traduzione negli eucarioti

In cosa differisce la traduzione negli eucarioti rispetto ai batteri?

La traduzione negli eucarioti è molto più complessa e regolata rispetto ai batteri. Alcune differenze fondamentali sono:

1. Fattori di inizio:

   • Nei batteri ci sono solo tre fattori principali (IF1, IF2, IF3).

   • Negli eucarioti ci sono più di 10 fattori di inizio (eIF), ciascuno con compiti precisi: riconoscere l’mRNA, trasportare il tRNA iniziatore, srotolare strutture secondarie e assemblare il ribosoma completo.

2. Struttura dell’mRNA:

   • Gli mRNA eucariotici hanno un cappuccio 5′ (cap) e una coda poli-A 3′, che proteggono l’RNA e servono da punti di legame per fattori di traduzione.

   • Questi mRNA sono monocistronici, cioè contengono l’informazione per una sola proteina. Nei batteri, gli mRNA sono spesso policistronici, codificando più proteine dalla stessa molecola.

3. Meccanismo di riconoscimento del codone di inizio:

   • Nei batteri esiste la sequenza Shine-Dalgarno, che guida il ribosoma al codone AUG.

   • Negli eucarioti invece non esiste Shine-Dalgarno: il ribosoma usa un meccanismo chiamato scanning per trovare il primo AUG in un contesto adatto, tipicamente definito dalla sequenza di Kozak.

4. Regolazione e controllo:

   • Negli eucarioti la traduzione è finemente regolata in risposta a nutrienti, stress, segnali ormonali e sviluppo cellulare.

   • Sono presenti meccanismi come la fosforilazione di eIF2α, l’attivazione di mTORC1, l’uso di IRES e il controllo tramite miRNA o proteine regolatrici.

cos’è la traduzione eucaristica?

La traduzione è il processo in cui la cellula costruisce proteine usando l’informazione presente nell’mRNA. Nei procarioti è più semplice, ma negli eucarioti il processo è più complesso per via della maggiore complessità dei ribosomi, degli mRNA e dei fattori proteici coinvolti.

1. Struttura dell’mRNA eucariotico

1. Cap 5′ (m⁷GpppN):

   • È una molecola di guanosina modificata con un gruppo metile sulla posizione 7 (m⁷G) legata al primo nucleotide dell’mRNA.

   • Funzioni:

     • Protegge l’mRNA dalla degradazione da parte di enzimi nucleasi.

     • Serve come “maniglia” per il ribosoma: i fattori di inizio riconoscono questo cap e permettono al ribosoma di legarsi correttamente.

2. 5′UTR (Untranslated Region – regione non tradotta a 5′):

   • Sequenza di nucleotidi che precede il primo codone AUG.

   • Non codifica proteina, ma contiene segnali importanti per la regolazione della traduzione.

   • Può avere strutture secondarie, come forcine, che rallentano o regolano il movimento del ribosoma.

3. Sequenza di Kozak:

   • Contesto nucleotidico attorno all’AUG che segnala al ribosoma il punto di inizio corretto.

   • Caratteristiche: A o G in posizione −3, G in posizione +4 (rispetto alla prima A di AUG).

   • Più la sequenza è simile alla sequenza consenso di Kozak, più il ribosoma riconosce l’AUG correttamente.

4. 3′UTR e coda poli-A:

   • Sequenza non tradotta alla fine dell’mRNA con molti residui adenina (AAAA…).

   • Legata dalla proteina PABP (Poly-A Binding Protein), che si connette con eIF4G della subunità ribosomiale, formando un loop chiuso.

   • Questo loop migliora la stabilità dell’mRNA e favorisce il riutilizzo dei ribosomi.

quali sono i fattori di inizio della traduzione?

Negli eucarioti ci sono molti fattori che coordinano l’inizio della traduzione:

1. eIF4E:

   • Proteina che lega direttamente il cap 5′ dell’mRNA.

   • È essenziale per l’ancoraggio iniziale del ribosoma.

2. eIF4G:

   • Proteina “scaffold” che connette eIF4E al ribosoma (tramite eIF3) e alla PABP, formando il loop chiuso dell’mRNA.

