Genetica e genomica - Vol. III - Cap. 16

CAPITOLO 5
SINTESI PROTEICA
E CODICE GENETICO
LIGUORI EDITORE
1
Questa opera è protetta dalla Legge sul diritto d’autore (Legge n. 633/1941:
http://www.giustizia.it/cassazione/leggi/l633_41.html).
Tutti i diritti, in particolare quelli relativi alla traduzione, alla citazione, alla riproduzione in qualsiasi forma,
all’uso delle illustrazioni, delle tabelle e del materiale software a corredo, alla trasmissione radiofonica o televisiva,
alla registrazione analogica o digitale, alla pubblicazione e diffusione attraverso la rete Internet
sono riservati, anche nel caso di utilizzo parziale.
La riproduzione di questa opera, anche se parziale o in copia digitale, è ammessa solo ed esclusivamente
nei limiti stabiliti dalla Legge ed è soggetta all’autorizzazione scritta dell’Editore.
La violazione delle norme comporta le sanzioni previste dalla legge.
Il regolamento per l’uso dei contenuti e dei servizi presenti sul sito della Casa Editrice Liguori
è disponibile al seguente indirizzo: http://www.liguori.it/politiche_contatti/default.asp?c=legal
L’utilizzo in questa pubblicazione di denominazioni generiche, nomi commerciali e marchi registrati,
anche se non specificamente identificati, non implica che tali denominazioni o marchi
non siano protetti dalle relative leggi o regolamenti.
Liguori Editore - I 80123 Napoli
http://www.liguori.it/
© 2008 by Liguori Editore, S.r.l.
Tutti i diritti sono riservati
Prima edizione italiana Settembre 2008
Barcaccia, Gianni :
Genetica e genomica. Vol. I. Genetica generale/Gianni Barcaccia, Mario Falcinelli
Napoli : Liguori, 2008
ISBN-13 978 - 88 – 207 – 4449 - 6
1. DNA ed ereditarietà 2. Mappe genetiche I. Titolo
Aggiornamenti
18 17 16 15 14 13 12 11 10 09 08
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
2
5.2
DOGMA CENTRALE DELLA GENETICA MOLECOLARE
Figura 5.1
Dogma centrale della genetica molecolare.
3
5.2
DOGMA CENTRALE DELLA GENETICA MOLECOLARE
Figura 5.2
Compartimenti
della cellula
vegetale interessati
alla trascrizione
e alla sintesi
proteica.
4
5.3
TRASCRIZIONE DELL’RNA
Figura 5.3a
Meccanismo
di allungamento
del filamento di RNA
durante il processo
di trascrizione
(da: P.J.Russell
1998, modificata).
5
5.3
TRASCRIZIONE DELL’RNA
Figura 5.3b
Esempio di sequenza nucleotidica di DNA
e di quella dell’RNA risultante dalla sua trascrizione.
6
5.3
TRASCRIZIONE DELL’RNA
Figura 5.4
Bolla di trascrizione (A)
e fasi della trascrizione (B)
(da: R.J. Brooker 1999, modificata).
7
5.3
TRASCRIZIONE DELL’RNA
TIPI DI ACIDI RIBONUCLEICI E DI RNA POLIMERASI
Tabella 5.1
Tipi di RNA ribosomale di procarioti ed eucarioti, con informazioni riguardanti
la lunghezza approssimativa in nucleotidi e la subunità ribosomica di localizzazione.
8
5.3
TRASCRIZIONE DELL’RNA
TIPI DI ACIDI RIBONUCLEICI E DI RNA POLIMERASI
Figura 5.5
Struttura dei ribosomi
procariotici ed eucariotici.
9
5.3
TRASCRIZIONE DELL’RNA
TIPI DI ACIDI RIBONUCLEICI E DI RNA POLIMERASI
Figura 5.6a
Struttura della
molecola di un RNA
di trasferimento (tRNA)
(da: R.J. Brooker
1999, modificata).
10
5.3
TRASCRIZIONE DELL’RNA
TIPI DI ACIDI RIBONUCLEICI E DI RNA POLIMERASI
Figura 5.6b
Rappresentazione del
tRNA per la fenilalanina
(tRNAPhe) di frumento
(da: R.J. Brooker
1999, modificata).
