Trascrizione e Traduzione: la Sintesi Proteica e la regolazione genica

Trascrizione e Traduzione: La Sintesi Proteica

TRASCRIZIONE E TRADUZIONE: LA SINTESI PROTEICA

Gene

GENE: segmento di DNA che si trova di seguito a un promotore e che può essere trascritto dalla RNA-polimerasi.

DNA e RNA

DNA II DNA può duplicarsi L'informazione codificata nella sequenza delle basi del DNA viene passata a una particolare sequenza di basi dell'RNA Traduzione delle proteine) 32000 1 32000 tRNA Ribosoma Polipeptide Polipeptide DNA Interno della cellula mRNA 1 Trascrizione (sintesi di RNA) RNA L'informazione dell'RNA viene passata ai polipeptidi, ma non viene mai passata in senso inverso (dai polipeptidi agli acidi nucleici) CATENE POLIPEPTIDICHE PROTEINE

1. Il DNA e le basi molecolari dell'ereditarietà.

RNA e Sintesi Proteica: Strutture

31RNA E SINTESI PROTEICA RNA e DNA, avendo due funzioni diverse, presentano due strutture diverse, oltre ad una diversa combinazione di basi azotate nitrogenous bases base pairs helix of sugar-phosphates avvolgimenti INTERFILAMENTO LEGAMI A IDROGENO C A A A adenine thymine guanine z cytosine uracil DNA RNA A bases 1. Il DNA e le basi molecolari dell'ereditarietà. sugar-phosphate backbone A U A avvolgimenti INTRAMOLECOLARI

Tipi di RNA nella Sintesi Proteica

32RNA NELLA SINTESI PROTEICA Esistono tre diverse tipologie di RNA, ognuna con una funzione particolare DNA MRNA C G G G C mRNA [MESSAGGERO] porta il "messaggio" del DNA, ossia dal nucleo al citoplasma tRNA [TRASPORTO] trasporta gli amminoacici ai ribosomi AMINOACIDO A A C .G CCGGA GCOU G CU E CGCG 0 Anticodion 1. Il DNA e le basi molecolari dell'ereditarietà. Met P site E A U C AUG small ribosome subunit rRNA [RIBOSOMIALE] "monta" le proteine nei ribosomi

Struttura del Ribosoma

33RNA E SINTESI PROTEICA Ogni ribosoma è costituito da due subunità che restano separate solo quando l'organulo non è impegnato nella sintesi proteica. Fotografia al microscopio elettronico: ribosomi liberi e ribosomi sul reticolo endoplasmatico rugoso. SUBUNITÀ MAGGIORE RIBOSOMA COMPLETO SUBUNITÀ MINORE

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Polipeptide in Accrescimento

34RNA E SINTESI PROTEICA POLIPEPTIDE IN ACCRESCIMENTO OH AMMINOACIDI ® A G C C G CU GACAC A CU GUG CUCG G GAGC G GA G 0 C C G tRNA A G A C A H GAA mRNA

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35 A G G GASTRASCRIZIONE E TRADUZIONE: LA SINTESI PROTEICA https://phet.colorado.edu/sims/html/gene-expression-essentials/latest/gene-expression-essentials_it.html Strumenti biomolecolari La tua raccolta di proteine Fattore positivo di trascrizione RNA Polimerasi 0 0 0 Hai 0 Ribosoma di 3 tipi di proteina mRNA Demolitore Fattore negativo di trascrizione Promotore Regione di Trascrizione « Gene precedente Gene 1 Gene successivo

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Il Codice Genetico

Sequenza delle Basi e Sintesi Proteica

36IL CODICE GENETICO La sequenza delle basi nella molecola di DNA contiene le informazioni ed il codice per la sintesi del mRNA che a sua volta dirigerà la sintesi proteica Direzione del filamento 3' TAC-CAT-GGT-GTA-AAC-ACT-5' DNA stampo mRNA 5' AUG-GUA-CCA-CAU-UUG-UGA-3' CODONE: TRIPLETTA DI NUCLEOTIDI DEL M-RNA CHE CODIFICA UNO SPECIFICO AMMINOACIDO IN UNA SEQUENZA POLIPEPTIDICA Direzione del filamento 4 BASI 64 COMBINAZIONI DI TRIPLETTE 61 CODIFICANO AMMINOACIDI 18 AMMINOACIDI CODIFICABILI CON PIÙ TRIPLETTE 3 CODIFICANO INTERRUZIONI 2 AMMINOACIDI CODIFICABILI CON UNA SOLA TRIPLETTA (Met, Trp)

