Come è espresso un gene per produrre una proteina

L'espressione genica è un processo cellulare mediante il quale l'informazione codificata in un particolare gene viene utilizzata per produrre una proteina funzionale o una molecola di RNA. Si manifesta in tutte le forme di vita conosciute, inclusi eucarioti, procarioti e virus. La trascrizione di un gene in una molecola di mRNA e la traduzione dell'mRNA in una catena polinucleotidica di una proteina funzionale sono noti come il dogma centrale della biologia molecolare. L'espressione genica può essere regolata in varie fasi del processo quali trascrizione, modifiche post-trascrizionali, traduzione e modifiche post-traduzionali. L'espressione differenziale dei geni consente alla cellula di produrre la quantità necessaria di proteine ​​per il funzionamento della cellula.

Aree chiave coperte

1. Cos'è l'espressione genica
     - Definizione, trascrizione, traduzione
2. Come viene regolata l'espressione genica
     - Definizione, regolazione negli eucarioti e procarioti

Termini chiave: Eucarioti, espressione genica, mRNA, procarioti, proteine, trascrizione, traduzione

Cos'è l'espressione genica

L'espressione genica è il processo mediante il quale vengono utilizzate istruzioni genetiche per sintetizzare i prodotti genici. Generalmente, le informazioni fluiscono dal DNA all'mRNA alla proteina. I due passaggi principali dell'espressione genica sono la trascrizione e la traduzione. Il dogma centrale della biologia molecolare è mostrato in Figura 1.

Figura 1: Dogma centrale della biologia molecolare

Trascrizione

La trascrizione si riferisce al processo di copia delle informazioni di un gene in una nuova molecola di RNA. È il primo passo dell'espressione genica in eucarioti e procarioti. L'RNA polimerasi è l'enzima coinvolto nella trascrizione. Durante la trascrizione vengono prodotti tre diversi tipi di RNA: l'RNA messaggero (mRNA), l'RNA di trasferimento (tRNA) e l'RNA ribosomiale (rRNA). L'mRNA trasporta l'informazione genetica dal nucleo al citoplasma. Il tRNA è un adattatore RNA che funge da collegamento fisico tra mRNA e amminoacidi. L'rRNA costituisce le parti integranti del ribosoma. Il processo di trascrizione è mostrato in figura 2.

Figura 2: trascrizione

Tuttavia, in alcuni virus, il materiale genetico è RNA senso negativo. Qui, la RNA polimerasi RNA-dipendente trascrive il RNA senso negativo in un mRNA.  

Modifiche post-trascrizione

Le modifiche post-trascrizionali si riferiscono al processo di conversione del trascritto di RNA primario in una molecola matura di mRNA. Esse si verificano principalmente nell'espressione genica eucariotica. La molecola di mRNA prodotta dalla trascrizione è nota come trascrizione RNA primaria o pre-mRNA. Viene elaborato per produrre la molecola matura di mRNA durante quattro passaggi: 5 'tappatura, poliadenilazione e splicing alternativo. Il 5 'tappatura è l'aggiunta di un GTP all'estremità 5 'della molecola pre-mRNA. poliadenilazione è l'aggiunta di una coda poli-A all'estremità 3 'della molecola pre-mRNA. Sia il cappuccio da 5 'che la coda in poli-A prevengono il degrado della molecola dell'mRNA. I geni eucariotici sono costituiti da introni ed esoni. Solo gli introni sono codificati per la sequenza amminoacidica di un gene. Quindi, gli esoni vengono rimossi durante lo splicing di RNA. Splicing alternativo è la produzione di sequenze di codifica di diverse catene polipeptidiche combinando diversi modelli di introni. La modifica post-trascrizionale nell'mRNA eucariotico è mostrata in figura 3.

Figura 3: modifiche post-trascrizione

La maggior parte dei geni procariotici si verificano in gruppi noti come operoni. Gli operoni sono costituiti da diversi geni funzionalmente correlati regolati da un singolo promotore. Trascrivono per produrre una molecola di mRNA policistronico che sintetizza diverse proteine ​​funzionalmente correlate.

Traduzione

La traduzione si riferisce al processo in cui il codice genetico trasportato da una molecola di mRNA viene decodificato, producendo una catena polipeptidica di una particolare proteina. Si verifica nel citoplasma dai ribosomi. Un sistema di tre amminoacidi è coinvolto nella determinazione di ciascun amminoacido nella catena polipeptidica. I tre nucleotidi nell'mRNA che rappresentano un amminoacido sono noti come codone. Il sistema di codoni completo è noto come codice genetico. Diverse molecole di tRNA contengono anticodoni che si fissano con ciascun codone nell'mRNA. Quindi, portano il corrispondente amminoacido per la sintesi della catena polipeptidica. La traduzione è mostrata in figura 4.

Figura 4: traduzione

Modifiche post-traduzionali

Le modifiche post-traduzionali sono la modifica covalente ed enzimatica della catena polipeptidica di una proteina funzionale. Diversi gruppi polisaccaridici, lipidici o inorganici vengono aggiunti per produrre una proteina funzionale. Queste modifiche sono note come glicosilazione, fosforilazione, solfatazione, ecc. Possono anche essere aggiunti diversi cofattori per regolare la funzione della proteina. Le modifiche post-traduzionali della proteina insulinica sono mostrate in figura 5.

Figura 5: modifiche post-traslazionali

Come viene regolata l'espressione genica

La cellula regola l'espressione genica sia per aumentare o diminuire il numero di proteine ​​prodotte all'interno della cellula. Negli eucarioti, può essere raggiunto attraverso i vari passaggi dell'espressione genica come trascrizione, modificazioni post-trascrizionali, traduzione e modifiche post-traduzionali. Tuttavia, nei procarioti, la regolazione dell'espressione genica viene raggiunta durante l'inizio dell'espressione genica.

Conclusione

La produzione di proteine ​​funzionali all'interno della cellula è ottenuta attraverso l'espressione di geni nel genoma. I due passaggi principali dell'espressione genica sono la trascrizione e la traduzione in tutti i tipi di organismi viventi, inclusi eucarioti, procarioti e virus. La trascrizione è la produzione di una molecola di mRNA basata sulla sequenza nucleotidica del gene. La traduzione è la produzione di una catena polipeptidica basata sulla sequenza codone della molecola dell'mRNA. Negli eucarioti, l'espressione genica può essere regolata in entrambi i livelli trascrizionale e traslazionale. Tuttavia, l'espressione genica nei procarioti è regolata durante l'inizio della trascrizione.

Riferimento:

1. "10.3.1 Espressione genica e sintesi proteica." Piante in azione, Disponibile qui.

Cortesia dell'immagine:

1. "Dogma centrale della biochimica molecolare con enzimi" di Dhorspool su en.wikipedia (CC BY-SA 3.0) via Commons Wikimedia
2. "Processo di trascrizione (13080846733)" di Genomics Education Program - Processo di trascrizione (CC BY 2.0) via Commons Wikimedia
3. "Figura 15 03 02" di CNX OpenStax - (CC BY 4.0) via Commons Wikimedia
4. "0324 DNA Translation and Codons" di OpenStax - (CC BY 4.0) via Commons Wikimedia
5. "Insulina percorso" Caricato da Fred the Oyster (CC BY-SA 4.0) via Commons Wikimedia