11
5.3
TRASCRIZIONE DELL’RNA
TIPI DI ACIDI RIBONUCLEICI E DI RNA POLIMERASI
Figura 5.7
Azione dell’enzima
aminoacil-tRNA sintetasi.
12
5.3
TRASCRIZIONE DELL’RNA
TIPI DI ACIDI RIBONUCLEICI E DI RNA POLIMERASI
Figura 5.8
Rappresentazioni schematiche
dell’organizzazione discontinua
dei geni eucariotici: ovoalbumina
di pollo (A) e emoglobina di topo (B)
aventi, rispettivamente, sette
introni ed un introne.
13
5.3
TRASCRIZIONE DELL’RNA
TIPI DI ACIDI RIBONUCLEICI E DI RNA POLIMERASI
Figura 5.9
Azione della RNA polimerasi
nella trascrizione di un gene.
14
5.3
TRASCRIZIONE DELL’RNA
TIPI DI ACIDI RIBONUCLEICI E DI RNA POLIMERASI
Tabella 5.2
Proprietà delle RNA polimerasi degli eucarioti.
15
5.3
TRASCRIZIONE DELL’RNA
CONCETTO DI GENE COME UNITÀ DI TRASCRIZIONE
E MECCANISMO DI TRASCRIZIONE
Figura 5.10
Organizzazione
di un gene
eucariotico:
unità di
trascrizione.
16
5.3
TRASCRIZIONE DELL’RNA
CONCETTO DI GENE COME UNITÀ DI TRASCRIZIONE
E MECCANISMO DI TRASCRIZIONE
Figura 5.11
Struttura tipica di un promotore
riconosciuto dalla RNA polimerasi II (A);
esempi di organizzazione di alcuni
promotori eucariotici contenenti
gli elementi TATA, CAAT e GC (B).
17
5.3
TRASCRIZIONE DELL’RNA
CONCETTO DI GENE COME UNITÀ DI TRASCRIZIONE
E MECCANISMO DI TRASCRIZIONE
Figura 5.12
Fasi di formazione del complesso
proteico comprendente i fattori
di trascrizione necessari per l’azione
della RNA polimerasi (da: D.P. Snustad
e M.J. Simmons 1997, modificata).
18
5.3
TRASCRIZIONE DELL’RNA
CONCETTO DI GENE COME UNITÀ DI TRASCRIZIONE
E MECCANISMO DI TRASCRIZIONE
Figura 5.13
Modificazioni principali
che subiscono i precursori
dei trascritti genici
degli eucarioti: aggiunta
del cappuccio di 7-metil
guanosina in 5’, rimozione
degli introni (splicing)
nella regione codificante
e poliadenilazione in 3’.
19
5.3
TRASCRIZIONE DELL’RNA
MECCANISMO DI SPLICING
Figura 5.14a,b
Sequenze consenso
per lo splicing del pre-mRNA
negli eucarioti superiori (A);
meccanismo di rimozione
degli introni dal pre-mRNA (B).
20
5.3
TRASCRIZIONE DELL’RNA
MECCANISMO DI SPLICING
Figura 5.14c
Rappresentazione
schematica di uno
spliceosoma: ogni
ribonucleoproteina
(U1, U2, U3, U4, U5
e U6) è costituita
da snRNA e proteine
specifiche.
21
5.3
TRASCRIZIONE DELL’RNA
MECCANISMO DI SPLICING
Figura 5.15
Schema del processo di auto-splicing.
22
5.3
TRASCRIZIONE DELL’RNA
MECCANISMO DI SPLICING
Figura 5.16
Molecola di mRNA maturo.
23
5.3
TRASCRIZIONE DELL’RNA
MECCANISMO DI SPLICING
QUADRO 5.1 – AMMINOACIDI
Figura 5.17
Struttura dei 20 amminoacidi.
24
5.4
CODICE GENETICO
Figura 5.18
Ipotesi di Gamow
sulla esistenza
di un codice
genetico a tre
lettere (triplette).
25
5.4
CODICE GENETICO
Figura 5.19
Reazione catalizzata dalla
polinucleotide fosforilasi (A);
esperimento di Nirenberg
e Matthaei: relazione esistente
tra nucleotidi e amminoacidi (B).
26
5.4
CODICE GENETICO
Figura 5.20
Effetto delle mutazioni
singole (A), doppie (B)
e triple (C) sul codice
di lettura a triplette.
