Il piano di base della sintesi proteica negli eucarioti e negli archei è simile a quello dei batteri. I principali temi strutturali e meccanicistici ricorrono in tutti i domini della vita. Tuttavia, la sintesi proteica eucariotica comporta più componenti proteici rispetto alla sintesi proteica procariotica, e alcuni passaggi sono più intricati. Alcune somiglianze e differenze degne di nota sono le seguenti:
Ribosomi. I ribosomi eucariotici sono più grandi. Sono composti da una subunità grande 60S e una subunità piccola 40S, che si uniscono per formare una particella 80S con una massa di 4200 kd, rispetto ai 2700 kd del ribosoma procariotico 70S. La subunità 40S contiene un RNA 18S che è omologo all’RNA 16S procariotico. La subunità 60S contiene tre RNA: gli RNA 5S e 28S sono le controparti delle molecole 5S e 23S procariotiche; il suo RNA 5,8S è unico negli eucarioti.
TRNA iniziatore. Negli eucarioti, l’aminoacido iniziatore è la metionina piuttosto che la N-formilmetionina. Tuttavia, come nei procarioti, un tRNA speciale partecipa all’iniziazione. Questo aminoacil-tRNA è chiamato Met-tRNAi o Met-tRNAf (il pedice “i” sta per iniziazione, e “f” indica che può essere formilato in vitro).
Iniziazione. Il codone di iniziazione negli eucarioti è sempre AUG. Gli eucarioti, in contrasto con i procarioti, non usano una specifica sequenza ricca di purine sul lato 5′ per distinguere gli AUG iniziatori da quelli interni. Invece, l’AUG più vicino all’estremità 5′ dell’mRNA è solitamente selezionato come sito di inizio. Un ribosoma 40S si attacca al cappuccio all’estremità 5′ dell’mRNA eucariotico (sezione 28.3.1) e cerca un codone AUG muovendosi passo dopo passo nella direzione 3′ (Figura 29.33). Questo processo di scansione nella sintesi proteica eucariotica è alimentato da elicasi che idrolizzano l’ATP. L’accoppiamento dell’anticodone del Met-tRNAi con il codone AUG dell’mRNA segnala che il bersaglio è stato trovato. In quasi tutti i casi, l’mRNA eucariotico ha un solo sito di inizio e quindi è il modello per una singola proteina. Al contrario, un mRNA procariotico può avere più sequenze Shine-Dalgarno e, quindi, siti di inizio, e può servire come modello per la sintesi di diverse proteine. Gli eucarioti utilizzano molti più fattori di iniziazione rispetto ai procarioti, e la loro interazione è molto più intricata. Il prefisso eIF denota un fattore di iniziazione eucariotico. Per esempio, eIF-4E è una proteina che si lega direttamente al tappo di 7-metilguanosina (Sezione 28.3.1), mentre eIF-4A è un’elicasi. La differenza nel meccanismo di iniziazione tra procarioti ed eucarioti è, in parte, una conseguenza della differenza nell’elaborazione dell’RNA. L’estremità 5′ dell’mRNA è facilmente disponibile per i ribosomi subito dopo la trascrizione nei procarioti. Al contrario, il pre-mRNA deve essere elaborato e trasportato nel citoplasma negli eucarioti prima di iniziare la traduzione. Quindi, c’è un’ampia opportunità per la formazione di strutture secondarie complesse che devono essere rimosse per esporre i segnali nell’mRNA maturo. Il tappo 5′ fornisce un punto di partenza facilmente riconoscibile. Inoltre, la complessità dell’inizio della traduzione eucariotica fornisce un altro meccanismo per l’espressione genica che esploreremo ulteriormente nel Capitolo 31.
Elongazione e terminazione. I fattori di allungamento eucariotici EF1α e EF1βγ sono le controparti dei procarioti EF-Tu e EF-Ts. La forma GTP di EF1α consegna l’aminoacil-tRNA al sito A del ribosoma, e EF1βγ catalizza lo scambio di GTP con GDP legato. L’EF2 eucariotico media la traslocazione guidata dal GTP allo stesso modo dell’EF-G procariotico. La terminazione negli eucarioti è effettuata da un singolo fattore di rilascio, eRF1, rispetto a due nei procarioti. Infine, eIF3, come la sua controparte procariotica IF3, impedisce la riassociazione delle subunità ribosomiali in assenza di un complesso di iniziazione.