   • Aiuta anche a reclutare altri fattori di inizio.

3. eIF4A:

   • Elicasi che utilizza ATP per srotolare strutture secondarie del 5′UTR, permettendo al ribosoma di scorrere lungo l’mRNA.

4. eIF3:

   • Complesso proteico che lega la subunità ribosomiale 40S e impedisce l’assemblaggio prematuro della subunità maggiore 60S.

   • Aiuta a collegare l’mRNA preparato da eIF4F al ribosoma.

5. eIF2:

   • Proteina che forma il complesso ternario con GTP e il tRNA iniziatore caricato con metionina (Met-tRNAᵢ).

   • Trasporta il tRNA nel sito P della subunità 40S.

6. eIF1 e eIF1A:

   • Mantengono la subunità 40S “aperta” e flessibile per permettere lo scanning dell’mRNA fino al primo AUG corretto.

7. eIF5:

   • Stimola l’idrolisi del GTP su eIF2 quando l’AUG è correttamente riconosciuto, permettendo il rilascio dei fattori di inizio.

8. eIF5B:

   • Omologo di IF2 nei batteri.

   • Aiuta a unire la subunità maggiore 60S alla 40S già legata all’AUG e al tRNA iniziatore, completando il ribosoma 80S pronto per l’allungamento.

come avviene l’inizio della traduzione?

Inizio della traduzioneObiettivo:

Trovare il codone di inizio corretto (AUG) sull’mRNA e posizionare il tRNA iniziatore caricato con metionina nel sito Pdel ribosoma.

Dettaglio dei passaggi:

1. Preparazione dell’mRNA

   • L’mRNA eucariotico ha un cap 5′ (m⁷GpppN) e una coda poli-A 3′.

   • Il complesso eIF4F si lega al cap:

     • eIF4E → lega direttamente il cap.

     • eIF4G → collega eIF4E al ribosoma e alla PABP (coda poli-A), formando un loop chiuso.

     • eIF4A → è un’elicasi che srotola eventuali strutture secondarie nell’mRNA.

   • Curiosità: il loop cap-poliA aumenta l’efficienza della traduzione e riduce la degradazione dell’mRNA.

2. Preparazione della subunità 40S

   • La subunità 40S si lega a fattori:

     • eIF1/eIF1A → mantengono aperta la subunità per scansionare l’mRNA.

     • eIF3 → collega la subunità all’mRNA e impedisce l’assemblaggio prematuro della subunità maggiore.

   • eIF2-GTP trasporta il Met-tRNAᵢ (tRNA iniziatore con metionina).

3. Scansione dell’mRNA

   • Il ribosoma scorre lungo il 5′UTR fino al primo AUG in un contesto favorevole (sequenza di Kozak: A/G −3, G +4).

   • Nota importante: mRNA senza cap possono usare IRES (Internal Ribosome Entry Sites) per iniziare la traduzione internamente.

4. Riconoscimento dell’AUG e assemblaggio del ribosoma completo

   • Una volta trovato l’AUG:

     • eIF5 stimola l’idrolisi del GTP su eIF2 → rilascio dei fattori di inizio.

     • Il Met-tRNAᵢ si posiziona nel sito P.

     • eIF5B-GTP facilita l’unione della subunità maggiore 60S → ribosoma 80S pronto per allungamento.

   • Energia e controllo qualità: ogni idrolisi di GTP funge da checkpoint, assicurando che i passaggi siano corretti.

come avviene l’allungamento?

Obiettivo:

Aggiungere amminoacidi uno alla volta in direzione N-terminale → C-terminale.

Fasi dettagliate:

1. Ingresso del tRNA nel sito A

   • Il fattore eEF1α-GTP trasporta il tRNA carico di amminoacido nel sito A.

   • Controllo qualità (proofreading): solo se l’anticodone del tRNA combacia con il codone del mRNA il GTP viene idrolizzato → tRNA resta nel sito A.

   • Se il tRNA è errato, il GTP non viene idrolizzato → il tRNA sbagliato lascia il ribosoma.

