Seconda Università degli Studi di Napoli DiSTABiF Corso di Laurea in Scienze Biologiche Insegnamento di CHIMICA BIOLOGICA Prof. Antimo Di Maro Anno Accademico 2014-15 Lezione 12 Replicazione, Trascrizione, Traduzione Replicazione La chimica in generale 5’ H H H H 3’ La chimica, per il primo deossinucleutide 5’ H H 3’ 9 La replicazione del DNA richiede deossinucleotidi trifosfati Reazione chimica; REAGENTI Î PRODOTTI DNA stampo Innesco o primer (RNA 11 +/- 1) N Mg2+ DNA ligasi Pirofosfatasi 2 Pi Parte dell’energia del processo deriva da questa reazione 3’ 5’ Sintesi lenta 5’ 3’ Sintesi veloce Enzima principale: DNA polimerasi, meccanismo semiconservativo 9 La replicazione del DNA avviene su di uno stampo ed è semi-conservativa 9 La replicazione del DNA inizia in un sito d’origine (le forcelle di replicazione) e procede in entrambe le direzioni. delle Il processo di replicazione , che ha probabilmente inizio a livello sequenze palindromiche, inizia quando speciali proteine di iniziazione convertono punti di inizio quiescenti in CENTRI ATTIVI. Le proteine che favoriscono e determinano lo svolgimento della doppia elica del DNA sono, nell’ordine: - Girasi - DNA elicasi - Proteine destabilizzanti la doppia elica, SSB (che si legano al DNA a singola elica) - Topoisomerasi: introducono e riparano tagli transitori per allentare la tensione introdotta dalla elicasi Palindromo L’oriC è un tratto complesso del DNA ricco in strutture palindromiche con zone “stem e loop”. La struttura ne permette il riconoscimento da parte di tutti gli enzimi atti alla replicazione: “il replisoma” Una sola nei batteri, diverse negli eucarioti data la maggior lunghezza (la replicazione comunque deve avvenire in un tempo ragionevole. le-ta-le, Ma-rem-ma, Ne-ro-ne Struttura a forcina Struttura a croce -Se sono coinvolte due catene) La direzione di sintesi del DNA è 5’Æ 3’ 5’P-Primer/innesco o catena in accrescimento Forcina di replicazione 3’ Primer (da primasi) 3’ (OH) Girasi 5’ 3’ Sintetizzato 3’ (0H), OK DNA pol III SSB SSB Direzione di sintesi Elicasi Primer (da primasi) 3’ (OH) 5’ Qui non c’è il 3’ (0H) ?????, come funzione la DNA pol III. Dato che la sintesi con le due pol III va in una sola rìdirezione?? Nella forcina di replicazione vi sono due DNA pol III, che viaggiano insieme nella stessa direzione e “muovendosi nelle stessa direzione della replicazione” Forcina di replicazione con “trucco” 3’ Elica veloce 5’ Girasi 5’ 3’ Primer (da primasi) 3’ (OH) 3’ SSB SSB Elicasi DNA pol III Dimero Sintetizzato 3’ (0H), OK DNA pol III Direzione di sintesi Elica lenta 3’ 5’ 3’ Scorrimento continuo Forcina di replicazione con “trucco” 3’ Elica veloce 5’ Girasi 5’ 3’ Primer (da primasi) 3’ (OH) 3’ SSB SSB DNA pol III Dimero Sintetizzato 3’ (0H), OK DNA pol III Elicasi Direzione di sintesi Elica lenta 3’ 5’ 3’ Scorrimento continuo Forcina di replicazione con “trucco” 3’ Elica veloce 5’ Girasi 5’ 3’ 3’ Sintetizzato 3’ (0H), OK SSB SSB DNA pol III Dimero Elicasi Si ricomincia DNA pol III Direzione di sintesi Elica lenta 3’ 3’ Scorrimento continuo Frammento di Okazaki 2 5’ Frammento di Okazaki 1 Man mano che la forcella di replicazione si muove, il primer del elica lenta in sintesi si allontana. Quindi la primasi nella bolla sintetizza un altro primer e la DNA pol III ricomincia la sintesi; quindi un altro frammento di Okazaki…… sintesi discontinua 5’->3’ I frammenti di RNA vengono sintetizzati dalla primasi Schema del replisoma La DNA Polimerasi funziona in forma dimerica, qui viene rappresentato solo