Molecola del Mese
di David S. Goodsell
trad di Mauro Tonellato

Ribosoma 70S


Molecola del Mese di gennaio 2010
Parole chiave: traduzione, sintesi delle proteine, RNA transfer, RNA messaggero, EF-Tu, EF-G, EF-P, fattore di rilascio, fattore di allungamento, codone, anticodone, antibiotico.

Ribosoma 70S
I ribosomi sono una delle meraviglie del mondo cellulare che potete esplorare visitando gli archivi PDB. Nell'anno 2000, i biologi strutturali V. Ramakrishnan, T. Steitz e A. Yonath hanno reso disponinili nel PDB le prime strutture di subunità ribosomiali. Nel 2009 hanno vinto il premio Nobel per quel lavoro. Oggi sono disponibili le strutture di molte altre molecole coinvolte nella sintesi proteica, compresi gli RNA-transfer (mdm 3-2001) e i fattori di allungamento (mdm 9-2006). A partire da queste strutture sono state ricostruite centinaia di strutture di ribosomi interi che rivelano i dettagli atomici di molti dei passaggi della sintesi proteica.












Ribosomi in azione
Dopo avere risolto le strutture delle due subunità, piccola e grande, dei ribosomi, il passo successivo nella ricerca è stato quello di determinare la struttura del ribosoma intero. Questo ha rappresentato il completamento di una ricerca durata decine di anni e cominciata con le prime immagini sfocate di ribosoma ottenute al microscopio elettronico, continuata con ricostruzioni più dettagliate di micrografia crioelettronica, e ora arrivata con la diffrazione ai raggi x a strutture che mostrano la posizione dei singoli atomi. Utilizzando piccoli frammenti di mRNA, varie forme di tRNA accorciato o chimicamente modificato, fattori proteici purificati e ribosomi modificati, i ricercatori hanno determinato la struttura dei ribosomi nell'atto di sintetizzare le proteine. Queste strutture sono così grandi che non possono essere contenute in un singolo file PDB. Per esempio, la struttura mostrata qui sopra è stata divisa in due file PDB 2wdk e 2wdl.

Ribosomi 70S
Osservando le forme di vita sulla Terra, troviamo che tutti gli organismi viventi hanno ribosomi e che questi sono sostanzialmente di due misure. I batteri e gli archeobatteri hanno ribosomi più piccoli chiamati ribosomi 70S, che sono composti di una subunità minore 30S e di una maggiore 50S. La S sta per Svedbergs o fattore di Sedimentazione che misura quanto velocemente la molecola si muove in una centrifuga. Notate che questi valori non sono additivi, cioè 30 più 50 non fa 70, infatti la velocità di sedimentazione è proporzionale alla massa e alla forma della molecola, ma non in modo lineare.
I ribosomi delle nostre cellule, come quelli degli altri animali, delle piante e dei funghi, sono più grandi e vengono detti ribosomi 80S, sono composti di una subunità minore 40S e di una subunità maggiore 60S. Stranamente i nostri mitocondri hanno ribosomi piccoli 70S che vengono sintetizzati in loco e sono diversi da quelli più grandi presenti nel citoplasma. Questa osservazione ha suggerito l'ipotesi che i mitocondri (e così pure i cloroplasti nelle cellule vegetali) siano in realtà dei batteri che sono stati catturati all'interno di cellule più evolute all'inizio dell'evoluzione delle cellule eucariote. Oggi vivono e si riproducono felicemente all'interno delle nostre cellule dove si occupano della produzione di energia e si affidano alla cellula ospite per la maggior parte delle loro necessità.