2. Formazione del legame peptidico

   • Il centro peptidil-transferasico (PTC) della subunità maggiore catalizza il legame tra:

     • il gruppo carbossilico dell’amminoacido nel sito P (catena nascente)

     • il gruppo amminico dell’amminoacido nel sito A

   • La catena polipeptidica cresce sul tRNA nel sito A.

3. Traslocazione del ribosoma

   • Il fattore eEF2-GTP sposta il ribosoma di una tripletta:

     • tRNA con catena: A → P

     • tRNA scarico: P → E → esce

     • Sito A libero per un nuovo tRNA.

   • Ogni ciclo richiede GTP → energia per movimento e precisione.

4. Ruolo degli ioni

   • Mg²⁺ e altri ioni aiutano a stabilizzare la struttura del ribosoma e l’assemblaggio dei tRNA.

   • Concentrazione ionica troppo bassa o troppo alta può rallentare la traduzione.

5. Curiosità sui polisomi

   • Molti ribosomi possono leggere lo stesso mRNA contemporaneamente, formando polisomi, aumentando la produzione proteica.

   • Questo è fondamentale perché le proteine devono essere prodotte rapidamente in risposta ai bisogni della cellula.

come avviene la terminazione?

Obiettivo:

Riconoscere il codone di stop e liberare la proteina.

Passaggi principali:

1. Riconoscimento del codone di stop

   • Codoni UAA, UAG, UGA indicano la fine della catena.

   • Nessun tRNA può leggere questi codoni.

2. Fattori di rilascio

   • eRF1 → mimica un tRNA, si lega al codone di stop e stimola l’idrolisi del legame peptidico nel PTC → la proteina viene rilasciata.

   • eRF3-GTP → aiuta eRF1, l’idrolisi del GTP accelera il rilascio.

3. Riciclo del ribosoma

   • ABCE1 separa le subunità 40S e 60S → pronte per un nuovo ciclo.

   • L’mRNA può essere tradotto più volte dai ribosomi → produzione efficiente di proteine.

fattori di inizio

1⃣ Fattori dell’inizio (Initiation Factors, eIFs)eIF1

• Funzione: mantiene la subunità 40S aperta per la scansione dell’mRNA.

• Perché importante: assicura che il ribosoma non si chiuda prematuramente su un AUG sbagliato.

eIF1A

• Funzione: simile a eIF1, stabilizza la subunità 40S aperta e favorisce la corretta posizione del tRNA iniziatore.

• Nota: essenziale per il proofreading dell’AUG.

eIF2

• Funzione: trasporta il Met-tRNAᵢ legato a GTP nel sito P della subunità 40S.

• Controllo qualità: il GTP viene idrolizzato solo quando l’AUG corretto è trovato → checkpoint.

eIF3

• Funzione: lega la subunità 40S all’mRNA e impedisce l’assemblaggio prematuro con la subunità 60S.

• Curiosità: svolge anche un ruolo nel riciclo del ribosoma dopo la terminazione.

eIF4E

• Funzione: lega il cap 5′ dell’mRNA.

eIF4G

• Funzione: ponte tra cap, ribosoma e coda poli-A (tramite PABP), formando il loop chiuso che stabilizza l’mRNA.

eIF4A

• Funzione: elicasa che srotola le strutture secondarie del 5′UTR per permettere la scansione.

eIF5

• Funzione: stimola l’idrolisi del GTP su eIF2, rilasciando i fattori di inizio quando l’AUG corretto è trovato.

eIF5B

• Funzione: aiuta la subunità maggiore 60S ad unirsi alla 40S → formazione del ribosoma 80S.

fattori di allungamento

Fattori dell’allungamento (Elongation Factors, eEFs)eEF1α

• Funzione: trasporta i tRNA carichi di amminoacido al sito A del ribosoma legato a GTP.

• Controllo qualità: il tRNA rimane solo se codone e anticodone combaciano; altrimenti viene rilasciato.

eEF1β/γ (equivalente di EF-Ts nei batteri)

• Funzione: rigenera eEF1α sostituendo GDP con nuovo GTP → pronto per il ciclo successivo.

eEF2

• Funzione: promuove lo slittamento del ribosoma lungo l’mRNA (traslocazione) → sposta i tRNA A→P, P→E.