il dimero della subunità β La DNA III polimerasi ha anche attività nucleasica 3’Æ 5’ . Correzione di bozze (proofreading). Rimozione di deosinucleotidi non corretti. che significa … “torna indietro se non c’è corretto appaiamento” L’innesco deve essere sostituito con DNA. DNA pol I I frammenti di RNA devono essere eliminati, attività esonucleasica 5’-3’ e poi polimerasica 5’-3’. DNA pol I, poi interviene la ligasi La ligasi chiude il nick, utilizzando ATP o NAD+ AMP-E Processività: per quanto tempo sintetizza prima di staccarsi dallo stampo Polimerizza equivale alla DNA pol III Mitocondri Ripara Processività: per quanto tempo sintetizza prima di staccarsi? Non dimenticate gli istoni, devono essere tolti durante la sintesi del DNA, e poi dei nuovi sono sintetizzati ex-novo man mano che il nuovo DNA viene sintetizzato. Enzimi implicati REPLICONE Trascrizione La chimica RNA polimerasi DNA dipendente La trascrizione DNA stampo RNA polimerasi DNA dipendente RNA (polimero) + PPi ATP+CTP+UTP+GTP Mg2+ Mn2+ Pirofosfatasi 2 Pi 9 Ribonuceosidi tri-fosfati 9 Mg2+ : Mn2+ 4:1 9 Direzione di sintesi dell’RNA 5’ -> 3’. Il DNA stampo viene copiato in direzione 3’-5’ 9 Viene copiata una sola catena 9 Manca il primer (ma si ha sintesi solo associata a presenza di DNA) Paragone in procarioti ed eucarioti LA TRASCRIZIONE AVVIENE CON L’APPAIAMENTO DI BASI IN UNA “BOLLA" DI DNA RNA pol separa i due filamenti di DNA in una “bolla” transiente ed usa un filamento come template per la sintesi di una sequenza di RNA complementare. La bolla è lunga ~12‐14 bp, e la lunghezza dell’ibrido RNA‐DNA è di ~8‐9 bp. La velocità della reazione è di ~40 nt/sec a 37°C (per la RNA pol batterica); che è simile alla velocità di traduzione (15 amino acidi/sec), ma molto più lenta di quella di replicazione del DNA (800 bp/sec) Complesso chiuso Complesso aperto Primo nucleotide purina Sintesi La reazione di trascrizione ha tre fasi ¾ ¾ ¾ Inizio descrive il passaggio fino alla sintesi del primo legame del RNA. Include il legame della RNA polimerasi al promotore ed il “melting” di una corta regione di DNA in singolo filamento. Allungamento è il passaggio nella reazione di sintesi della macromolecola (per la replicazione, trascrizione, o traduzione) quando la catena nucleotidica o peptidica si allunga per l’aggiunta della subunità. Terminazione è il passaggio che termina la sintesi della macromolecola bloccando l’addizione delle subunità, e generalmente causando la dissoluzione dell’apparato di sintesi LA RNA POLIMERASI BATTERICA È FATTA DA SUBUNITÀ MULTIPLE L’oloenzyme (enzima completo) è un complesso di 5 subunità che comprende il “core enzyme” e il sigma factor che è competente per l’inizio della trascrizione batterica. | RNA core polimerasi batteriche sono ~500 kD complessi multisubunità con la struttura generale. | Negli eubatteri un solo tipo di RNA polimerasi è responsabile della sintesi di tutti gli RNA (mRNA, rRNA e tRNA). | RNA polimerasi batterica Il ciclo della polimerasi batterica: y Inizio Legame | Complesso chiuso | Complesso aperto | Evasione | y y y Allungamento Terminazione La subunità sigma è necessaria nella fase di inizio La catena neosintetizzata di RNA, sintetizzata sulla catena stampo Ha la sequenza della catena codificante (con U al posto di T e con Ribosio al posto del deossiribosio). Il DNA codificante può essere presente su ambedue le eliche del DNA Adenovirus Convenzioni e termini associati con l’Unità di trascrizione 5’ 3’ Promotore +1 3’ Catena codificante 5’ Catena stampo Promotore