Ribozimi
Le prime strutture di ribosoma ottenute molti anni addietro, anche se poco dettagliate, hanno rivelato le caratteristiche fondamentali dei ribosomi. Hanno dimostrato che sono ribozimi, cioè enzimi fatti di RNA, infatti usano RNA e non proteine per catalizzare la reazione di sintesi delle proteine. Questo ha avvalorato l'idea che l'RNA è stato fondamentale nella prima parte dell'evoluzione della vita perchè può svolgere contemporaneamente sia il ruolo di enzima (oggi svolto dalle proteine) sia quello di trasmettere il patrimonio genetico (oggi svolto dal DNA). Le prime strutture hanno anche mostrato l'importanza delle proteine ribosomiali per stabilizzare e tenere in forma la struttura dell'RNA nel ribosoma.
Le strutture ottenute recentemente, però, sono molto più dettagliate e ci hanno permesso di investigare a livello atomico il meccanismo della lettura dell'informazione genetica e della sintesi delle proteine.
La biosintesi delle proteine si svolge in tre tappe fondamentali: inizio, allungamento, terminazione. Negli archivi PDB sono disponibili strutture che illustrano ognuna di queste tre fasi.


Inizio
Il ribosoma comincia ad agire in un processo chiamato inizio. Alcune proteine, chiamate fattori di inizio, trasportano l'mRNA alla subunità minore, allineano la prima parte dell'mRNA e promuovono l'associazione con la subunità maggiore. La struttura illustrata qui a fianco (file PDB 2qnh e 1vsp) mostra una particolare sequenza nell'mRNA, chiamata sequenza Shine-Delgarno dai suoi scopritori, che è associata con l'ultima parte della catena di RNA della subunità minore. Questo fa allineare l'mRNA nel punto giusto e lo predispone a legarsi con uno speciale tRNA iniziatore. In questa figura si vede un piccolo tratto di mRNA (in rosso) e due tRNA (in giallo).
Una nota su questa figura e le successive: l'mRNA, il tRNA e i fattori proteici si legano tutti all'interno del ribosoma, tra le due subunità, quindi non è facile creare un'immagine che mostri quello che accade. Queste immagini mostrano l'mRNA, il tRNA e altre molecole inserite in una struttura semplificata del ribosoma per mostrare in modo più chiaro dove sono inserite nel complesso intero.



Allungamento
Dopo che il ribosoma è stato assemblato, comincia a scorrere verso sinistra lungo la catena di mRNA e a costruire la proteina, un amminoacido alla volta. Nella struttura mostrata qui sotto a sinistra (file PDB 2wrn e 2wro), un nuovo tRNA viene trasportato da un fattore di allungamento, la proteina EF-Tu (magenta).



Nella struttura di centro (PDB 2wdk e 2wdl), tre molecole di tRNA sono legate all'interno del ribosoma. Il tRNA nel sito A (amminoacido) trasporta l'amminoacido che deve essere aggiunto, il tRNA nel sito P (proteina) lega la catena proteica in crescita, mentre il tRNA nel sito E (exit) ha finito il suo compito ed è pronto per essere espulso. La catena proteica viene trasferita dal tRNA del sito P al tRNA del sito A (piccola molecola verde).
Nella struttura sulla destra,
la proteina EF-G ha aiutato a spingere verso sinistra il ribosoma rispetto all'mRNA liberando così il sito A (PDB 2wri e 2wrj), in questo modo il processo può ricominciare come nella prima figura di sinistra con l'arrivo nel sito A di un nuovo tRNA trasportato dal fattore di allungamento EF-Tu.



Terminazione
Alla fine del gene, cioè alla fine del tratto di mRNA che codifica per la proteina, il ribosoma incontra un codone di stop (per es la tripletta di basi UGA) che gli dice di smettere di costruire la proteina. Speciali proteine chiamate fattori di rilascio riconoscono il codone di stop e costringono il tRNA nel sito P a rilasciare la proteina finita. Questa struttura (PDB 2b64 e 2b66) mostra uno dei fattori di rilascio (magenta) legato al codone stop dell'mRNA nel sito A del ribosoma. Questa struttura è stata ottenuta a bassa risoluzione, quindi mostra in modo un po' approssimato il legame con la proteina fattore di rilascio e così pure non contiene le parti terminali dell'mRNA che sono state aggiunte con un programma di modellistica molecolare.