• Energia: richiede idrolisi di GTP.

fattori di terminazione

attori della terminazione (Release Factors, eRFs)eRF1

• Funzione: riconosce i codoni di stop (UAA, UAG, UGA) e stimola la rottura del legame tra tRNA e proteina nel centro peptidil-transferasico (PTC).

• Nota: “mimica” la forma di un tRNA.

eRF3

• Funzione: lega GTP e aiuta eRF1; l’idrolisi del GTP accelera il rilascio della proteina dal ribosoma.

ABCE1

• Funzione: separa le subunità 40S e 60S dopo la terminazione → ribosomi pronti per un nuovo ciclo.

altri elementi

Altri elementi:

• PTC (Peptidyl Transferase Center) → sito catalitico dell’rRNA 28S (subunità maggiore), forma i legami peptidici.

• Mg²⁺ e altri ioni → stabilizzano ribosoma e legame tRNA-ribosoma.

• mRNA → può essere letto più volte dai ribosomi formando polisomi.

• PABP → aiuta a mantenere stabilità e ottimizzare la traduzione anche alla fine del ciclo.

Selenocisteina e Pirrolisina

Selenocisteina (Sec, U)

• Che cos’è: un amminoacido raro e speciale contenente selenio, non una semplice modificazione post-traduzionale.

• Funzioni biologiche del selenio:

  • Protegge le membrane lisosomiali

  • Collabora con la vitamina E come antiossidante

  • Difende il sistema cardiovascolare

  • Migliora motilità e vitalità degli spermatozoi

  • Coinvolto nella produzione di selenoproteine enzimatiche (es. glutatione perossidasi, iodotironina 5’-deiodinasi).

• Codone: UGA, normalmente codone di stop.

• Meccanismo di inserimento:

  • Esiste un tRNA specifico per la selenocisteina.

  • L’anticodone del tRNA riconosce UGA solo se c’è una sequenza speciale sull’mRNA:

    • Nei batteri → struttura a forcina subito a valle del codone UGA.

    • Negli eucarioti e Archaea → SECIS (SelenoCysteine Insertion Sequence) situata nella 3’UTR.

• Nota: grazie a questo meccanismo, il ribosoma “interpreta” UGA come codificante e non come stop.

Pirrolisina (Pyl, O)

• Codone: UAG, normalmente codone di stop.

• Meccanismo simile a Sec: presenza di una sequenza speciale sull’mRNA chiamata PYLIS (Pyrrolysine Insertion Sequence).

• Ruolo biologico: amminoacido raro trovato in alcuni batteri e Archaea, coinvolto in enzimi specifici, soprattutto in metanogeni.

💡 Concetto chiave: UGA e UAG possono funzionare sia come codoni stop sia come codoni per amminoacidi speciali, a seconda della presenza di strutture mRNA riconosciute dai tRNA speciali.

Folding e Misfolding delle Proteine

Folding delle proteine:

• Una proteina deve assumere una struttura tridimensionale precisa per funzionare correttamente.

• La sequenza di amminoacidi determina il potenziale conformazionale, ma non basta da sola: servono proteine chaperon che guidano e stabilizzano il ripiegamento.

• Esempi di chaperon: Heat Shock Proteins (Hsp) → aumentano di concentrazione durante stress cellulare (calore, radiazioni, ossidazione).

Misfolding:

• Proteine mal ripiegate → perdita di funzione o aggregazione.

• Conseguenze: accumulo di aggregati insolubili, spesso con strutture a foglietto β → tossici per la cellula.

• Controllo qualità: sistema ubiquitina-proteasoma

  • Ubiquitina: piccola proteina che si lega covalentemente alle proteine da degradare.

    • Poli-ubiquitinazione: segnala degradazione dal proteasoma

    • Mono-ubiquitinazione: regola altre funzioni (rimodellamento cromatina, trascrizione, riparazione DNA)

  • Proteasoma: complesso proteico con attività proteasica ATP-dipendente che riconosce proteine poli-ubiquitinate, le srotola e le degrada.