procarioti Tre fasi 1.Inizio 2.Allungamento 3.Terminazione La sintesi dell’RNA inizia dai promotori Pribnow box (TATA box) Buona parte del riconoscimento dei promotori sono dovuti dalla subunità sigma; nei procarioti in condizioni ambientali differenti per il riconoscimento di promotori necessari, vi sono differenti subunità sigma RNA polimerasi di Thermus acquaticus Simile a RNA polimerasi di E. coli Inizio e allungamento La subunità sigma riconosce il promotore, varie subunità per vari promotori Sequenze specifiche segnalano la fine della sintesi. Vi sono terminatori che hanno bisogno di fattori proteici, molto noto è quello rho dipendente. RNA polimerasi eucariotiche: Mr 500-600 k; 14 subunità RNA polimerasi I nucleolo rRNA (50-70%) RNA polimerasi II nucleoplasma mRNA e RNA nucleare piccolo snRNA 20-40% RNA polimerasi III nucleoplasma tRNA, 5S rRNA Promotori eucariotici -75 GGNCAAT CT CAAT Box -25 -1 +1 TATA TATA Box Hogness box Molte piu’ segnenze regolatrici a monte e a valle e non dimenticate gli istoni Molti più fattori di inizio TATA‐Binding protein(TBP) TBP è una subunità di TFIID. E fatto da due domini simili. Lega TATA box e ripiega il DNA dando così un segnale agli altri general TF | TFIID, è fatto da TBP e 11 TAFs (TBP associated factor), con una massa totale di ~800 kD | TBP lega il DNA nella minor groove, con un dominio beta. Lo distorce ed allarga il solco minore‐ | Inibitori della trascrizione Eucarioti Anche in questo caso vi sono tre fasi: •Inizio* •Allungamento° •Terminazione§ *Non vi è un fattore sigma ma centinaia di fattori di inizio.. Molte sequenze sia Enhancer, attenuatori, silencer. ° Caratteristiche differenti per le differenti RNA polimerasi. Molto più complesso il meccanismo per la presenza degli istoni § Esistono sequenze consenso per la terminazione e fattori non del tutti noti. Modifiche posttrascrizionali degli RNA eucariotici Il cap 7-metil guanosina legame 5’-5’ Maturazione dell’mRNA Lo splicing prevede reazione in cui sono implicati il ribosio e il fosfato degli RNA. Vi sono differenti gruppi in riferimento alla classe degli RNA Lo splicing Gruppo I Lo splicing Gruppo II Spliceosoma Lo splicing Gruppo III Aggiunta della coda di poli(A) al 3’. Utilizzata per separare l’mRNA eucariotico SINTESI PROTEICA Tradurre il messaggio degli acidi nucleici in proteine (da codice a quattro lettere in codice a 20 lettere 76 Traduzione: sintesi proteica Codice genetico Amminoacil-tRNA sintetasi Ribosomi Meccanismi della sintesi proteica (procarioti): 1. Attivazione degli amminoacidi 2. Inizio 3. Allungamento 4. Terminazione 5. Avvolgimento e modifiche post-sintetiche Inibitori 77 Una visione d’insieme del processo…. 78 Il codice genetico è: Costituito da triplette di nucleotidi 43 Non sovrapposto Senza punteggiature Ridondante/degenerato (Quasi) universale = 64 combinazioni 81 Codice genetico degenerato Codone (triplette di basi) Terminazione U C A G * * * * * * Inizio Formil-Met U C A G U C A G 82 Terza base U C A G Varianti del codice genetico 1. The standard code 2. The vertebrate mitochondrial code 3. The yeast mitochondrial code 4. The mold, protozoan, and coelenterate mitochondrial code and the mycoplasma/spiroplasma code (batteri) 5. The invertebrate mitochondrial code 6. The ciliate, dasycladacean and hexamita nuclear code (protisti) 7. The echinoderm and flatworm mitochondrial code 8. The euplotid nuclear code (protista) 9. The bacterial, archaeal and plant plastid code (batteri, plastid) 10. The alternative yeast nuclear code (funghi) 11. The ascidian mitochondrial code 12. The alternative flatworm mitochondrial code 13. Blepharisma nuclear code (protista) 14. Chlorophycean mitochondrial code 15. Trematode mitochondrial code 16. Scenedesmus obliquus mitochondrial code 17. Thraustochytrium mitochondrial code 18. Pterobranchia mitochondrial code La reazione di Sintesi delle proteine è energicamente “sfavorita” a vari livelli… con un estere entropicamente 84 Macromolecole implicate Ribosomi tRNA amminoacil tRNA sintetasi mRNA fattori proteici Energia ATP (per la sintesi degli aa-tRNA) GTP Si divide in fasi: •Inizio •Allungamento •Terminazioni I ribosomi Una delle differenze sostanziali tra sistemi procarioti ed eucarioti è la differente complessità dei ribosomi. Sono macromolecole formate da rRNA e proteine (circa il 50%). Due subunità…. Procarioti Ribosoma 70S Sub maggiore 50S e Sub minore 30S. Sub maggiore: rRNA 23S + 5S. Sub minore: rRNA 16S Eucarioti Ribosoma 80S Sub maggiore 60S e Sub minore 40S. Sub maggiore: rRNA 28S + 5S + 5,8S. Sub minore: rRNA 18S 87 rRNA è importantissimo per la corretta struttura tridimensionale dei ribosomi. E’ altamente conservato viene sempre attivamente trascritto e presenta un organizzazione secondaria e terziaria molto complessa. Le proteine presenti spesso si servono di questa impalatura per ritrovare la loro posizione tridimensionale sul ribosoma stesso. Vi sono due classi di proteine le S (small) per la subunita minore e le L (Large) per la maggiore. Struttura secondaria e tridimensionale del rRNA 16S I ribosomi sono strutture che in vitro si assemblano da sole seguendo eventi successivi e noti… Ribosoma 70S Fin a qualche anno fa si pensava che la sintesi proteica dipendesse soprattutto dalla componente proteica. Gli ultimi dati stanno dimostrando il contrario cioè che la componente rRNA è di primaria importanza (attività catalitica). Difatti gli rRNA da soli riescono a catalizzare il formarsi del legame peptidico (attività peptidil trasferasica…) New Struttura tridimensionale con i raggi X tRNA Hanno una struttura altamente conservata. Presentano struttura secondaria e sono ricchi di basi modificate. Ne esistono teoricamente 64… 1 5 Le modifiche delle basi sono effettuate dopo sintesi trascrizionale e spesso il tratto CCA 3’ è aggiunto successivamente alla maturazione della molecola Amminoacil-tRNA sintasi Le aa-tRNA sintetasi leggono il codice genetico Tali enzimi sono divisi in due classi principali: quelli di classe I e di classe II. • Quelli di classe I formano il legame tra aa e l’ossidrile 2’, mentre quelli di classe II al 3’; • Quasi tutti gli enzimi di classe I sono monomerici mentre quelli di classe II sono dimerici; • Legano tRNA ed ATP in modo differente; Tali enzimi sono complessi e devono assolvere a due differenti funzioni entrambi importantissime: 1. legare l’aa al tRNA 2. controllare che vi sia esatta corrispondenza tra anticodone del tRNA e aa corrispondente Amminoacil-tRNA (l’adattatore) Attivazione degli amminoacidi ATP + tRNA + aa -> aa-tRNA + AMP +PP Enzima= amminoaciltRNA sintetasi PP -> P + P Pirofosfatasi Reazione completa ATP + tRNA + aa -> aa-tRNA + AMP +2P L’intera reazione avviene sulle aa-tRNA sintetasi Amminoacil-tRNA sintetasi amminoacido + ATP → amminoacil-AMP + PPi amminoacil-AMP + tRNA → amminoacil-tRNA + AMP Attivazione degli amminoacidi Amminoacil-tRNA sintetasi Pirofosfatasi PPi + H2O → 2Pi Legame anidridico (acido + acido) Legame estereo (acido + alcool) L’enzima che presenta legato il tRNA corrispondente deve