Figura 29.33
Inizio della traduzione eucariotica. Negli eucarioti, l’iniziazione della traduzione inizia con l’assemblaggio di un complesso sul tappo 5′ che include la subunità 40S e il Met-tRNAi. Guidato dall’idrolisi dell’ATP, questo complesso esplora l’mRNA fino al primo AUG (più…)
29.5.1. Molti antibiotici funzionano inibendo la sintesi proteica
Le differenze tra i ribosomi eucarioti e procarioti possono essere sfruttate per lo sviluppo di antibiotici (Tabella 29.4). Per esempio, l’antibiotico puromicina inibisce la sintesi proteica causando il rilascio delle catene polipeptidiche procariotiche nascenti prima che la loro sintesi sia completata. La puromicina è un analogo della parte terminale dell’aminoacil-adenosina dell’aminoacil-tRNA (Figura 29.34).
Tabella 29.4
Inibitori antibiotici della sintesi proteica.
Figura 29.34
Azione antibiotica della puromicina. La puromicina assomiglia alla terminazione aminoacilica di un aminoacil-tRNA. Il suo gruppo amminico si unisce al gruppo carbonile della catena polipeptidica in crescita per formare un addotto che si dissocia dal ribosoma. Questo addotto è stabile perché (più…)
Si lega al sito A sul ribosoma e inibisce l’ingresso dell’aminoacil-tRNA. Inoltre, la puromicina contiene un gruppo α-ammino. Questo gruppo amminico, come quello sull’aminoacil-tRNA, forma un legame peptidico con il gruppo carbossilico della catena peptidica in crescita. Il prodotto, un peptide che ha un residuo di puromicina covalentemente attaccato alla sua estremità carbossilica, si dissocia dal ribosoma.
La treptomicina, un trisaccaride altamente basico, interferisce con il legame del formilmetionil-tRNA ai ribosomi e quindi impedisce il corretto inizio della sintesi proteica. Altri antibiotici aminoglicosidi come neomicina, kanamicina e gentamicina interferiscono con il sito di decodifica situato vicino al nucleotide 1492 nel 16S rRNA della subunità 30S (Sezione 29.3.9). Il cloramfenicolo agisce inibendo l’attività della peptidil transferasi. L’eritromicina si lega alla subunità 50S e blocca la traslocazione. Infine, la cicloesamide blocca l’attività della peptidil transferasi nei ribosomi eucariotici, diventando un utile strumento di laboratorio per bloccare la sintesi proteica nelle cellule eucariotiche.
29.5.2. La tossina difterica blocca la sintesi proteica negli eucarioti inibendo la traslocazione
La difterite era una delle principali cause di morte nell’infanzia prima dell’avvento dell’immunizzazione efficace. Gli effetti letali di questa malattia sono dovuti principalmente a una tossina proteica prodotta dal Corynebacterium diphtheriae, un batterio che cresce nel tratto respiratorio superiore di una persona infetta. Il gene che codifica la tossina proviene da un fago lisogeno che è ospitato da alcuni ceppi di C. diphtheriae. Pochi microgrammi di tossina difterica sono solitamente letali in una persona non immunizzata perché inibisce la sintesi proteica. La tossina viene scissa poco dopo essere entrata in una cellula bersaglio in un frammento A di 21 kd e un frammento B di 40 kd. Il frammento A della tossina catalizza la modifica covalente di un importante componente del macchinario di sintesi proteica, mentre il frammento B permette al frammento A di entrare nel citosol della sua cellula bersaglio.
Un singolo frammento A della tossina nel citosol può uccidere una cellula. Perché è così letale? Il bersaglio del frammento A è EF2, il fattore di allungamento che catalizza la traslocazione nella sintesi proteica eucariotica. EF2 contiene diftoamide, un insolito residuo aminoacidico di funzione sconosciuta che si forma per modifica post-traslazionale dell’istidina. Il frammento A catalizza il trasferimento dell’unità di ribosio adenosina difosfato del NAD+ a un atomo di azoto dell’anello della diftoamide (Figura 29.35). Questa ADP-ribosilazione di una singola catena laterale di EF2 blocca la sua capacità di effettuare la traslocazione della catena polipeptidica in crescita. La sintesi proteica cessa, rendendo conto della notevole tossicità della tossina difterica.
Figura 29.35
Blocco della traslocazione da parte della tossina difterica. La tossina difterica blocca la sintesi proteica negli eucarioti catalizzando il trasferimento di un’unità di ADP-ribosio dal NAD+ alla diftoamide, un residuo modificato di aminoacido nel fattore di allungamento 2 (translocasi). Difthamide (più…)