💡 Esempi di malattie da misfolding:

• Fibrille amiloidi: Alzheimer, Parkinson, diabete di tipo II.

• Prioni (PrP): proteine che, se mal ripiegate, inducono malformazioni di altre PrP → encefalopatia spongiforme, Creutzfeldt-Jacob, “mucca pazza”.

Concetto chiave: La cellula possiede sistemi di controllo del folding, ma quando falliscono, proteine mal ripiegate causano gravi patologie.

Proteasoma

Cos’è:

• Complesso proteico ATP-dipendente che degrada proteine marcate con poli-ubiquitina.

Struttura:

• Core 20S: sito attivo per la degradazione.

• Regulator 19S: riconosce proteine poli-ubiquitinate, srotola la catena polipeptidica e la trasporta nel core; ha attività ATPasica.

Funzioni:

• Rimuove proteine mal ripiegate o danneggiate → mantiene omeostasi proteica.

• Controlla qualità del proteoma cellulare → prevenendo aggregati tossici.

• Interagisce con sistemi di regolazione cellulare tramite ubiquitinazione selettiva.

💡 Curiosità:

• Proteasoma + ubiquitina → meccanismo principale di degradazione non lisosomale.

• Poli-ubiquitinazione = degradazione; mono-ubiquitinazione = regolazione funzioni non degradative.

Cos’è il folding delle proteine:

• Dopo la sintesi sul ribosoma, la catena polipeptidica è lineare e deve assumere una struttura tridimensionale corretta per essere funzionale.

• La sequenza di amminoacidi contiene l’informazione per il folding, ma l’ambiente cellulare e altre proteine aiutano a farlo correttamente.

Problemi del folding spontaneo:

• Le catene polipeptidiche possono aggregarsi se regioni idrofobiche esposte si incontrano prima che la proteina sia completamente ripiegata.

• Gli aggregati possono essere tossici per la cellula, causando stress e malattie (es. Alzheimer, Parkinson).

Le proteine chaperon:

• Sono proteine specializzate che assicurano il corretto ripiegamento delle proteine appena sintetizzate o sotto stress.

• Non determinano la sequenza della proteina, ma guidano il folding corretto, prevenendo interazioni errate.

• Utilizzano energia da ATP per legare e rilasciare la proteina, facilitando il corretto ripiegamento.

Tipi principali di chaperon e loro meccanismi:

1. Hsp70 (Heat Shock Protein 70)

   • Lega segmenti idrofobici delle catene polipeptidiche esposte.

   • Previene aggregazione prematura.

   • Meccanismo: lega proteina + ATP → idrolisi ATP → cambio conformazionale → rilascia proteina correttamente ripiegata.

   • Si associa spesso a co-chaperon Hsp40 che aumenta la specificità e l’efficienza.

2. Hsp90

   • Stabilizza proteine chiave della segnalazione cellulare e fattori di trascrizione.

   • Funziona in fase tardiva di folding, soprattutto per proteine già parzialmente ripiegate.

   • Richiede ATP per cicli di legame/rilascio.

3. Chaperonine (GroEL/GroES nei batteri, TRiC/CCT negli eucarioti)

   • Formano una gabbia isolata dove la proteina può ripiegarsi senza interferenze cellulari.

   • GroEL → cilindro a doppio anello; GroES → “coperchio” che chiude la gabbia.

   • Proteina entra nel cilindro → ATP + GroES chiudono il compartimento → proteina ripiega correttamente → rilascio.

4. Chaperon “holdase”

   • Legano temporaneamente proteine parzialmente ripiegate o mal ripiegate.

   • Non forzano il folding, ma prevengono aggregazione fino a quando altre chaperon o condizioni cellulari consentono il folding corretto.

   • Ruolo delle chaperon nello stress cellulare:

     • Stress termico, ossidativo o chimico può denaturare proteine → aumento Hsp.

     • Hsp = “proteine da shock termico” → proteggono la cellula da danni.