controllare l’esatto amminoacido da caricare. Le cose non sono complicate per aa molto differenti ma cominciano ad essere complicate per aa simili. Interazioni strutturali Le amminoacil-tRNA sintetasi hanno attività di correzione di “bozze” Amminoacil-tRNA sintetasi diverse per i diversi amminoacidi Le amminoacil-tRNA sintetasi sono specifiche e riconoscono l’amminoacido ed il relativo tRNA I siti di riconoscimento delle amminoacil-tRNA sintetasi su tRNA. -In blu le posizioni riconosciute in tutti i tRNA; -In arancione e verde punti di riconoscimento per una o più amminoacil-tRNA sintetasi, rispettivamente In rosso (l’anticodone) riconosciuto dalla amminoacil-tRNA sintetasi Per il tRNAfMet Tutte queste macromolecole portano alla sintesi proteica che: Sintetizza proteine sempre dalla posizione Nterminale al C-terminale l’RNA messaggero viene letto dal lato 5’ Furono usati RNA messaggeri sintetici che a seconda della direzione di sintesi avrebbero dato polipeptidi di una determinata sequenza. Siti di unione del tRNA al ribosoma Subunità 50S Subunità 30S Sito P (Sito peptidilico- tRNA- 30 e 50S) Sito A (Sito amminoacilico-tRNA30 e 50S) Sito E (sito di uscita- exit – subunità 50S) La sintesi proteica a questo punto può iniziare ma vi è un altro problema da risolvere… da quale codone iniziare. Primo amminoacido codificato è Met (AUG), [(Val) GUG ] ma lungo un mRNA c’è ne possono stare vari anche all’inizio di tale molecola, come riconoscere quello corretto?. I procarioti hanno risolto questo problema presentando al 5’ una sequenza che è complementare al 3’ del rRNA 16S. Quindi il codone AUG e tali sequenze, dette di Shine-Dalgarno risolvono il problema. Sequenze di Shine-Dalgarno La sintesi proteica procariotica inizia in presenza di: fMet-tRNA, subunità minore del ribosoma, mRNA, e i fattori IF1, IF2 e IF3. Vi è una stessa sintetasi per la fMet-tRNA e MettRNA, ma due tRNA differenti. Dopo la sintesi di Met-tRNA vi è un enzima che riconosce il tRNAf e modifica la Met legata formil-metionil-tRNAMet (fMet-tRNAMet) Fattori di inizio Fattore IF-1 IF-2 IF-3 Funzione Previene il legame prematuro dei tRNA al sito A Facilita il legame del fMet-tRNAfMet alla subunità ribosomale 30S Si lega alla subunità 30S; previene la associazione prematura della subunità 50S; aumenta la specifità del sito P per la fMettRNAfMet IF1 e IF3 impediscono alle subunità minore e maggiore del ribosoma di unirsi quando non c’è necessità. IF2-GTP arriva con la tRNAMetform e mRNA e porta con consumo di GTP alla formazione del ribosoma 70S pronto alla sintesi Formazione del Complesso di Inizio 30S (30S IC) Movimenti dei fattori e unione fra il fMet-tRNAfMet e il codone di inizio (AUG) Sito P Formazione del Complesso di Inizio 70S (70S IC) Unione di 50S, idrolisi di GTP e liberazione di IF1 e IF2 Ciclo di Allungamento 1. Legame dell’amminoacil-tRNA 2. Formazione del legame peptidico 3. Traslocazione Fattori di allungamento procarioti funzione EF-Tu EF-Ts EF-G Legame del amminoacil-tRNA Riciclaggio di EF-Tu o eEF1α Traslocazione Il ciclo EF-Tu e EF-Ts. EF-Tu trasporta in presenza di GTP il aa-tRNA al sito A. Solo il tRNA con fMet va direttamente al sito P. La catena di montaggio… Fattori EF-Tu e EF-Ts Via di fuga del polipeptide La formazione del legame peptidico prevede la formazione di un carbonio tetravalente. Qui avviene la scelta L-aa! Qui non vengono accettati D-aa la reazione della peptidil trasferasi (riboenzima) Alcune molecole di tRNA riconoscono più codon, difatti si è notato che per il codon