27
5.4
CODICE GENETICO
Figura 5.21
Sintesi proteica in vitro
con sistemi acellulari
attivati usando RNA
artificiali in presenza
di amminoacidi (A).
Corrispondenza tra
triplette e singoli
amminoacidi: esempio
di calcolo (B).
28
5.4
CODICE GENETICO
Figura 5.22
Corrispondenza fra triplette e amminoacidi: saggio di legame ai ribosomi.
29
5.4
CODICE GENETICO
Figura 5.23
Codice genetico: ogni codone
è specificato dalle lettere
risultanti dalla combinazione
di quelle presenti sul 1°, 2° e 3°
asse ed è scritto così come appare
nell’mRNA in direzione 5’-3’.
30
5.4
CODICE GENETICO
Figura 5.24
ORF di 648
nucleotidi del gene
di erba medica
codificante per la
proteina Mob di 215
amminoacidi.
31
5.4
CODICE GENETICO
Tabella 5.3
Vacillamento dell’anticodone:
possibili combinazioni di appaiamento.
32
5.4
CODICE GENETICO
Figura 5.25
Esempi di appaiamento
per vacillamento:
due diversi codoni per
la leucina (A) possono
essere riconosciuti
da identici tRNA così
come tre diversi codoni
per la glicina (B).
33
5.4
CODICE GENETICO
Figura 5.26
Codice genetico:
conseguenza di mutazioni
puntiformi sul tipo
di amminoacido
specifico dal codone.
34
5.4
CODICE GENETICO
Figura 5.27
Relazione tra
codogeni, codoni
e anticodoni.
35
5.5
SINTESI PROTEICA
Figura 5.28
Rappresentazione schematica della sintesi proteica
(da: R.J. Brooker 2000, modificata).
36
5.5
SINTESI PROTEICA
Tabella 5.4
Elenco dei fattori proteici di inizio, allungamento e rilascio
della catena polipeptidica di procarioti ed eucarioti.
37
5.5
SINTESI PROTEICA
Figura 5.29
Legame peptidico e proprietà
di una catena polipeptidica.
38
5.5
SINTESI PROTEICA
Figura 5.30
Poliribosoma (da P.J. Russell 1988, modificata).
39
5.6
ORGANIZZAZIONE E SMISTAMENTO
DELLE PROTEINE
Figura 5.31
Struttura delle proteine
(da R.J. Brooker 1999,
modificata).
40
5.6
ORGANIZZAZIONE E SMISTAMENTO
DELLE PROTEINE
Figura 5.32
Smistamento delle proteine nella cellula
(da: R.J. Brooker 1999, modificata).
41
5.7
REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA
E AVVICENDAMENTO PROTEICO
REGOLAZIONE GENICA NEI PROCARIOTI
Figura 5.33a
Componenti
dell’operone.
42
5.7
REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA
E AVVICENDAMENTO PROTEICO
REGOLAZIONE GENICA NEI PROCARIOTI
Figura 5.33b
Siti di legame
di una proteina
regolatrice di geni.
43
5.7
REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA
E AVVICENDAMENTO PROTEICO
REGOLAZIONE GENICA NEI PROCARIOTI
Figura 5.34
Formazione di complessi di attivazione o di repressione della trascrizione:
(A) repressore-induttore (inattivo); (B) repressore-corepressore (attivo);
(C) attivatore-induttore (attivo); (D) attivatore-corepressore (inattivo).
44
5.7
REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA
E AVVICENDAMENTO PROTEICO
REGOLAZIONE GENICA NEI PROCARIOTI
Figura 5.35
Sistema inducibile a controllo negativo (A).
Sistema inducibile a controllo positivo (B).
45
5.7
REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA
E AVVICENDAMENTO PROTEICO
REGOLAZIONE GENICA NEI PROCARIOTI
Figura 5.36
Sistema reprimibile a controllo negativo (A).
Sistema reprimibile a controllo positivo (B).
46
5.7
REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA
E AVVICENDAMENTO PROTEICO
REGOLAZIONE GENICA NEI PROCARIOTI
Figura 5.37
Operone lac di E. coli.
47
5.7
REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA
E AVVICENDAMENTO PROTEICO
REGOLAZIONE GENICA NEI PROCARIOTI
Figura 5.38
Operone trp di E. coli.
