Quando il DNA fa Blackjack: i 21 amminoacidi

Gli amminoacidi sono le unità che costituiscono le proteine. Ogni proteina è caratterizzata da una sequenza specifica di amminoacidi.

Ma quanti sono i costituenti fondamentali delle proteine naturali? Gli studenti apprendono che il codice genetico codifica esattamente per 20 aminoacidi. È un numero che molti ripetono facilmente e che la maggior parte dei biologi raramente, o quasi mai, pensa di mettere in discussione.

Ma è realmente così? Facciamo un passo alla volta.

[di OpenClipart-Vectors, Pixabay]

Dal gene alla proteina

geni sono tratti di DNA contenenti le informazioni necessarie per la produzione di una catena polipeptidica, ovvero di una piccola sequenza di aminoacidi.

Quest’ informazione presente nel DNA viene poi trascritta in RNA, a sua volta classificato in mRNA (RNA messaggero), tRNA (RNA di trasferimento) o rRNA (RNA ribosomiale).

L’mRNA nello specifico si sposta dal nucleo al citoplasma, dove a livello dei ribosomi funge da stampo per sintetizzare le proteine. Occorre però un codice genetico per tradurre quanto scritto nell’mRNA in proteina.

Infatti, DNA e RNA sono costituiti da “mattoni”, chiamati nucleotidi formati da basi azotate, e ogni sequenza di tre basi di DNA, chiamata codone, codifica per uno specifico amminoacido: il codice genetico è perciò il linguaggio attraverso il quale si riescono a decifrare i codoni.

Considerando che le basi azotate nell’RNA sono 4 (Adenina, Uracile, Citosina e Guanina, rispettivamente A, U, C e G), le possibili combinazioni a tre che danno origine ai codoni sono 43, cioè 64.

Schema del codice genetico [6]

Quando il codice fu decifrato a metà degli anni ’60[3,4], solo 20 aminoacidi furono assegnati a 61 dei possibili 64 codoni, mentre 3 codoni vennero individuati come terminatori per la sintesi proteica.

Per semplificare l’argomento, considerate la sintesi proteica come una lunga frase che viene scritta: il codone initiator, generalmente quello che codifica per la metionina, è come la prima parola e dà inizio al tutto.

Successivamente altri codoni, con diversi nomi, “scrivono” il resto della proteina codificando per i differenti aminoacidi e i codoni di stop mettono il punto alla fine della frase.

Nonostante negli anni ‘60 fosse stato riconosciuto che il codone AUG avesse un duplice ruolo (quello di iniziare la sintesi proteica e di inserire l’amminoacido metionina nelle posizioni interne), non venne presa in considerazione la possibilità che un secondo codone potesse avere due funzioni.

La scoperta del ventunesimo aminoacido

Nel 1986 alcuni ricercatori hanno però scoperto che il codone UGA funge sia da “STOP” che da “Sec”, ovvero da codone che codifica per l’amminoacido selenocisteina.

Il modo in cui Sec è sintetizzato e incorporato e come il codone UGA svolge questa funzione è stato esaminato in dettaglio sia negli eubatteri[5] che nei mammiferi[6].

Negli ultimi anni sono stati compiuti enormi progressi nella comprensione del meccanismo di come Sec viene sintetizzato e inserito nei nascenti selenopeptidi (le piccole sequenze di amminoacidi tra cui la selenocisteina).

Appare chiaro che la biosintesi di Sec, è diversa dagli altri 20 aminoacidi, in quanto la sua sintesi avviene sempre sul suo tRNA. Inoltre, al contrario di quanto si potrebbe pensare, essa non avviene a partire dalla cisteina (tRNACys), ma dalla serina.

Per i più biochimici tra voi, il tRNA (Sec tRNA[Ser]Sec) viene inizialmente aminoacetilato con la serina che funge da scheletro per la sintesi della selenocisteina.

Ma come riesce la cellula a distinguere le due funzioni del codone UGA?[7] 

Oltre allo specifico tRNA c’è un altro fattore necessario per l’introduzione di Sec nelle proteine presente negli eubatteri, negli archaea e negli eucarioti: la presenza nell’mRNA di una struttura a stelo cis-acting denominata sequenza d’inserzione della selenocisteina (SECIS).

Tale elemento permette la formazione di una specifica struttura secondaria della proteina, senza la quale UGA verrebbe letto solamente come codone di stop.

To be continued… La Storia continua!

Nel 2002 due scienziati dell’Ohio State University hanno annunciato la scoperta di un ventiduesimo amminoacido, la L-pirrolisina. Chissà se tra qualche anno ci ritroveremo qui a parlare anche del ventritreesimo!

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Lucia Laurea in scienze biologiche e dottorato in scienze biomolecolari applicate conseguiti presso l’Università Politecnica delle Marche. Attualmente docente presso la scuola secondaria di secondo grado. Appassionata della biologia e della didattica della biologia.

Fonti e Bibliografia:

  1. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC133838/#r62;
  2. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3065758/#bib1 ;
  3. Khorana, G. H., H. Buchi, H. Ghosh, N. Gupta, T. M. Jacob, H. Kossel, R. Morgan, S. A. Narang, E. Ohtusda, and R. D. Wells. 1966. Polynucleotide synthesis and the genetic code. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 31:39-49;
  4. Nirenberg, M., T. Caskey, R. Marshall, R. Brimacombe, D. Kellog, B. Doctor, D. Hatfield, J. Levin, F. Rothman, S. Pestka, M. Wilcox, and F. Anderson. 1966. The RNA code in protein synthesis. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 31:11-24;
  5. Böck, A. 2001. Selenium metabolism in bacteria, p. 7-22. In D. L. Hatfield (ed.), Selenium: its molecular biology and role in human health. Kluwer Academic Publishers, Norwell, Mass;
  6. Dolph L. Hatfield1,* and Vadim N. Gladyshev2 How Selenium Has Altered Our Understanding of the Genetic Code Mol Cell Biol. 2002 Jun; 22(11): 3565–3576.
  7. Low, S. C., and M. J. Berry. 1996. Knowing when not to stop: selenocysteine incorporation in eukaryotes. Trends Biochem. Sci. 21:203-208.

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