Il ribosoma

Il ribosoma è l'apparato macromolecolare che dirige la sintesi proteica. Esso è composto da almeno tre molecole di RNA, lunghe fino a tre kilobasi, e da più di 50 proteine diverse, per una massa totale di oltre 2,5 megadalton. Paragonandola alla velocità di replicazione del DNA, che è di circa 200-1000 nucleotidi al secondo, la traduzione avviene ad una velocità di circa 2-20 amminoacidi al secondo. Nei procarioti, i macchinari per la trascrizione e la traduzione sono localizzati nello stesso compartimento cellulare. Il ribosoma, quindi, può iniziare la traduzione non appena l'RNA spunta dall'RNA polimerasi. Malgrado sia lento rispetto alla sintesi di DNA nei procarioti, il ribosoma è in grado di reggere la velocità dell'apparato trascrizionale. Infatti, la velocità tipica di 20 amminoacidi al secondo della traduzione procariotica corrisponde alla traduzione di 60 nucleotidi (20 codoni) di mRNA al secondo. La degradazione degli mRNA batterici, invece, comincia entro 1 minuto dall'inizio della trascrizione e i tre processi, trascrizione, traduzione e degradazione avvengono tutti in direzione 5'→3'. Negli eucarioti, invece, la traduzione è completamente separata dalla trascrizione. Infatti, questi eventi si verificano in compartimenti separati della cellula: la trascrizione avviene nel nucleo, mentre la traduzione nel citoplasma. Non essendo accoppiata alla trascrizione, quindi, la traduzione eucariotica procede in maniera meno frenetica alla velocità di 2-4 amminoacidi. Comunque, come dicevamo, il ribosoma è composto da RNA e proteine, assemblati a formare due subunità distinte: una grande ed una piccola. La subunità maggiore contiene il centro peptidil-transferasico, responsabile della formazione dei legami peptidici. Mentre, la subunità minore contiene il centro di decifrazione, in cui i tRNA carichi leggono i codoni dell'mRNA. Per convenzione queste due subunità sono state denominate utilizzando un numero, in base alla velocità di sedimentazione, quando sono sottoposte alla forza centrifuga. L'unità usata per misurare la velocità di sedimentazione è lo Svendberg (più alto è il valore di S maggiore è la velocità di sedimentazione), dal nome dell'inventore dell'ultracentrifuga. In questo modo, nei batteri la subunità maggiore ha una velocità di sedimentazione di 50 unità Svedberg ed è quindi nota come la subunità 50S (che contiene rRNA 5S, rRNA 23S e 34 proteine), mentre la subunità minore è chiamata subunità 30S (che contiene rRNA 16S e 21 proteine). Ci si riferisce al ribosoma procariotico intatto come 70S, che non è la somma delle due subunità, in quanto la velocità di sedimentazione non dipende solo dal peso molecolare ma anche dalla forma. Il ribosoma eucariotico è un po' più grande ed è composto da subunità 60S (che contiene rRNA che contiene rRNA 5,8S, rRNA 5S e rRNA28S e 49 proteine) e 40S (che contiene rRNA 18 S e 33 proteine) che, insieme, formano un ribosoma 80S. Come per il caricamento dei tRNA, anche il ribosoma durante la sintesi proteica può fare due tipi di errori. Può causare un frameshift saltando una base quando legge l'mRNA (circa 10-5), oppure, potrebbe permettere ad un amminoacil-tRNA non corretto di appaiarsi con un codone, portando all'incorporazione di un amminoacido sbagliato. Questo è probabilmente l'errore più comune nella sintesi delle proteine, circa 5x10-4.
Il ciclo in cui le subunità del ribosoma si associano tra loro e con l'mRNA, traducono l'mRNA bersaglio e, quindi, si dissociano dopo la sintesi proteica è noto come ciclo ribosomiale. In breve, la traduzione inizia quando l'mRNA e il tRNA iniziatore si legano ad una subunità minore ribosomiale libera. Questo complesso recluta, in seguito, la subunità maggiore a formare un ribosoma intatto, con l'mRNA inserito tra le due subunità. La sintesi proteica inizia al passo successivo, partendo dal codone di inizio all'estremità 5' del messaggio e procedendo verso l'estremità 3' dell'mRNA. A man mano che il ribosoma si sposta di codone in codone, i tRNA carichi si inseriscono uno dopo l'altro, e ciascun nuovo amminoacido viene aggiunto all'estremità C-terminale della catena polipeptidica nascente (spesso detta sintesi in direzione da N-terminale a C-terminale). Quando il ribosoma incontra un codone di termine, la catena polipeptidica completa viene rilasciata, e la subunità maggiore e minore si separano dall'mRNA e sono disponibili per legare una nuova molecola di RNA messaggero. Comunque, nonostante il ribosoma sia in grado di sintetizzare un singolo polipeptide alla volta, ciascun mRNA può essere tradotto simultaneamente da più ribosomi. Un mRNA associato a più ribosomi è detto poliribosoma o polisoma. Questa capacità di più ribosomi di tradurre un singolo mRNA spiega la limitata quantità di mRNA nella cellula, circa dall'1 al 5% dell'RNA totale. Come detto in precedenza, il ribosoma catalizza una sola reazione chimica: la formazione del legame peptidico. Questa reazione avviene tra il residuo amminoacidico all'estremità carbossi-terminale del polipeptide nascente e l'amminoacido che deve essere aggiunto alla catena. Sia il polipeptide nascente che il nuovo amminoacido sono associati al tRNA, quindi i due substrati sono denominati amminoacil-tRNA, che porta l'amminoacido da aggiungere, e un peptidil-tRNA che porta la catena polipeptidica nascente. Questo posizionamento permette al gruppo amminico dell'amminoacil-tRNA di attaccare il gruppo carbonilico dell'amminoacido all'estremità C-terminale del peptidil-tRNA, formando un nuovo legame peptidico. Per questo motivo, la reazione di formazione di un nuovo legame peptidico viene detta reazione peptidil-transferasica. È interessante notare che la formazione del legame peptidico avviene senza la contemporanea idrolisi di un nucleoside trifosfato, questo perché la formazione di questo legame è accompagnata dalla rottura del legame acilico ad alta energia che unisce la catena polipeptidica nascente al tRNA. Per portare a termine la reazione peptidil-transferasica, il ribosoma deve essere in grado di legare almeno due tRNA contemporaneamente. Infatti il ribosoma contiene tre siti di legame per il tRNA, chiamati siti A, P ed E. Il sito A è il sito di legame per il tRNA amminoacilato (l'amminoacil-tRNA), il sito P è quello di legame del peptidil-tRNA, mentre il sito E è il sito di legame per il tRNA che viene rilasciato in seguito al trasferimento della catena polipeptidica nascente all'amminoacil-tRNA. Ciascun sito di legame per il tRNA si forma all'interfaccia tra la subunità maggiore e quella minore del ribosoma. In tal modo, i tRNA legati possono coprire la distanza tra il sito della peptidil-transferasi della subunità maggiore ed il sito di decifrazione della subunità minore.