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Tabella del Codice Genetico

37IL CODICE GENETICO SECONDO NUCLEOTIDE PRIMO NUCLEOTIDE T C A G T TTT Phe (F) TTC " TCT Ser (S) TCC " TAT Tyr (Y) TAC " TGT Cys (C ) TGC " C TTA Leu (L) TTG " TCA " TAA stop TGA stop A TCG " TAG stop TGG Trp (W) G C CTT Leu (L) CCT Pro (P) CAT His (H) CGT Arg (R ) CTC # CCC " CAC " CGC " C CTA " CCA " CAA Gin (Q) CGA # A CTG # CCG " CAG " CGG " G T A ATT Ile (I) ACT Thr (T) AAT Asn (N) AGT Ser (S) ATC " ACC " AAC " AGC # C ATA " ACA " AAA Lys (K) AGA Arg (R ) A ATG Met (M) ACG " AAG " AGG " G G GTT Val (V) GTC " GTC Ala (A) GAT Asp (D) GGT Gly (G) T GCC " GAC " GGC " c GTA " GCA " GAA Glu (E) GGA " A GTG " GCG " GAG " GGG " G TERZO NUCLEOTIDE

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RNA e Sintesi Proteica: Le Fasi della Traduzione

Fasi della Traduzione

38RNA E SINTESI PROTEICA LE FASI DELLA TRADUZIONE DNA Filamento stampo di DNA Trascritto completo di mRNA Trascritto di mRNA 5 Promotore ATCGG UAGCC 3 TAPPE: Complesso aperto 5'->3' Direzione della sintesi dell'RNA 3 - INIZIO - ALLUNGAMENTO - TERMINAZIONE ATCGG UAGCO Direzione della trascrizione Sequenza di arresto Fattore sigma nel dettaglio - RNA polimerasi Nella fase d'inizio, l'RNA polimerasi riconosce la sequenza del promotore e vi si attacca. La fase è completa quando, vicino al promotore, i filamenti di DNA si separano e formano un complesso aperto lungo una dozzina di basi. Durante la fase di allungamento, I'RNA polimerasi sintetizza il trascritto di mRNA. Il filamento di DNA trascritto è detto filamento stampo e la sequenza di basi del filamento di RNA in via di formazione è complementare a esso. Nella fase di terminazione, I'RNA polimerasi incontra lungo il sul DNA una sequenza di arresto costituita da nucleotidi che bloccano il processo di trascrizione.

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Inizio della Traduzione

39 3ºRNA E SINTESI PROTEICA LE FASI DELLA TRADUZIONE: INIZIO Negli eucarioti, la subunità minore del ribosoma si lega alla sequenza di inizio presente sull'mRNA [AUG]. A Inizio Direzione di scorrimento del ribosoma 3ª Subunità minore Subunità minore AACCU mRNA 5' 5' mRNA Codone d'inizio il primo amminoacido è sempre Met [UAC], che può poi essere rimosso 3' CUUA CUUA 5' CUGAACA G UAC 5' CUGAACAUGE UAC Anticodone E A Met Met Subunità maggiore

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40 Una volta legata la subunità maggiore [sito P] al complesso di inizio, può iniziare la seconda fase COMPLESSO DI INIZIO 3' 3'

Allungamento della Traduzione

RNA E SINTESI PROTEICA LE FASI DELLA TRADUZIONE: ALLUNGAMENTO Si lega il secondo tRNA con il suo amminoacido utilizzando il sito A, mentre il sito P. La sequenza di allungamento passa sul sito P ed inizia il processo. B Allungamento 5' UCUGAACAUGCU UAC GIAIC E E Anticodone tRNA in ingresso Met Met Leu MetLeu Il tRNA libero da amminoacidi passa sul sito E e si stacca 13' 3' 3 5' CU GAACAUGCUGAA 5' CUGAACAUGCUGAAC 5' UGAACAUGCUGAA GAC E GAC UUG UUG VE A E A UAC GIAIC Met Leu Asn Asn Met Leu Leu Met

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41 5 UCUGAACAUGCUG VIAC GAC A VACUUM VACUUM

Terminazione della Traduzione

RARNA E SINTESI PROTEICA LE FASI DELLA TRADUZIONE: TERMINAZIONE Quando nel sito A arriva un codone di STOP [UAA, UAG, UGA] presente sul rRNA, il codone di STOP non si lega al tRNA ma ad un FATTORE DI RILASCIO che provoca l'idrolisi del legame tra il POLIPEPTIDE sintetizzato ed il tRNA sul sito P. Le due subunità del ribosoma si dissociano e possono iniziare un nuovo processo di traduzione. C Terminazione mRNA 3º 3 GAA C-terminale GAA E P E A N-terminale A P E Mot Lou Asn Lou Ala Val Met Lou Asn Lou Ala Val 1 3 5' CUGAACCUUGCAGUUUAA 5' CUGAACCU UGCAGUUUAA