le prime due basi sono le più importanti che in molti casi decidono già un determinato aa. L’oscillazione permette il riconoscimento di più codoni Codone e anticodone sono antiparalleli Dopo la reazione della trans-peptidil trasferasi, interviene il fattore proteico, EF-G. Tale fattore con idrolisi di GTP sposta esattamente di 3 basi l’RNA messaggero. Il tRNA con la catena nascente si trasferisce al sito P e al sito A va un nuovo aa-tRNA con l’aiuto di EFTu-GTP. EF-Tu EF-G Struttura-funzione delle macromolecole La sintesi proteica è terminata dai fattori di rilascio, che leggono i codoni di stop. Terminazione Fattori di rilascio Funzione Procarioti RF-1 Riconosce UAA ed UAG RF-2 Riconosce UAA ed UGA RF-3 Lega GTP e stimola il legame di RF-1 e RF-2 Inizio 5’ N Allungamento Fine 3’ C I residui amminoacidici vengono aggiunti alla estremità C-terminale La sintesi negli eucarioti • • • • • • • • trascrizione e traduzione separate; un maggior numero di fattori proteici; i ribosomi sono più complessi (80S) regolazione temporale tra sintesi di RNA e proteine; nomenclatura differente per i fattori proteici; inizio, allungamento e termine rispettati; il termine presenta un solo fattore di terminazione eRF. L’inizio presenta….differenze sostanziali Mancano sequenze di riconoscimento per il primo AUG, non c’e’ fMet ma comunque uno specifico “f”tRNAMet. Ha una notevole importanza il CAP. Da esso con dispendio di energia si cerca l’AUG d’inizio. Molti fattori di inizio più di 9… Inizio negli eucarioti Preparazione e controllo del mRNA Legame del metionil-tRNA iniziatore (Met-tRNAi) alla subunità piccola (40S) del ribosoma Associazione del complesso del mRNA con il complesso della subunità piccola ed esplorazione per trovare il codone d’ inizio Associazione della subunità grande (60S) del ribosoma, dissociazione e riciclaggio dei fattori d’ inizio mRNA policistronico mRNA monocistronico cappuccio 5' coda di poli(A) Fattori di allungamento procarioti eucarioti funzione EF-Tu EF-Ts EF-G EF1α EF1βγ EF2 Legame del amminoacil-tRNA Riciclaggio di EF-Tu o eEF1α Traslocazione Terminazione Fattori di rilascio Funzione Procarioti RF-1 Riconosce UAA ed UAG RF-2 Riconosce UAA ed UGA RF-3 Lega GTP e stimola il legame di RF-1 e RF-2 Eucarioti eRF-1 Riconosce UAA, UAG ed UGA eRF-3 Lega GTP e stimola il legame di eRF-1 Inibitori della sintesi proteica Inizio Linezolid Fluoruro di sodio (NaF) Acido aurintricarbossilico Streptomicina Allungamento Tetracliclina (Legame dell' aminoacil-tRNA) Cloranfenicolo (Peptidiltrasferasi) Acido fusidico (Traslocazione) Proteine inattivanti i ribosomi (RIPs): ricina (Traslocazione) Alfa-sarcina (Traslocazione) Fine Puromicina Modifiche successive alle sintesi: (modifiche post-traduzionali) •sequenza segnale •modifica di amminoacidi •aggiunta di catene di glucidi (N- e O Glicosilazione) •Aggiunti di gruppi prostetici •modifiche proteolitiche •formazione di ponti disolfuro Degradazione delle proteine •degradazione con proteasi •Ubiquitina e Proteasoma (eucarioti) Negli Eucarioti, in particolare, vi è il sorting di proteine «dirigere le proteine nell’organulo opportuno» (RER, GOLGI, Extracellulare etc» Vi sono «sequenze di localizzazione specifiche» Spesso all’N-terminale della proteina.. Negli Eucarioti vi è ma maturazione delle proteine: Modifiche post-traduzionali Si possono produrre proteine/peptidi con meccanismi differenti dalla traduzione? Solo in alcuni batteri esiste la possibilità di produrre peptidi, spesso ciclici, con un meccanismo non traduzionale.