Stadi del meccanismo di sintesi proteica su ribosomi 70S

Il meccanismo di sintesi proteica sui ribosomi 70S comprende le seguenti fasi:

1. La trascrizione:

Il processo di sintesi proteica viene avviato dallo srotolamento di filamenti di molecole di DNA. Un filamento di molecola di DNA agisce come un modello per la formazione di mRNA. L'mRNA è formato secondo i codici tripletto del DNA mediante il processo di copia o trascrizione.

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Non appena l'mRNA è formato, lascia il nucleo e raggiunge il citoplasma dove si attacca con la subunità 30S dei ribosomi. L'mRNA trasporta i codoni triplette per la sintesi delle proteine.

2. L'attaccamento di mRNA con ribosoma 30S e formazione di polyribosome:

Nelle cellule procariotiche è stato osservato che prima del processo di sintesi proteica i ribosomi si presentano in stato dissociato e inattivo. L'mRNA si lega con la subunità ribosomiale 30S in presenza di fattore proteico F ₂ . Presto il N-formilmetionile-tRNA (F-met-t RNAf) viene dal citoplasma e si lega con il primo codone triplo (AUG o AUA) dell'mRNA per iniziare il processo di sintesi proteica e per formare il complesso di iniziazione.

La formazione del complesso di iniziazione è aiutata dal GTP (Guanosine trifosfato) e da 3 fattori proteici (F ₁, F ₂ e F ₃ ). Dopo la formazione del complesso di iniziazione, la subunità ribosomiale 30S si unisce alla subunità ribosomiale 50S per formare il ribosoma 70S. L'unione delle subunità ribosomiali si verifica in presenza di ioni Mg ++ e fattori F ₁ e F ₂ .

I codici dell'mRNA non sono letti solo da un ribosoma, ma molti ribosomi si muovono e leggono i codici dell'mRNA. Quando molti ribosomi si legano con l'mRNA si verifica la formazione di polisoma o di polribosoma.

3. Il trasferimento di aminoacidi nel sito di sintesi proteica:

Gli aminoacidi vengono trasferiti dal pool di amminoacidi intracellulari ai ribosomi dal tRNA. I processi di trasferimento avvengono in varie fasi che sono le seguenti.

(a) Attivazione di amminoacidi:

Ciascuno dei 20 aminoacidi si verifica nel citoplasma in uno stato inattivo. Ogni amminoacido prima del suo attacco con il suo specifico tRNA viene attivato da uno specifico enzima attivatore noto come aminoacil sintetasi e ATP. Gli amminoacidi liberi reagiscono con l'ATP, determinando la produzione di amminoaciladenilato e pirofosfato:

Enzima AA + ATP + → AA ~ AMP - enzima + PP

Aminoacido Aminoacil sintetasi Amminoaciladenilato Complesso di pirofosfato sintetasi

Il prodotto di reazione amminoaciladenilato è legato all'enzima sotto forma di un complesso monocovalente. Questo complesso di enzima di amminoacil-adenilato poi si esterifica a molecola di tRNA specifica. La cellula ha almeno 20 enzimi aminoacil sintetasi per i 20 amminoacidi. Ogni enzima è specifico e si attacca con l'amminoacido specifico senza alcun errore.

(b) Attaccamento dell'amminoacido attivato al tRNA:

L'amminoaciladenilato rimane legato con l'enzima fino a quando non si scontra con la specifica molecola di tRNA. Quindi, il gruppo carbossilico di acido del residuo amminoacidico di amminoacil adenilato viene trasferito al gruppo 3 OH del ribosio dell'adenosina terminale all'estremità CRA del tRNA. Di conseguenza, l'AMP e l'enzima vengono rilasciati e un prodotto finale aminoacil tRNA è formato dal seguente metodo:

'A' = sito amminoacilico o sito decodificante, 'P' = sito peptidilico o sito di condensazione, 'E' = sito esistente,

AA ₁ = N-formil metionina.

AA ₂ = treonina.

