Sintesi proteica: inizio della traduzione

La sintesi delle proteine si divide in tre stadi: 1) l'inizio comprende le reazioni che precedono la formazione del legame peptidico fra i primi due amminoacidi della proteina e richiede che il ribosoma si leghi all'mRNA formando un complesso d'inizio che contiene il primo ammionoacil-tRNA, questo è un passaggio piuttosto lento e di solito determina la velocità con cui è tradotto l'mRNA; 2) l'allungamento che comprende tutte le reazioni che vanno dalla sintesi del primo legame peptidico all'aggiunta dell'ultimo amminoacido; 3) la terminazione che comprende i passaggi necessari per il rilascio della catena polipeptidica completata e la concomitante dissociazione del ribosoma dall'mRNA. Comunque, affinché la sintesi abbia inizio devono accadere tre cose: 1) il ribosoma si deve associare all'mRNA, 2) un tRNA carico si deve posizionare nel sito P del ribosoma e 3) il ribosoma si deve posizionare correttamente sul codone d'inizio. Nei procarioti l'associazione della subunità minore con l'mRNA è mediata dall'accoppiamento di basi tra il sito di legame al ribosoma e l'rRNA 16S. Per i siti di legame al ribosoma posizionati in modo ideale, la subunità minore si localizza sull'mRNA in modo tale che il codone di inizio si trovi nel sito P al momento dell'associazione della subunità maggiore. A questo punto, un tRNA carico entra direttamente nel sito P. Questo evento necessita di un tRNA speciale, noto come tRNA iniziatore che accoppia le proprie basi con quelle del codone di inizio, di solito AUG o GUG che vengono letti rispettivamente dai tRNA per la metionina (tRNAMet) e per la valina (tRNAVal). Né la metionina né la valina si attaccano al tRNA iniziatore. Esso è caricato, però, con una forma modificata della metionina (N-formil metionina) che possiede un gruppo formilico attaccato alla porzione ammino-terminale. Il tRNA iniziatore carico viene perciò detto fMet-tRNAifMet (questo avviene anche negli eucarioti).
Sebbene la subunità minore (30S) sia coinvolta nell'inizio, no è di per sé competente per svolgere le reazioni di attacco dell'mRNA e del tRNA, ma richiede ulteriori proteine chiamate fattori di inizio (initiation factors, IF). Questi fattori si trovano soltanto nelle subunità 30S e vengono rilasciati quando si assembla con la subunità 50S. I batteri usano tre fattori di inizio chiamati IF-1, IF-2 e IF-3, necessari per l'ingresso sia di mRNA che di tRNA nel complesso di inizio. IF-3 è necessario perché la subunità 30S si leghi in modo specifico ai siti di inizio sull'mRNA e impedisce l'assemblaggio con la subunità maggiore, quindi controlla l'equilibrio fra i diversi stadi dei ribosomi. IF-2 lega un tRNA iniziatore speciale e ne controlla l'ingresso nel ribosoma, mentre, IF-1 si lega alle subunità 30S soltanto come parte del complesso di inizio completo. Si lega al sito A e impedisce l'ingresso dell'amminoacil-tRNA e la sua posizione può anche impedire alla subunità 50S di legarsi per costituite il ribosoma completo. Quando tutti e tre i fattori di inizio sono legati, la subunità minore è pronta a legare sia l'mRNA che il tRNA iniziatore. Questi due RNA si legano indipendentemente l'uno dall'altro e in ordine casuale. L'ultimo passaggio del processo d'inizio prevede l'associazione della subunità maggiore con la formazione del complesso d'inizio 70S. Quando le basi del codone di inizio e quelle dell'fMet-tRNAifMet si accoppiano, la subunità minore cambia conformazione portando al rilascio di IF3, quindi la subunità maggiore è libera di legarsi. Questo legame stimola l'attività GTPasica di IF2 che provoca il rilascio degli altri due fattori di inizio, ossia lo stesso IF2 e IF1. Quindi avremo soltanto il ribosoma legato all'mRNA e il tRNAi.
