Biologia per Majors I

I procarioti non hanno nuclei chiusi a membrana. Pertanto, i processi di trascrizione, traduzione e degradazione dell’mRNA possono verificarsi simultaneamente. Il livello intracellulare di una proteina batterica può essere rapidamente amplificato da più eventi di trascrizione e traduzione che si verificano contemporaneamente sullo stesso modello di DNA. La trascrizione procariotica spesso copre più di un gene e produce MRNA policistronici che specificano più di una proteina.

La nostra discussione qui esemplificherà la trascrizione descrivendo questo processo in Escherichia coli, una specie batterica ben studiata. Sebbene esistano alcune differenze tra la trascrizione in E. coli e la trascrizione in archaea, una comprensione della trascrizione di E. coli può essere applicata a praticamente tutte le specie batteriche.

RNA polimerasi procariota

I procarioti usano la stessa RNA polimerasi per trascrivere tutti i loro geni. In E. coli, la polimerasi è composta da cinque subunità polipeptidiche, due delle quali sono identiche. Quattro di queste subunità, denotate α, α, β e β ‘ comprendono l’enzima centrale della polimerasi. Queste subunità si assemblano ogni volta che un gene viene trascritto e si smontano una volta completata la trascrizione. Ogni subunità ha un ruolo unico; le due subunità α sono necessarie per assemblare la polimerasi sul DNA; la subunità β si lega al ribonucleoside trifosfato che diventerà parte della nascente molecola di mRNA “recentemente nata”; e il β’ lega il filamento del modello di DNA. La quinta subunità, σ, è coinvolta solo nell’inizio della trascrizione. Conferisce specificità trascrizionale tale che la polimerasi inizia a sintetizzare mRNA da un sito di iniziazione appropriato. Senza σ, l’enzima di base trascriverebbe da siti casuali e produrrebbe molecole di mRNA che specificavano la proteina senza senso. La polimerasi composta da tutte e cinque le subunità è chiamata oloenzima (un oloenzima è un composto biochimicamente attivo composto da un enzima e dal suo coenzima).

Promotori procarioti

Figura 1. La subunità σ della RNA polimerasi procariotica riconosce le sequenze di consenso trovate nella regione del promotore a monte della vista di inizio della trascrizione. La subunità σ si dissocia dalla polimerasi dopo che la trascrizione è stata avviata.

Un promotore è una sequenza di DNA su cui il meccanismo di trascrizione si lega e avvia la trascrizione. Nella maggior parte dei casi, i promotori esistono a monte dei geni che regolano. La sequenza specifica di un promotore è molto importante perché determina se il gene corrispondente viene trascritto tutto il tempo, parte del tempo o raramente. Anche se i promotori variano tra genomi procarioti, alcuni elementi sono conservati. Nelle regioni -10 e -35 a monte del sito di iniziazione, ci sono due sequenze di consenso del promotore, o regioni che sono simili tra tutti i promotori e tra varie specie batteriche (Figura 1).

La sequenza di consenso -10, chiamata regione -10, è TATAAT. La sequenza -35, TTGACA, è riconosciuta e legata da σ. Una volta effettuata questa interazione, le subunità dell’enzima principale si legano al sito. La regione A-T-rich -10 facilita lo svolgimento del modello di DNA e vengono realizzati diversi legami fosfodiesterici. La fase di iniziazione della trascrizione termina con la produzione di trascritti abortivi, che sono polimeri di circa 10 nucleotidi che vengono prodotti e rilasciati.

Allungamento e terminazione nei procarioti

La fase di allungamento della trascrizione inizia con il rilascio della subunità σ dalla polimerasi. La dissociazione di σ consente all’enzima principale di procedere lungo il modello di DNA, sintetizzando l’mRNA nella direzione da 5′ a 3′ ad una velocità di circa 40 nucleotidi al secondo. Man mano che procede l’allungamento, il DNA viene continuamente svolto davanti all’enzima principale e riavvolto dietro di esso (Figura 2). L’accoppiamento di base tra DNA e RNA non è abbastanza stabile per mantenere la stabilità dei componenti di sintesi dell’mRNA. Invece, l’RNA polimerasi agisce come un linker stabile tra il modello di DNA e i filamenti di RNA nascenti per garantire che l’allungamento non venga interrotto prematuramente.

Figura 2. Clicca per ingrandire l’immagine. Durante l’allungamento, l’RNA polimerasi procariotica traccia lungo il modello di DNA, sintetizza l’mRNA nella direzione da 5′ a 3′ e si svolge e riavvolge il DNA mentre viene letto.

Segnali di terminazione procariotica

Una volta trascritto un gene, la polimerasi procariotica deve essere istruita per dissociarsi dal modello di DNA e liberare l’mRNA appena prodotto. A seconda del gene che viene trascritto, ci sono due tipi di segnali di terminazione. Uno è a base di proteine e l’altro è a base di RNA. La terminazione Rho-dipendente è controllata dalla proteina rho, che segue la polimerasi sulla catena mRNA in crescita. Verso la fine del gene, la polimerasi incontra una serie di nucleotidi G sul modello del DNA e si blocca. Di conseguenza, la proteina rho si scontra con la polimerasi. L’interazione con rho rilascia l’mRNA dalla bolla di trascrizione.

La terminazione indipendente da Rho è controllata da sequenze specifiche nel filamento del modello di DNA. Mentre la polimerasi si avvicina alla fine del gene che viene trascritto, incontra una regione ricca di nucleotidi C–G. L’mRNA si ripiega su se stesso e i nucleotidi C–G complementari si legano insieme. Il risultato è una forcina stabile che induce la polimerasi a bloccarsi non appena inizia a trascrivere una regione ricca di nucleotidi A–T. La regione complementare U-A della trascrizione dell’mRNA forma solo una debole interazione con il DNA del modello. Questo, accoppiato con la polimerasi in fase di stallo, induce abbastanza instabilità per l’enzima di base per staccarsi e liberare la nuova trascrizione dell’mRNA.

Al termine, il processo di trascrizione è completo. Al termine del tempo si verifica, la trascrizione procariotica sarebbe già stata utilizzata per iniziare la sintesi di numerose copie della proteina codificata perché questi processi possono verificarsi contemporaneamente. L’unificazione della trascrizione, della traduzione e persino della degradazione dell’mRNA è possibile perché tutti questi processi si verificano nella stessa direzione da 5′ a 3′ e perché non vi è alcuna compartimentazione membranosa nella cellula procariotica (Figura 3). Al contrario, la presenza di un nucleo nelle cellule eucariotiche preclude la trascrizione e la traduzione simultanea.

Figura 3. Polimerasi multiple possono trascrivere un singolo gene batterico mentre numerosi ribosomi contemporaneamente traducono i trascritti di mRNA in polipeptidi. In questo modo, una proteina specifica può raggiungere rapidamente un’alta concentrazione nella cellula batterica.

Contribuisci!

Migliora questa paginaimpara di più