Generalmente la funzione di un gene è quella di codificare un singolo polipeptide (relazione un gene-un polipeptide), esistono geni che codificano RNA o che controllano altre sequenze del DNA. è stato dimostrato da Beadle e Tatum con l'organismo modello Neurospora esposto a raggi X che alteravano la struttura del DNA e la produzione di proteine.
La trasmissione dell'informazione genetica fluisce alle proteine attraverso due tappe: trascrizione e traduzione ad opera del RNA che differisce dal DNA per a) singolo filamento nucleotidico b) ribosio c) uracile al posto della timina.
Il flusso dell'informazione è unidirezionale da DNA a RNA a proteina (dogma centrale della genetica) eccetto che per i retrovirus che operano una trascrizione inversa da RNA a DNA.
Nella trascrizione l'mRNA (RNA messaggiero) viene creato trascrivendo (copiando) le informazioni contenute nel DNA.
Nella traduzione l'mRNA viene in contatto con una molecola adattatore che traduce le informazione nucleotidiche in polipeptidiche, questa molecola è l'tRNA (RNA transfer).
Per la trascrizione sono necessari: a) una sequenza stampo di DNA, b) ribonucleosidi trifosfato c) enzima RNA polimerasi.
Nel gene durante la trascrizione serve un solo filamento stampo di DNA, l'altro non viene utilizzato.
La RNA polimerasi riconosce particolari basi nel DNA e vi si lega creando un doppio filamento invece di un'elica. Di seguito una breve sequenza viene denaturata e quindi può creare l'appaiamento con i ribonucleotidi dell'RNA. La trascrizione si svolge in 3 tappe: inizio, allungamento, terminazione.
Inizio
L'RNA polimerasi cerca un promotore: una sequenza che indica l'inizio del gene da trascrivere, quale filamento trascrivere e in quale direzione procedere.
Allungamento
L'RNA polimerasi svolge il filamento in direzione 3'-5', non è necessario il primer e non c'è controllo dell'errore.
Terminazione
Come esistono sequenze d'inizio esistono sequenze di terminazione che specificano se l'RNA creato si stacchi o se devono intervenire prima altre proteine.
A questo punto non abbiamo ancora mRNA, ma pre-mRNA che è più lungo e deve andare incontro a profonde modifiche prima di essere mRNA.
Nell'mRNA ogni sequenza di 3 nucleotidi è detta codone ed è equivalente ad un amminoacido eccetto per il codone di inizio (che corrisponde anche alla metionina) e per il codone di stop. Da notare che gli amminoacidi sono 20, mentre le possibili combinazioni di 4 nucleotidi in sequenze da 3 (4^3) è 64. Esistono codoni diversi che si riferiscono allo stesso amminoacido, per questo si dice che il codice genetico è ridondante. Il codice genetico è pressoché universale e viene trascritto nella stessa maniera in tutte le specie del pianeta.
Come viene tradotto l’RNA in proteine?
Per ogni amminoacido esiste un tRNA che svolge le funzioni di a) trasporto, b) associazione alla molecola mRNA, c) interazione con i ribosomi.
Il tRNA è composto di un sito di legame dell'amminoacido e una sequenza nucleotidica definita anticodone. Considerando che il numero di codoni possibili supera il numero di amminoacidi per certi codoni (es GCA, GCC, GCU che corrisponde all'alanina) di avere un unico tRNA, questo fenomeno prende il nome di oscillazione.
Il caricamento dell'amminoacido sull'RNA è innescato da enzimi chiamati amminoacil-tRNA sintetasi.
Il ribosoma è il banco di lavoro per la traduzione. Ogni ribosoma è formato di due subunità, una maggiore e una minore composte di rRNA e proteine.
La subunità maggiore possiede 3 siti di legame per tRNA:
- sito A (amminoacido)
l'anticodone del tRNA si congiunge con il codone mRNA allieneando il corretto amminoacido nella posizione di legame con il seguente.
- sito P (polipeptide)
l'amminoacido si congiunge con il seguente
- sito E (uscita)
il tRNA esce e torna nel citoplasma.
La subunità minore del ribosoma valida l'appaiamento delle basi: se non si formano legami all'H non è quello giusto e allontana il tRNA dal ribosoma.
Come per la trascrizione la traduzione si svolge a tappe: inizio, allungamento, terminazione.
Inizio
L'rRNA della subunità minore del ribosoma lega con una sequenza (sequenza di Shine-Dalgarno) con l'mRNA, prima del codone di inizio UGA. Quando il tRNA con la metionina si lega all'mRNA sopraggiunge la subunità maggiore. La metionina non è sempre l'amminoacido N-terminale di tutte le proteine perciò alcuni enzimi potrebbero togliero alla fine.
Allungamento
Il tRNA con anticodone complementare si lega alla subunità ribosomiale maggiore nel sito A e questa catalizza 2 reazioni: a) rompe il legame tra il tRNA del sito P e il suo amminoacido, b) catalizza la formazione di un legame peptidico tra l'amminoacido in P e quello in A.
Infine il tRNA viene trasferito nel sito E e liberato.
Dato che è la subunità maggiore a creare legami peptdici si dice che compia una attività peptidil transferasica.
Terminazione
I codoni UAA, UAG o UGA attirano una proteina chiamata fattore di rilascio e permette l'idrolisi del legame tra catena polipeptidica e tRNA nel sito P ribosomiale facendolo uscire.
La sequenza segnale del polipeptide indicherà la destinazione della proteina.
Per velocizzare la produzione proteica spesso si assiste a polisomi (più ribosomi) che partecipano alla traduzione.
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