L'inizio della traduzione negli eucarioti è molto simile a quella dei procarioti. Entrambi usano un codone d'inizio ed un tRNA specifico e i fattori d'inizio formano un complesso con la subunità minore, ma adottano un metodo di riconoscimento dell'mRNA e del codone d'inizio sostanzialmente diverso. Infatti, negli eucarioti al momento del reclutamento all'estremità 5' dell'mRNA dotata di cap, la subunità minore è già associata al tRNa iniziatore. Essa può “leggere in sequenza” l'mRNA in direzione 5'→3', fino a raggiungere il primo 5'-AUG-3', che viene riconosciuto come codone d'inizio. In tal modo, nella maggior parte dei casi, solo il primo AUG, negli eucarioti, può essere usato come sito d'inizio della traduzione. Infatti, la maggior parte degli mRNA eucariotico è monocistronico, quindi il riconoscimento di un codone di inizio interno non è possibile o necessario. Comunque, al termine di un ciclo di traduzione, il ribosoma eucariotico si dissocia nelle subunità maggiore e minore, mediante l'opera di fattori, chiamati eIF3 ed eIF1A, analoghi ai fattori di inizio procariotici IF3 ed IF1. Due proteine in grado di legare GTP, eIF2 ed eIF5B, mediano il reclutamento del tRNA iniziatore carico. Negli eucarioti, questo tRNA è caricato con metionina, non N-formil metionina, ed è noto come Met-tRNAiMet. Successivamente, il fattore eIF5B-GTP, analogo a IF2-GTP, si lega alla subunità minore e serve a reclutare un complesso formato da eIF2-GTP e il tRNA iniziatore alla subunità minore. Insieme queste due proteine in grado di legare GTP posizionano il tRNA iniziatore nel futuro sito P della subunità minore, dando origine alla formazione del complesso di pre-inizio 43S. A questo punto, il riconoscimento dell'mRNA avviene mediante l'individuazione del cap al 5'. Questo riconoscimento è mediato da una proteina formata da tre subunità, chiamata eIF4F. Questo complesso viene legato, a sua volta, da eIF4B che attiva una RNA elicasi in una delle subunità di eIF4F. L'elicasi disfa tutte le strutture secondarie che si possono essere formate all'estremità dell'mRNA, in modo tale che la struttura risulti lineare per poter legare la subunità minore. A questo punto, l'mRNA è legato da eIF4FB e recluta il complesso di pre-inizio 43S dove si posiziona. Successivamente, la subunità minore ed i fattori ad essa associati, una volta assemblati all'estremità 5'dell'mRNA si spostano lungo quest'ultimo in direzione 5'→3' per cercare il primo codone di inizio. Quest'ultimo viene riconosciuto mediante l'accoppiamento delle basi tra l'anticodone del tRNA iniziatore e il codone d'inizio (ecco perché è essenziale che la subunità minore si leghi prima al tRNA iniziatore e poi all'mRNA). Il corretto appaiamento delle basi promuove il rilascio di eIF2 ed eIF3, permettendo alla subunità maggiore di legarsi a quella minore. A questo punto, come avviene nei procarioti, la costituzione di un ribosoma completo porta al rilascio dei fattori rimanenti. Il risultato di questi eventi è il posizionamento del Met-tRNAiMet nel sito P del risultante complesso di inizio 80S. Bisogna, comunque, ricordare che oltre a legarsi all'estremità 5' dell'mRNA, i fattori di inizio sono associati all'estremità 3' dell'mRNA per mezzo della coda poli-A. Questa associazione è mediata dall'interazione tra eIF4F e la proteina di legame al poli-A che riveste la coda di poli-A. Il risultato di tutto questo è il mantenimento dell'mRNA in una configurazione circolare.