Cos’è la sintesi proteica, come funziona e in cosa consiste: dal DNA alle proteine

Ogni cellula eucariote, nel DNA presente nel nucleo, custodisce le istruzioni necessarie per sintetizzare le proteine, le "tuttofare" del nostro organismo. Queste molecole, straordinariamente versatili, vengono assemblate grazie alla sintesi proteica, il processo biochimico attraverso il quale l'informazione genetica contenuta nel mRNA viene convertita in proteine. La sequenza di nucleotidi (ATCG) del DNA contiene l'informazione genetica che viene temporaneamente copiata nell'RNA (AUCG) – trascrizione – e, successivamente, grazie al codice genetico viene poi tradotta in una sequenza di amminoacidi – traduzione -, le unità di base che compongono le proteine. Esse svolgono un'ampia gamma di funzioni, dal velocizzare le reazioni metaboliche al trasporto di sostanze, dalla segnalazione cellulare al supporto strutturale.

Il processo di trascrizione: da DNA a RNA messaggero

Il DNA, l'acido desossiribonucleico, è definito la molecola della vita, al suo interno sono contenute tutte le informazioni che ci rendono unici. Possiamo immaginarlo come un libro di istruzioni scritto con un alfabeto di quattro lettere: adenina (A), timina (T), citosina (C) e guanina (G), le basi azotate. Queste lettere si appaiano specificamente (A con T, C con G) formando una struttura a doppia elica che ricorda una scala a chiocciola. Le 4 lettere formano i "gradini" della scala mentre i "corrimano" sono costituiti da una catena di zuccheri pentosi (deossiribosio) e gruppi fosfato. L'insieme di base azotata, zucchero e gruppo fosfato forma il nucleotide, l'unità monomerica caratteristica degli acidi nucleici. Ognuno dei due filamento di DNA ha una direzione precisa, come una strada a doppio senso, indicata dalle estremità 5′ e 3′, che riflettono la chimica dello zucchero presente all'estremità del filamento.

In questo libro chiamato DNA, sono presenti alcune "frasi" (sequenze di ATCG), i geni, che contengono le istruzioni per costruire le proteine. Queste parti di DNA sono formate da sezioni codificanti, gli esoni, che trasportano le informazioni vere e proprie per la proteina, e sezioni non codificanti, gli introni, che vengono rimossi prima che il messaggio venga tradotto. L'informazione, per arrivare ai costruttori delle proteine, i ribosomi, deve passare attraverso un intermediario: l'RNA messaggero (mRNA).

Questo avviene tramite la trascrizione, il processo in cui un enzima, un proteina che accelera una reazione chimica, chiamato RNA polimerasi II, legge il DNA e crea una copia temporanea, l'mRNA, formata da un solo filamento. Questo enzima si muove lungo il DNA in direzione 5′ → 3′, costruendo l'mRNA con un alfabeto simile a quello del DNA, ma con una differenza: al posto della T, usa la U (uracile). Quindi, quando legge una A sul DNA, mette una U sull'mRNA, e viceversa e quando legge una C mette una G e viceversa. DNA e RNA differiscono, oltre che per il numero di filamenti e la lettera U, anche per o zucchero pentoso che li costituisce, infatti, nell'mRNA è presente il ribosio.

Il messaggero così creato viene definito pre-mRNA che, per diventare un pronto per l'uso, deve subire delle modifiche:

• Cappuccio all'estremità 5′: un "cappuccio" chimico viene aggiunto all'inizio dell'mRNA per proteggerlo e aiutarlo a legarsi ai ribosomi nella fase successiva.
• Coda di poli-A all'estremità 3′: una lunga coda di adenine (poli-A) viene aggiunta alla fine dell'mRNA, per stabilizzarlo e facilitarne l'uscita dal nucleo.
• Splicing: in questa fase vengono rimossi i tratti di RNA non codificanti (introni) e uniti tra loro i tratti codificanti (esoni), quelli che effettivamente portano le istruzioni per costruire le proteine.

Ora l'mRNA maturo è pronto per lasciare il nucleo e portare il suo messaggio ai ribosomi nel citoplasma, dove verranno costruite le proteine.

