Biologia · Unità 3 1 CFU

Il flusso dell'informazione genetica: replicazione, trascrizione, maturazione dell'RNA e traduzione.

Teoria essenziale

1. Replicazione del DNA

La replicazione del DNA è il processo con cui una cellula duplica il proprio DNA prima della divisione cellulare. È un meccanismo semiconservativo: ogni molecola figlia contiene un filamento vecchio e uno nuovo.

Fasi della replicazione nei procarioti e negli eucarioti

Origine di replicazione: punto in cui inizia la replicazione (negli eucarioti, multiple origini).
Complesso d'inizio: proteine che riconoscono l'origine e aprono la doppia elica.
Forcella replicativa: struttura a Y dove avviene la sintesi del DNA.

🧬 Enzimi e proteine della replicazione:

DNA elicasi: apre la doppia elica rompendo i legami idrogeno.
Topoisomerasi: rilascia lo stress torsionale causato dallo srotolamento.
Primasi: sintetizza un breve primer di RNA (innesco).
DNA polimerasi: sintetizza il nuovo filamento di DNA in direzione 5'→3'.
Correzione di bozze (proofreading): attività esonucleasica 3'→5' delle DNA polimerasi che rimuove nucleotidi errati.
DNA ligasi: unisce i frammenti di Okazaki sul filamento discontinuo.

Sintesi dei filamenti

Filamento continuo (leading): sintetizzato in direzione 5'→3' verso la forcella replicativa.
Filamento discontinuo (lagging): sintetizzato in direzione 5'→3' lontano dalla forcella, formando frammenti di Okazaki.

Telomeri e telomerasi

I telomeri sono sequenze ripetute alle estremità dei cromosomi (TTAGGG nell'uomo).
La telomerasi è un enzima (ribonucleoproteina) che allunga i telomeri usando un RNA stampo.
Nei tessuti somatici, la telomerasi è inattiva → i telomeri si accorciano a ogni divisione cellulare (senescenza replicativa).
Nelle cellule germinali e nelle cellule tumorali, la telomerasi è attiva → immortalità replicativa.

2. Geni e anatomia del gene

Un gene è una sequenza di DNA che contiene l'informazione per la sintesi di un prodotto funzionale (proteina o RNA).

Struttura del gene

Promotore: sequenza regolativa a monte del gene dove si lega l'RNA polimerasi.
Elementi regolativi in cis: sequenze che regolano la trascrizione (enhancer, silencer).
Esone: regioni codificanti (tradotte in proteina).
Introne: regioni non codificanti (rimosse durante lo splicing).

📌 Geni procariotici vs eucariotici:

Procarioti: geni policistronici (un mRNA codifica più proteine, operoni).
Eucarioti: geni monocistronici (un mRNA codifica una proteina).

Il modello dell'operone Lac (procarioti)

L'operone Lac di E. coli è un esempio di regolazione genica procariotica.
Contiene tre geni strutturali (lacZ, lacY, lacA) per il metabolismo del lattosio.
Il repressore si lega all'operatore e blocca la trascrizione. In presenza di lattosio (induttore), il repressore si stacca e la trascrizione avviene.

3. Trascrizione: dal DNA all'RNA

La trascrizione è il processo di sintesi di RNA a partire da un filamento di DNA stampo. L'RNA polimerasi sintetizza l'RNA in direzione 5'→3'.

Trascrizione nei procarioti

Unica RNA polimerasi (con fattore σ per il riconoscimento del promotore).
Terminazione: rho-dipendente o rho-indipendente (hairpin).

Trascrizione negli eucarioti

Tre RNA polimerasi:
- Pol I: sintetizza rRNA (ribosomiale) tranne il 5S.
- Pol II: sintetizza mRNA (messaggero) e alcuni snRNA.
- Pol III: sintetizza tRNA, rRNA 5S e altri piccoli RNA.
Fattori di trascrizione generali: proteine che si legano al promotore (es. TFIID che riconosce la TATA box).
Promotori prossimali e distali: enhancer e silencer (legati da fattori di trascrizione specifici).

🧬 Fasi della trascrizione eucariotica:

Inizio: legame dei fattori di trascrizione al promotore, reclutamento dell'RNA polimerasi.
Allungamento: sintesi dell'RNA.
Terminazione: segnale di poliadenilazione (AAUAAA) e taglio dell'RNA.

4. Maturazione dell'RNA (splicing)

Negli eucarioti, l'RNA trascritto (pre-mRNA) deve essere modificato per diventare un mRNA maturo.

Modifiche dell'mRNA

Capping: aggiunta di un cappuccio (7-metilguanosina) all'estremità 5'. Protegge dall'idrolisi e facilita l'inizio della traduzione.
Poliadenilazione: aggiunta di una coda di poli(A) all'estremità 3'. Aumenta la stabilità dell'mRNA.
Splicing: rimozione degli introni e unione degli esoni. Catalizzato dallo spliceosoma (complesso di snRNA e proteine).
Splicing alternativo: produce diverse varianti di mRNA (e proteine) da un singolo gene, aumentando la diversità proteica.
Ribozimi: RNA con attività catalitica (es. splicing auto-catalitico).
Editing dell'RNA: modificazione dei nucleotidi (es. deaminazione di A→I, C→U).

Regolazione della stabilità dell'mRNA

Deadenilazione: rimozione della coda di poli(A).
Decapucciamento: rimozione del cappuccio 5'.
miRNA e RNA interference (RNAi): piccoli RNA che si legano all'mRNA target e ne promuovono la degradazione o ne bloccano la traduzione.

