Come già aveva proposto Crick con la sua ipotesi dell’adattatore, la traduzione dell’mRNA in proteine richiede una molecola che metta in relazione l’informazione contenuta nei codoni dell’mRNA con specifici amminoacidi delle proteine. Questa funzione è svolta dal tRNA.

Per garantire che la proteina fabbricata sia quella specificata dall’mRNA, il tRNA deve leggere correttamente i codoni dell’mRNA e fornire gli amminoacidi corrispondenti ai codoni letti.

La molecola di tRNA svolge tre funzioni:

1. «si carica» di un amminoacido;
2. si associa alle molecole di mRNA;
3. interagisce con i ribosomi.

La struttura molecolare del tRNA è chiaramente in rapporto con queste tre funzioni. Per ognuno dei 20 amminoacidi c’è almeno un tipo specifico di molecola di tRNA. Ogni molecola contiene circa 75-80 nucleotidi e presenta una configurazione che è mantenuta da legami a idrogeno intramolecolari fra tratti della sequenza contenenti basi complementari (▶figura 7).

La configurazione di una molecola di tRNA è perfettamente adattata alle sue interazioni con speciali siti di legame sui ribosomi. All’estremità 3' di ogni molecola di tRNA si trova il suo sito di attacco per l’amminoacido: il punto in cui l’amminoacido specifico si lega in modo covalente. Verso la metà della sequenza del tRNA c’è un gruppo di tre basi, chiamato anticodone, che costituisce il sito di appaiamento fra basi complementari (attraverso legami a idrogeno) con l’mRNA. Ciascun tipo di tRNA contiene un particolare anticodone, complementare al codone di mRNA corrispondente al proprio amminoacido.

Il caricamento di ciascun tRNA con il proprio amminoacido è realizzato da una famiglia di enzimi attivanti noti come amminoacil-tRNA-sintetasi. Ogni enzima attivante è specifico per un solo amminoacido e per il suo tRNA corrispondente.

Grazie alla sua struttura tridimensionale (▶figura 8), il tRNA viene riconosciuto dall’enzima attivante in modo assolutamente specifico, con un tasso di errore molto basso; anche il tasso di errore nel riconoscimento dell’amminoacido è molto basso, dell’ordine di 1 su 1000.

L’amminoacido si attacca all’estremità 3' del tRNA con un legame ricco di energia, formando un tRNA carico. Questo legame fornirà l’energia necessaria alla formazione del legame peptidico che manterrà uniti gli amminoacidi adiacenti.

Un ruolo determinante nella sintesi proteica è svolto dai ribosomi. Il ribosoma non è semplicemente il luogo fisico del citoplasma in cui si realizza la traduzione: esso presenta una struttura complessa, grazie alla quale è in grado di assemblare correttamente una catena polipeptidica trattenendo nella giusta posizione l’mRNA e i tRNA carichi.

I ribosomi non sono specifici per la sintesi di un solo polipeptide; ogni ribosoma può usare qualsiasi mRNA e tutti i tipi di tRNA carichi, quindi può essere utilizzato nella fabbricazione di molti prodotti polipeptidici diversi. La sequenza polipeptidica da produrre è specificata solo dalla sequenza lineare dei codoni dell’mRNA.

Sebbene siano più piccoli rispetto agli organuli cellulari, i ribosomi hanno una massa di svariati milioni di dalton e ciò li rende assai più voluminosi dei tRNA carichi. Ogni ribosoma è costituito da due subunità, una maggiore e una minore (▶figura 9). Negli eucarioti, la subunità maggiore è composta da tre molecole diverse di RNA ribosomiale (rRNA) e da circa 45 molecole proteiche differenti, disposte secondo una schema preciso; la subunità minore contiene una sola molecola di tRNA e 33 molecole proteiche diverse. Le varie proteine e gli rRNA delle subunità ribosomiali sono tenuti insieme da forze ioniche o idrofobiche; quando i ribosomi non sono impegnati nella traduzione di mRNA, le due subunità sono separate.

I ribosomi dei procarioti sono un po’ più piccoli e contengono proteine ed RNA diversi, ma sono anch’essi formati da due subunità. Anche i mitocondri e i cloroplasti contengono ribosomi, talvolta simili a quelli dei procarioti.

Sulla subunità maggiore del ribosoma si trovano tre siti di legame per i tRNA (vedi ▶figura 9). Un tRNA carico passa dall’uno all’altro di essi seguendo un ordine preciso:

• Il sito A (attacco) è dove l’anticodone del tRNA carico si lega al codone dell’mRNA, allineando l’amminoacido che va aggiunto alla catena polipeptidica in crescita.
• Il sito C (condensazione) è dove il tRNA cede il proprio amminoacido alla catena polipeptidica in crescita.
• Il sito D (distacco) è dove viene a trovarsi il tRNA che ha ormai consegnato il proprio amminoacido, prima di staccarsi dal ribosoma e tornare nel citosol a raccogliere un’altra molecola di amminoacido e ricominciare il processo.

Come la trascrizione, anche la traduzione avviene in tre tappe: inizio, allungamento e terminazione.

La traduzione dell’mRNA incomincia con la formazione di un complesso di inizio (▶figura 10), costituito da un tRNA caricato con l’amminoacido destinato a essere il primo della catena polipeptidica e da una subunità ribosomiale minore, entrambi legati all’mRNA. Per prima cosa l’rRNA della subunità ribosomiale minore si lega a un sito di legame complementare lungo l’mRNA, situato «a monte» (verso l’estremità 5') del codone che dà effettivamente inizio alla traduzione.

