNA non codificati proteine che costituiscono una parte essenziale del complesso sistema coinvolto nel controllo dell’espressione genica, nella regolazione delle attività cellulari e nella regolazione dello sviluppo. MOLTI GENI EUCARIOTICI PRODUCONO RNA “NON CODIFICANTI” CHE HANNO FUNZIONE CATALITICA, FUNZIONE REGOLATORIA O ALTRE FUNZIONI CELLULARI Piccoli RNA nucleari (snRNP) si legano a specifiche proteine per ormare un complesso di piccole ribonucleoproteine nucleari (snRNP), che a sua volta si combina con altre snRNP per formare un splicesoma catalizza la rimozione degli introni. (Come avviene lo splicing? • snRNP riconoscono le terminazioni degli introni ed unitamente ad altre proteine formano una struttura chiamata spliceosoma • Lo spliceosoma rimuove gli introni ed unisce fra loro gli esoni) slide Alcuni polipeptidi entrano nel reticolo endoplasmatico nel corso della loro sintesi. A tal riguardo un ruolo importante è giocato da un RNA della particella di riconoscimento del segnale RNA (SRP RNA), che in combinazione con alcune proteine, dirige il complesso ribosoma-mRNA-polipeptide al RE rugoso poco dopo l’inizio della traduzione. I microRNA (miRNA) sono molecole di RNA a singolo filamento che inibiscono la traduzione di mRNA in numerosi processi biologici. I microRNA sono trascritti da geni e poi accorciati, prima della loro combinazione con proteine. Un gene può essere definito come una sequenza nucleotidica di DNA che porta l’informazione necessaria per produrre uno specifico RNA o polipeptide. LE MUTAZIONI Una delle più importanti scoperte sui geni è stata quella che ha rilevato la loro suscettibilità a cambiamenti detti mutazioni. È oggi noto che le mutazioni sono causate da cambiamenti nella sequenza nucleotidica del DNA. La frequenza con cui il DNA è danneggiato è molto più bassa, in quanto tutti gli organismi hanno speciali sistemi enzimatici che sono in grado di riparare alcune alterazioni del DNA. Una volta che la sequenza del DNA è mutata e non sotto posta a correzione, con il processo della replicazione le nuove sequenze vengono copiate come quelle normali, consentendo alla mutazione di fissarsi nelle generazioni successive. LE MUTAZIONI PER SOSTITUZIONE DI BASE ORIGINANO DAL CAMBIAMENTP DI UNA SINGOLA COPPIA DI BASI Le mutazioni possono modificare i geni. La mutazione per sostituzione di base comporta la modificazione di una singola coppia di nucleotidi. Spesso queste mutazioni derivano da errori nell’appaiamento delle basi durante il processo di replicazione. Una simile mutazione può non avere conseguenze dirette, oppure può portare un DNA alterato a essere trascritto in un mRNA modificato, che a sua volta sarà tradotto in una catena polipeptidica con un aminoacido diverso rispetto alla sequenza normale. Le mutazioni silenti sono sostituzioni nucleotidiche che portano a una conseguenza funzionale. LE MUT...