Antibiotici
Dato che i ribosomi sono essenziali per la vita, sono un bersaglio ideale per i farmaci antibiotici. Naturalmente è indispensabile che l'antibiotico attacchi solo i ribosomi dei batteri senza colpire i nostri, altrimenti combatteremmo anche noi stessi insieme con l'infezione. Per fortuna, i ribosomi dei batteri hanno molte piccole differenze rispetto ai nostri e quindi ci sono molti antibiotici che attaccano in modo specifico i ribosomi 70S.
Qui sopra ne sono mostrati due esempi, ma ce ne sono molti altri negli archivi PDB. Sulla sinistra è illustrata una tetraciclina (rossa) legata alla subunità minore del ribosoma (PDB 1hnw), dove impedisce il legame con l'mRNA. Sulla destra è mostrato il cloramfenicolo (rosso) legato in un punto del ribosoma (PDB 1nji) che impedisce la reazione che aggiunge nuovi amminoacidi alla catena proteica in crescita.


Esplorando la Struttura
Le nuove strutture di ribosomi interi 70S rivelano il segreto della vita. Le figure qui sotto mostrano un primo piano del centro di decodifica del ribosoma (PDB 2wdg). Questo è il luogo dove l'anticodone del tRNA in arrivo (giallo) si accoppia con il codone dell'mRNA (rosso). Come si può immaginare, è essenziale che questo accoppiamento sia perfetto per cui solo il giusto tRNA si può legare al suo codone e così solo il corretto amminoacido può essere aggiunto alla catena della proteina in crescita. Il ribosoma utilizza molte interazioni per controllare l'accoppiamento, assicurando così che le basi azotate di codone e anticodone siano accoppiate in modo corretto.



Nelle tre immagini qui sotto, si può vedere in dettaglio l'accoppiamento codone-anticodone rispetto alle tre paia di basi coinvolte.
Alcune porzioni del ribosoma (verde) interagiscono col tRNA (giallo) e con l'mRNA (rosso) in corrispondenza delle tre paia di basi di codone e anticodone. Nelle tre immagini sono mostrate solo le parti del ribosoma che interagiscono rispettivamente con la prima, la seconda e la terza coppia di basi.
Nelle prime due immagini si vede che le interazioni che controllano l'accoppiamento delle prime due paia di basi sono numerose e assicurano così che solo le basi che si accoppiano alla perfezione possano legarsi.
Nell'ultima immagine, invece, si vede che la terza coppia di basi è controllata solo da una debole interazione che consente molta libertà, infatti spesso in questa terza posizione si possono trovare basi diverse non perfettamente accoppiate. E' per questo che talvolta uno stesso amminoacido può essere codificato da più triplette che sono uguali nelle prime due posizioni, ma che possono differire nella terza. Per esempio la serina viene codificata da quattro diversi codoni: UCU, UCC, UCA, UCG.

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Spunti per ulteriori Esplorazioni
1) Il ribosoma è formato da due subunità che si assemblano attorno all'mRNA per formare un complesso funzionale. Quali sono i vantaggi di questa strategia? Trovate altri esempi di molecole che sono in grado di legarsi attorno alla catena di RNA o DNA.
2) I ribosomi sono molecole molto difficili da studiare. Esplorando le strutture di ribosomi negli archivi PDB, confrontate i divesi tipi di dati che sono stati utilizzati per determinare le strutture, incluse le strutture cristallografiche a risoluzione atomica o quasi atomica e le ricostruzioni fatte da immagini al microscopio elettronico a più bassa risoluzione.



Bibliografia

* A. Korostelev and H. F. Noler (2007) The ribosome in focus: new structures bring new insights. Trends in Biochemical Sciences 32, 434-441.

* T. A. Steitz (2008) A structural understanding of the dynamic ribosome machine. Nature Reviews Molecular Cell Biology 9, 242-253.

* T. M. Schmeing and V. Ramakrishnan (2009) What recent ribosome structures have revealed about the mechanism of translation. Nature 461, 1234-1242.

* E. Zimmerman and A. Yonath (2009) Biological implications of the ribosome's stunning stereochemistry. ChemBioChem 10, 63-72.