La sintesi proteica: cos'è e come funziona

La sintesi proteica o traduzione è il passo successivo alla trascrizione, in cui l'informazione contenuta prima del DNA e poi nell'mRNA viene "tradotta" nel linguaggio delle proteine. Proprio come tradurre un testo da una lingua all'altra, la cellula decodifica la sequenza di nucleotidi (A, U, C, G nell'RNA) in una sequenza di amminoacidi. Le proteine, infatti, sono polimeri, lunghe catene di amminoacidi a loro volta composti da carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto e talvolta zolfo. Questi mattoncini, divisi in non essenziali (vengono sintetizzati dal nostro corpo) e essenziali (introdotti tramite la dieta), si legano tra loro attraverso legami peptidici, un tipo di legame covalente che si forma tra il gruppo carbossilico (-COOH) di un amminoacido e il gruppo amminico (-NH₂) di un altro.

Per portare a termine la traduzione, gli amminoacidi non si assemblano in modo autonomo ma la cellula impiega i ribosomi, organelli costituiti da due subunità (una maggiore e una minore) di RNA ribosomiale (rRNA) e proteine. I ribosomi "leggono" la sequenza di nucleotidi dell'mRNA a gruppi di tre, chiamati codoni, e a ogni codone associano la sequenza complementare, l'anti-codone, presente su un'altra categoria di RNA, i tRNA o RNA di trasporto. L'anti-codone è specifico per un amminoacido, caricato sul tRNA dall'enzima aminoacil-tRNA sintetasi. Per comprendere meglio, vediamo passo passo come avviene questo processo.

Il ribosoma, al suo interno possiede tre "scompartimenti", i siti A – P – E, specifici per ogni passaggio della sintesi proteica.

1. Inizio della traduzione: il sito A accoglie il tRNA con l'amminoacido associato (l'amminoacil-tRNA) e permette il riconoscimento tra codone (dell'mRNA) e anticodone (del tRNA).
2. Allungamento del polipetide: nel sito P, se il legame è corretto, avviene il legame peptidico tra l’amminoacido associato al tRNA e la proteina in formazione.
3. Terminazione della traduzione: nel Sito E (da exit, uscita) il tRNA, ormai privo dell'amminoacido, può lasciare il ribosoma.

Codoni specifici come UAA, UAG e UGA segnalano al ribosoma che la traduzione deve terminare e a questo punto la proteina può essere rilasciata.

Facciamo un esempio pratico: il ribosoma scorre l'mRNA e incontra inizialmente il codone di inizio AUG, che codifica per l'amminoacido metionina (Met). Un tRNA specifico, con l'anticodone complementare, si lega al sito A del ribosoma, portando con sé la metionina. Il codone successivo sull'mRNA, ad esempio GUC, specifica l'amminoacido valina (Val). Un altro tRNA, con l'anticodone CAG, si posiziona nel sito A, recando la valina.

A questo punto, la metionina, precedentemente legata al tRNA nel sito P, forma un legame peptidico con la valina nel sito A. Il tRNA "scarico" nel sito P si sposta nel sito E e viene rilasciato, mentre il tRNA con la catena peptidica (Met-Val) si trasloca nel sito P. Il sito A è ora libero per accogliere il tRNA corrispondente al codone successivo. Questo processo si ripete, con l'aggiunta sequenziale di amminoacidi alla catena in crescita, finché il ribosoma non incontra un codone di stop (UGA, UAA o UAG) sull'mRNA, segnalando la fine della traduzione e il rilascio della proteina completa.

Ogni codone, quindi, codifica per un particolare amminoacido (o un segnale di inizio o fine della traduzione), determinando così l'ordine preciso in cui gli amminoacidi verranno assemblati per formare la proteina. Il ribosoma deve essere molto preciso, un solo errore può causare la perdita di struttura della proteina e anche della sua funzione.

Il codice genetico: un linguaggio universale e degenerato

Il codice genetico è il motore che guida la sintesi delle proteine, guidando il processo a partire da come viene organizzata l'informazione nel DNA, passando dalla copia temporanea di mRNA.  Due aspetti fondamentali del codice genetico sono la sua universalità e la sua degenerazione. È definito universale perché è presente e viene usato in tutti gli organismi viventi con piccole eccezioni. La degenerazione, invece, deriva dal fatto che i 64 codoni possibili (generati dalle quattro basi azotate in triplette) codificano per soli 20 amminoacidi; tre di questi codoni agiscono come segnali di terminazione (UAG, UAA, UGA), mentre i restanti 61 specificano gli amminoacidi. Questa ridondanza implica che più codoni possono codificare per lo stesso amminoacido, un aspetto cruciale del codice genetico.