48
5.7
REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA
E AVVICENDAMENTO PROTEICO
REGOLAZIONE GENICA NEGLI EUCARIOTI
Figura 5.39
Reazione di metilazione
per azione della DNA metilasi.
49
5.7
REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA
E AVVICENDAMENTO PROTEICO
REGOLAZIONE GENICA NEGLI EUCARIOTI
QUADRO 5.2 – ACETILAZIONE DELLE PROTEINE ISTONICHE DEL DNA
Figura 5.40a
Mappa delle modificazioni
degli istoni (histone code)
(da: J. Clayton e C. Dennis
2003, modificata).
50
5.7
REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA
E AVVICENDAMENTO PROTEICO
REGOLAZIONE GENICA NEGLI EUCARIOTI
QUADRO 5.2 – ACETILAZIONE DELLE PROTEINE ISTONICHE DEL DNA
Figura 5.40b
Meccanismo di formazione di stati della cromatina
attivi e inattivi in termini trascrizionali
(da: J. Clayton e C. Dennis 2003, modificata).
51
5.7
REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA
E AVVICENDAMENTO PROTEICO
REGOLAZIONE GENICA NEGLI EUCARIOTI
Figura 5.41
Livelli di controllo dell’espressione
genica negli eucarioti.
52
5.7
REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA
E AVVICENDAMENTO PROTEICO
REGOLAZIONE GENICA NEGLI EUCARIOTI
Figura 5.42
Fattori di regolazione
della trascrizione:
fattori di attivazione (A)
e di repressione (B)
(da: R.J. Brooker
1999, modificata).
53
5.7
REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA
E AVVICENDAMENTO PROTEICO
REGOLAZIONE GENICA NEGLI EUCARIOTI
Figura 5.43
Esempi di proteine
di legame al DNA regolatrici
della espressione genica:
interazione proteina-proteina (A)
e modificazione post-traduzionale,
come ad esempio, fosforilazione (B);
azione di una molecola effettrice,
come ad esempio un ormone (C)
(da R.J. Brooker, 1999, modificata).
54
5.7
REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA
E AVVICENDAMENTO PROTEICO
REGOLAZIONE GENICA NEGLI EUCARIOTI
Figura 5.44
Ormoni delle piante.
55
5.7
REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA
E AVVICENDAMENTO PROTEICO
REGOLAZIONE GENICA NEGLI EUCARIOTI
Figura 5.45
Elementi di controllo ARE.
56
5.7
REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA
E AVVICENDAMENTO PROTEICO
REGOLAZIONE GENICA NEGLI EUCARIOTI
Figura 5.46
Mutanti omeotici di Drosophila (A)
e di Arabidopsis (B).
57
5.7
REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE
GENICA E AVVICENDAMENTO PROTEICO
REGOLAZIONE GENICA NEGLI EUCARIOTI
QUADRO 5.3 – IL GRANDE MONDO DEI PICCOLI RNA
Figura 5.47
Schema sinottico di classificazione della famiglia degli RNA.
58
5.7
REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE
GENICA E AVVICENDAMENTO PROTEICO
REGOLAZIONE GENICA NEGLI EUCARIOTI
QUADRO 5.3 – IL GRANDE MONDO DEI PICCOLI RNA
Figura 5.48
È sempre più evidente che le due classi di small RNA
coinvolte nel silenziamento genico, i micro RNA
(miRNA) e gli short interfering RNA (siRNA), vengono
prodotte da uno stesso meccaniscmo molecolare.
Il processamento del precursore a forcina del miRNA
o dei lunghi RNA a doppio filamento (dsRNA) richiede
l’enzima Dicer e produce un RNA a singolo filamento
di 21-23 nucleotidi. Questo piccolo RNA si lega
all’ RNA-induced silencing complex (RISC) e si dirige
verso l’mRNA bersaglio. A questo punto il meccanismo
si diversifica. Il miRNA si lega all’mRNA bersaglio ma
le piccole differenze tra i due filamenti fanno sì che
questi formino una protuberanza impedendo all’mRNA
di essere tradotto in proteina. Gli siRNA, invece, si
appaiano in modo perfetto con l’mRNA bersaglio
e lo marcano per la degradazione.
59