     Controllo della qualità del folding:

     • Se una proteina non riesce a ripiegarsi correttamente:

       1. Viene trattenuta dalle chaperon.

       2. Se persistono errori → marcata con ubiquitina → degradata dal proteasoma.

     Esempi biologici rilevanti:

     • p53: folding e stabilità regolati da Hsp90.

     • CFTR (proteina del canale del cloro): folding assistito da Hsp70; mutazioni → fibrosi cistica.

     💡 Concetto chiave:
     Le chaperon non creano la proteina, ma sono essenziali per garantire che ogni proteina raggiunga la sua forma funzionale, prevenendo aggregazione e tossicità. Senza chaperon, anche proteine con sequenze corrette rischiano di diventare inutili o dannose.

Regolazione dell’attività biologica delle proteine

Degradazione delle proteine:

• Serve a regolare quantità e attività proteica.

• Proteine non più necessarie o mal ripiegate vengono rimosse per mantenere omeostasi.

Sistema ubiquitina-proteasoma:

• Ubiquitina: piccola proteina che si lega covalentemente ai substrati.

  • Poli-ubiquitinazione: segnala degradazione dal proteasoma.

  • Mono-ubiquitinazione: regola funzioni cellulari (trascrizione, traffico proteico).

• Proteasoma: complesso proteico ATP-dipendente.

  • Core 20S: sede della proteolisi.

  • Regolatore 19S: riconosce proteine poli-ubiquitinate, le srotola e le fa entrare nel core.

Proteine simili all’ubiquitina (UBL, ubiquitin-like proteins):

• Esempio: SUMO (Small Ubiquitin-like Modifier)

  • Non degrada, ma modifica funzione/protezione delle proteine.

  • Ruoli: trascrizione, riparazione DNA, traffico nucleare, compattamento cromatina.

💡 Concetto chiave: La cellula può regolare proteine degradandole o modificando la loro funzione tramite ubiquitinazione e proteine simili.

Controllo dell’espressione genica negli eucarioti

Trascrizionale

• Controllo della sintesi di mRNA dal DNA.

• Fattori principali:

  • Fattori di trascrizione: proteine che legano sequenze promotrici o enhancer.

  • Modificazioni della cromatina:

    • Acetilazione istoni → cromatina più aperta → trascrizione più facile

    • Metilazione istoni o DNA → cromatina più chiusa → trascrizione ridotta

  • Enhancer e silencer: sequenze distali che aumentano o riducono trascrizione.

2⃣ Post-trascrizionale

• Controllo dell’RNA già sintetizzato.

• Meccanismi principali:

  • Splicing alternativo: produce isoforme proteiche diverse da un singolo gene.

  • Editing dell’RNA: modifica basi nucleotidiche cambiando codoni.

  • Stabilità dell’mRNA: proteine leganti mRNA o microRNA possono degradare o stabilizzare l’mRNA.

3⃣ Translazionale

• Controllo della sintesi proteica dai mRNA.

• Meccanismi:

  • Fattori di inizio della traduzione (eIFs): guidano il ribosoma al primo AUG.

  • Disponibilità di tRNA e amminoacidi: influenza velocità e accuratezza della sintesi.

  • Stress cellulare: fosforilazione eIF2-GTP blocca l’inizio della traduzione.

4⃣ Post-traduzionale

• Modifiche chimiche sulla proteina appena sintetizzata:

  • Fosforilazione, glicosilazione, acetilazione: regolano attività, stabilità, localizzazione.

  • Proteolisi: rimuove segmenti funzionali o segnala degradazione.

  • Ubiquitinazione: degradazione o modulazione funzione.

Esempio integrativo: proteina p53

• Trascrizione ↑ in risposta a danno DNA

• mRNA stabilizzato da proteine leganti

• Traduzione regolata da eIF2-GTP

• Post-traduzionale: ubiquitinazione da MDM2 → degradazione quando non serve

💡 Concetto chiave: La cellula regola geni e proteine su più livelli, permettendo un controllo preciso, rapido e reversibile, adattandosi agli stimoli e allo stress.