Maturazione di rRNA e tRNA

rRNA: sintetizzato come precursore, modificato e tagliato per formare le subunità ribosomali (18S, 5.8S, 28S).
tRNA: taglio, modificazione delle basi e aggiunta di CCA all'estremità 3'.

5. Traduzione: sintesi proteica

La traduzione è il processo di sintesi di una proteina a partire da un mRNA, con la partecipazione di ribosomi, tRNA e fattori di traduzione.

🧬 Gli attori della traduzione:

mRNA: contiene il codice genetico (sequenza di codoni).
tRNA: trasporta gli amminoacidi e ha un anticodone complementare al codone dell'mRNA.
rRNA: componente strutturale e catalitica dei ribosomi.
Ribosomi: complessi di rRNA e proteine (subunità 40S e 60S negli eucarioti, 30S e 50S nei procarioti).
Amminoacil-tRNA sintetasi: enzimi che caricano gli amminoacidi sul tRNA.

Il codice genetico

Triplette di nucleotidi (codoni) che specificano gli amminoacidi.
Ridondanza: più codoni codificano lo stesso amminoacido.
Degenerazione: il codice è degenerato (la terza base può variare).
Non ambiguità: ogni codone codifica un solo amminoacido.
Universalità: il codice genetico è quasi universale (con poche eccezioni).
Codoni di inizio: AUG (metionina).
Codoni di stop: UAA, UAG, UGA (terminazione della traduzione).

Tabella dei codoni (RNA):

UUU Fen
UCU Ser
UAU Tyr
UGU Cys

UUC Fen
UCC Ser
UAC Tyr
UGC Cys

UUA Leu
UCA Ser
UAA Stop
UGA Stop

UUG Leu
UCG Ser
UAG Stop
UGG Trp

CUU Leu
CCU Pro
CAU His
CGU Arg

CUC Leu
CCC Pro
CAC His
CGC Arg

CUA Leu
CCA Pro
CAA Gln
CGA Arg

CUG Leu
CCG Pro
CAG Gln
CGG Arg

AUU Ile
ACU Thr
AAU Asn
AGU Ser

AUC Ile
ACC Thr
AAC Asn
AGC Ser

AUA Ile
ACA Thr
AAA Lys
AGA Arg

AUG Met
ACG Thr
AAG Lys
AGG Arg

GUU Val
GCU Ala
GAU Asp
GGU Gly

GUC Val
GCC Ala
GAC Asp
GGC Gly

GUA Val
GCA Ala
GAA Glu
GGA Gly

GUG Val
GCG Ala
GAG Glu
GGG Gly

Fasi della traduzione

Inizio: il ribosoma si assembla sull'mRNA. Il codone AUG è riconosciuto dal tRNA iniziatore (metionina). Fattori di inizio (eIF) mediano il processo.
Allungamento: i tRNA trasportano gli amminoacidi al ribosoma. Fattori di allungamento (eEF) facilitano il movimento del ribosoma.
Terminazione: il ribosoma incontra un codone di stop. Fattori di rilascio (eRF) promuovono il rilascio della catena polipeptidica.

Regioni non tradotte (UTR) dell'mRNA

5' UTR: regione a monte del codone AUG, coinvolta nella regolazione dell'inizio della traduzione.
3' UTR: regione a valle del codone di stop, regola la stabilità e la localizzazione dell'mRNA.

6. Maturazione e degradazione delle proteine

Maturazione delle proteine

Ripiegamento proteico: le proteine devono assumere la loro struttura tridimensionale funzionale.
Proteine chaperon: aiutano il corretto ripiegamento e prevenire l'aggregazione (es. Hsp70, Hsp90, chaperonine).
Errori di ripiegamento: possono portare a malattie da aggregazione (es. Alzheimer, Parkinson, prioni).

🧬 Degradazione delle proteine:

Degradazione proteasomica ubiquitina-dipendente:
- Ubiquitina: piccola proteina (76 aa) marcata per la degradazione.
- Proteasoma 26S: complesso proteico che degrada le proteine ubiquitinate.
Proteine simili all'ubiquitina: SUMO, NEDD8, ISG15 (coinvolte in processi non proteolitici).

Esempi svolti

🧬 Esempio 1 – Replicazione
Quale enzima sintetizza i frammenti di Okazaki?
Soluzione: la DNA polimerasi sintetizza i frammenti di Okazaki sul filamento discontinuo (lagging).

🧬 Esempio 2 – Trascrizione
Quale RNA polimerasi eucariotica sintetizza l'mRNA?
Soluzione: l'RNA polimerasi II sintetizza l'mRNA negli eucarioti.

🧬 Esempio 3 – Codice genetico
Se una sequenza di mRNA è AUG-GCU-UAA, quali amminoacidi codifica?
Soluzione: AUG = Metionina (inizio), GCU = Alanina, UAA = STOP. La proteina è Met-Ala.

Esercizi guidati

✏️ Esercizio 1 – Quale attività enzimatica permette alle DNA polimerasi di correggere gli errori?

Soluzione: Le DNA polimerasi hanno attività esonucleasica 3'→5' (proofreading) che rimuove i nucleotidi errati durante la replicazione.

✏️ Esercizio 2 – Quale struttura è responsabile dello splicing dell'mRNA negli eucarioti?

Soluzione: Lo spliceosoma (complesso di snRNA e proteine) catalizza lo splicing degli introni negli eucarioti.

✏️ Esercizio 3 – Quale molecola trasporta gli amminoacidi al ribosoma durante la traduzione?

Soluzione: Il tRNA (RNA transfer) trasporta gli amminoacidi al ribosoma e ha un anticodone complementare al codone dell'mRNA.

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