AA-AMP-Enzima + tRNA → AA - tRNA + AMP + Enzima

Aminoaciladenilato e enzima Aminoacil-tRNA

L'aminoacil-tRNA si sposta verso il sito di sintesi proteica, cioè ribosomi con mRNA.

4. Iniziazione della sintesi proteica:

Come abbiamo già detto, l'inizio della sintesi proteica nel batterio Escherichia coli (E. coli) comporta la formazione del complesso 70S. In esso l'mRNA ha sempre il primo codone triplo come AUG all'inizio (cioè 5 'fine). I codoni di AUG sono i codici per l'amminoacido metionina.

La metionina rimane formulata e ha un ruolo molto importante nell'avviare il processo di sintesi proteica. In ogni tipo di proteina la formil metionina occupa il primo posto nella molecola e quando la molecola proteica viene completamente sintetizzata, la formilmetionina spesso si stacca dalla molecola proteica di nuova sintesi per l'attività di un enzima idrolitico.

Poiché nella sintesi proteica la catena del peptide cresce sempre nella sequenza dal gruppo amminico terminale libero (-NH ₂ ) verso l'estremità carbossilica (-COOH), la funzione della formilmetionina -tRNA (AA ₁ -tRNA nelle figure 38.22 e 38.23 ) è quello di garantire che le proteine ​​siano sintetizzate in quella direzione.

Nel formil metionina-tRNA, il gruppo ammino (-NH ₂ ) viene bloccato dal gruppo formile lasciando solo il gruppo -COOH disponibile per reagire con il gruppo NH ₂ del secondo amminoacido (AA ₂ ). In questo modo la sintesi della catena proteica segue la sequenza corretta.

5. Allungamento della catena polipeptidica:

Con la formazione di ribosoma funzionale 70S (cioè 70S-mRNA-F con tRNA), l'allungamento della catena polipeptidica è determinato dall'aggiunta regolare di aminoacidi e dai relativi movimenti di ribosoma e mRNA in presenza di molecole GTP, in modo che un nuovo codone triplet rimane disponibile per il nuovo tiamino aminoacilico alla decodifica o al sito di ribosoma "A" in ciascuna fase. Quindi, il tRNA di F-met, deve spostarsi dal sito di decodifica (sito 'A' al sito peptidile o sito 'P' prima che il secondo aminoacil-tRNA (cioè tRNA AA ₂ ) possa legarsi al prossimo codone triplet che si verifica alla decodifica o 'A' sito di ribosome.

L'aminoacil-tRNA (tRNA AA ₂ ) si lega con il codone del sito "A" in presenza di GTP e due proteine, chiamate fattori di trasferimento (denominati Tn e Ts) che rimangono associati ai ribosomi. Durante questo processo di legame, si forma un complesso tra GTP, i fattori di trasferimento e l'aminoacil tRNA (cioè, AA ₂ -tRNA), che deposita in ultima analisi aminoacil tRNA nel sito "A" di ribosoma con il rilascio di fattori di trasferimento-PIL fosfato complesso e inorganico.

Nella fase successiva, a causa del movimento relativo del ribosoma e dell'mRNA in presenza di una singola molecola GTP, il prossimo codone triplo (cioè il codone UUU nelle figure 38.21 e 38.22) diventa disponibile per il prossimo aminoacil tRNA (cioè AA ₃ -tRNA ) sul sito "A" di ribosoma. In questa fase, f met-tRNA si verifica all'uscita del sito "E", mentre AA ₂ -tRNA si verifica nel sito del peptidile "P". Ora, un enzima noto come transferasi I dà il via al tRNA dalla formil-metionina (f-met o AA ₁ ) e ribalta la formil-metionina all'aminoacil-tRNA (AA ₂ -tRNA) legato al sito peptidile o "P". Il fattore "G" dovrebbe rilasciare il tRNA scaricata o disacrilato dal sito "E" del ribosoma.