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Gene Strutturale Eucariote

42RNA E SINTESI PROTEICA: Gene strutturale eucariote Esone 1 Introne 1 Esone 2 Introne 2 Esone 3 Promotore Sequenza di arresto Trascrizione Pre-mRNA 5' 3 Aggiunta del cappuccio splicing aggiunta della coda Esone 1 Esone 3 Esone 2 5 mRNA maturo 3' Cappuccio all'estremità 5' Introni rimossi Coda poli-A all'estremità 3' Negli EUCARIOTI, le sequenze codificanti del DNA non sono continue, bensì intervallate! Le sequenze CODIFICANTI, ossia le regioni espresse, sono dette ESONI. Le sequenze NON CODIFICANTI, ossia le regioni non espresse, sono dette INTRONI. Nella trascrizione primaria, vengono trascritti sia gli esoni che gli introni. Una "macchina biologica", detta SPLICEOSOMA, procede con lo SPLICING, ossia la rimozione degli introni. L'mRNA è ora maturo con tutta l'informazione necessaria per la sintesi proteica.

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Regolazione dell'Espressione Genica

Procarioti: Modello dell'Operone

43 Nei PROCARIOTI, i geni che codificano proteine simili sono vicini, rendendo il processo di trascrizione e traduzione del DNA più veloce! DŇAREGOLAZIONE DELL'ESPRESSIONE GENICA: PROCARIOTI Negli organismi procarioti, la cellula produce enzimi e proteine solo in caso di necessità. Il processo è viene dunque regolato per INDUZIONE attraverso l'intervento di INDUTTORI e REPRESSORI per promuovere o bloccare la trascrizione del GENE STRUTTURALE. MODELLO DELL'OPERONE sequenza di geni regolati in modo strettamente coordinato, aventi sequenze che fungono da SITI DI CONTROLLO PROMOTORE OPERATORE GENI STRUTTURALI RNA polimerasi Operone DNA Gene regolatore Operatore Geni strutturali (codificano le proteine) Terminatore Promotore

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Regolazione per Induzione dell'Operone Lattosio

44REGOLAZIONE DELL'ESPRESSIONE GENICA: PROCARIOTI es., REGOLAZIONE PER INDUZIONE DELL'OPERONE LATTOSIO: in assenza di lattosio il REPRESSORE si lega all'operatore bloccando il processo di trascrizione dei geni; viceversa, in presenza di lattosio il repressore viene disattivato dall'isomero del lattosio [allolattosio, INDUTTORE] permettendo la trascrizione. RNA polimerasi Operone lac Promotore Operatore Gene regolatore DNA lacl lacZ lac Y lacA 1 mRNA 1 Trascrizione bloccata Repressore attivo Gene regolatore DNA lacl 1 Trascrizione attiva mRNA mRNA 1 Repressore attivo Repressore inattivato Induttore allolattosio

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Modello dell'Operone: Simulazione

45REGOLAZIONE DELL'ESPRESSIONE GENICA: PROCARIOTI: MODELLO DELL'OPERONE https://phet.colorado.edu/sims/cheerpj/gene-network/latest/gene-network.html?simulation=gene-machin e-lac-operon&locale=it Regolazione del Lattosio Trasporto del Lattosio PLET Gene lattosio I Gene lattosio Z Promotore lac I Promotore lac Operone lac Mostra il Misuratore di Lattosio Mostra Leggenda Ripristina tutto rallenta accelera

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Eucarioti: Regolazione a Più Livelli

46REGOLAZIONE DELL'ESPRESSIONE GENICA: EUCARIOTI Negli organismi eucarioti pluricellulari, VIENE ESPRESSA SOLO UNA PICCOLA PARTE DEL DNA che viene permanentemente attivata nel corso del DIFFERENZIAMENTO CELLULARE. In genere si tratta di circa il 10% del DNA, ma negli umani pare sia solo l'1,5%, con un sistema di REGOLAZIONE A PIÙ LIVELLI. CITOPLASMA mRNA inattivo 5 4 DNA mRNA Proteina attiva/inattiva 1 2 7 3 8 Transcritto primario NUCLEO Poro nucleare 1 Rimodellamento della cromatina 2 Controllo trascrizione 3 Controllo della maturazione 4 Controllo del trasporto 5 Controllo della stabilità dell'mRNA 6 Controllo della traduzione dell'mRNA 7 Controllo post-traduzionale dell'attività proteica 8 Degradazione della proteina 6

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