Segue la fase successiva del processo di allungamento che comporta la sintesi di un legame peptidico mediante una reazione tra il gruppo amminico libero dell'amminoacido in entrata (cioè AA ₂ ) e il gruppo carbossilico del primo amminoacido (AA ₁ ) che è esterificato a tRNA. L'enzima che catalizza questa reazione è chiamato peptidil transferasi (o peptide sintetasi) ed è parte integrante della subunità 50S. L'energia per la sintesi del legame peptidico deriva dalla scissione del legame estereo tra un amminoacido e il suo tRNA.

Pertanto, durante l'allungamento della catena polipeptidica ogni tRNA caricato o caricato (Aminoacyl tRNA) entra nel sito di decodifica o "A", si sposta nel sito di condensazione o "P", trasferisce il suo amminoacido all'estremità carbossilica del polipeptide, si sposta verso il sito di uscita, dove la catena polipeptidica viene trasferita al tRNA adiacente sul sito di condensazione, e il tRNA viene quindi rilasciato dal ribosoma.

Questo processo è noto come traslocazione. Questo porta al terzo codone che entra nel sito A e un tRNA appropriato caricato con un terzo amminoacido si lega al sito A. Il processo di formazione del legame peptidico e di traslocazione sarebbe ripetuto.

Quindi, mentre l'mRNA si muove rispetto al ribosoma, tutti i codoni sarebbero esposti al sito A e la catena del peptide crescerà. Questa sequenza di eventi coinvolti nell'allungamento deve avvenire molto rapidamente poiché è stato calcolato che, E. coli che cresce in condizioni ottimali, una catena polipeptidica di circa 40 aminoacidi può essere prodotta in 20 secondi.

6. Cessazione e rilascio della catena polipeptidica:

Quando la sintesi della catena polipeptidica viene completata secondo i codoni dell'mRNA, allora avviene il processo di terminazione e rilascio della catena polipeptidica. La terminazione della catena polipeptidica e il rilascio della catena completata dal ribosoma sono controllati da due fattori.

La terminazione della catena è indicata da tre terzine di terminazione speciali nell'mRNA che, nei batteri, sono UAG, UAA e UGA. Questi sono i cosiddetti codoni senza senso che non codificano per alcun amminoacido. La catena polipeptidica, tuttavia, è ancora legata al tRNA che a sua volta è collegato all'mRNA.

La catena viene rilasciata dal ribosoma sotto la direzione di tre distinte proteine ​​che sono chiamate fattori di rilascio e sono designate R ₁ R ₂ e S. Questi sono legati al ribosoma e controllano l'idrolisi del legame estereo tra tRNA e la catena polipeptidica. Una volta che la catena è stata terminata e rilasciata, il ribosoma si separa dall'mRNA e si dissocia nelle sue due subunità a causa dell'azione del fattore F ₃ . È pronto per entrare in un nuovo ciclo di sintesi del polipeptide.

7. Modifica del polipeptide rilasciato:

La catena polipeptidica rilasciata contiene la metionina formulata alla sua estremità. Un enzima deformilasi rimuove il gruppo formile di metionina. L'enzima esopeptidasi può rimuovere alcuni amminoacidi dall'estremità N-terminale o dall'estremità C-terminale della catena polipeptidica.

In questa fase il polipeptide (proteina) possiede la sua struttura primaria; almeno una parte di molte proteine ​​ha una struttura secondaria sotto forma di alfa-elica. La catena proteica può quindi ripiegarsi su se stessa, formando legami interni (incluso il deposito di legami di solfuro) che stabilizzano la sua struttura terziaria in uno schema preciso e spesso complicato. Due o più strutture terziarie possono unirsi in una struttura di quarantena funzionale. Ad esempio, l'emoglobina consiste di quattro catene polipeptidiche, due a-catene identiche e due catene-P identiche. Una proteina non diventa un enzima attivo fino a quando non ha assunto il suo modello terziario o quaternario.

Il processo di iniziazione, allungamento e conclusione coinvolge la mediazione di diversi fattori proteici e l'idrolisi del GTP (guanosina trifosfato) per fornire energia. I passaggi dettagliati discussi sono applicabili ai procarioti e con alcune modifiche anche agli eucarioti.