Ricordati che il codone di inizio nell’mRNA, nel linguaggio del codice genetico, è AUG (vedi ▶figura 6). Per complementarietà delle basi, l’anticodone di un tRNA caricato con metionina si lega a questo codone di inizio e con ciò si completa il complesso di inizio. Perciò il primo amminoacido di una catena polipeptidica è sempre la metionina, anche se non tutte le proteine mature portano questo amminoacido come N-terminale; in molti casi, dopo la traduzione la metionina iniziale viene rimossa da un enzima.

Dopo che il tRNA caricato con metionina si è legato all’mRNA, la subunità maggiore del ribosoma si unisce al complesso. A questo punto il tRNA caricato con metionina scorre nel sito C del ribosoma, mentre il sito A si allinea al secondo codone dell’mRNA.

Queste componenti (mRNA, due subunità ribosomiali e tRNA caricato con la metionina) sono tenute insieme correttamente da un gruppo di proteine dette fattori di inizio. Il ribosoma procariotco è più piccolo e possiede una serie di proteine diverse rispetto al ribosoma degli eucarioti. Alcuni antibiotici ad azione antibatterica si legano e inibiscono specifiche proteine ribosomiali essenziali per il batterio ma non presenti nei ribosomi eucariotici.

L’allungamento procede così: nel sito A della subunità ribosomiale maggiore rimasto libero entra adesso il tRNA carico, il cui codone è complementare al secondo codone dell’mRNA (▶figura 11). Quindi la subunità maggiore catalizza due reazioni:

1. rompe il legame fra il tRNA nel sito C e il suo amminoacido;
2. catalizza la formazione di un legame peptidico fra questo amminoacido e quello attaccato al tRNA situato nel sito A. Ora il secondo amminoacido è legato alla metionina, ma è ancora attaccato al proprio tRNA posto nel sito A.

In che modo la subunità ribosomiale maggiore catalizza il legame fra i due amminoacidi? È stato dimostrato che, se dalla subunità maggiore si tolgono quasi tutte le proteine, essa continua a catalizzare la formazione del legame peptidico; se si distrugge l’RNA, l’attività si arresta. Perciò il catalizzatore sembra essere l’rRNA, che per questo motivo può essere considerato un ribozima. Questa situazione insolita (di solito i catalizzatori dei sistemi biologici sono proteine) è una possibile conferma indiretta dell’ipotesi che l’RNA, e in particolare l’RNA catalitico, si sia evoluto prima del DNA.

Dopo aver consegnato la propria metionina, il primo tRNA si sposta nel sito D, quindi si stacca dal ribosoma e torna nei citosol per caricarsi con un’altra metionina. Il secondo tRNA, che ora porta un dipeptide (una catena di due amminoacidi) slitta nel sito C, intanto che il ribosoma si sposta di un codone lungo l’mRNA in direzione 5'→3'.

Il processo di allungamento della catena polipeptidica continua a mano a mano che si ripetono le seguenti tappe:

• il successivo tRNA carico entra nel sito A rimasto libero e qui il suo anticodone si lega al codone dell’mRNA;
• l’amminoacido appena portato dal tRNA forma un legame peptidico con la catena amminoacidica presente nel sito C, prelevandola così dal tRNA del sito C;
• il tRNA del sito C si sposta nel sito D, da cui poi si distacca. Il ribosoma avanza di un codone, cosicché l’intero complesso tRNA-polipeptide viene a trovarsi nel sito C, resosi appena vacante.

Tutte queste tappe si svolgono con la partecipazione di proteine dette fattori di allungamento.

La terminazione avviene quando nel sito A entra uno dei tre codoni di stop: il ciclo di allungamento si arresta e la traduzione ha termine (▶figura 12). Questi codoni, UAA, UAG e UGA, non codificano nessun amminoacido e non si legano a un tRNA. Si legano invece a un fattore di rilascio che consente l’idrolisi del legame fra la catena polipeptidica e il tRNA presente nel sito C.

A questo punto il polipeptide appena terminato si separa dal ribosoma; come terminale C ha l’ultimo amminoacido che si è unito alla catena, mentre come terminale N, almeno inizialmente, ha una metionina, dato che il codone di inizio è AUG. L’informazione che stabilisce quale configurazione debba poi assumere e quale sia la sua destinazione cellulare definitiva è già contenuta nella sua sequenza amminoacidica. I segnali di inizio e di terminazione della trascrizione e della traduzione sono riassunti nella ▶tabella 1.

La catena polipeptidica liberata dal ribosoma non è una proteina funzionante; vediamo ora alcuni dei cambiamenti che influenzano la funzionalità e la destinazione di un polipeptide.

A mano a mano che emerge dal ribosoma, la catena polipeptidica si ripiega fino ad assumere la sua forma tridimensionale. La configurazione di una proteina dipende dalla sequenza degli amminoacidi che la compongono e da fattori quali la polarità e la carica dei loro gruppi R. In definitiva, è grazie alla sua configurazione che una proteina può interagire con altre molecole della cellula, come un substrato o un altro polipeptide. Oltre a questa informazione strutturale, la sequenza amminoacidica di un polipeptide può contenere una sequenza segnale (▶figura 13), una specie di «etichetta con l’indirizzo» che indica il punto della cellula dove dirigersi.

La sintesi proteica comincia sempre su ribosomi liberi nel citoplasma. Quando una catena polipeptidica si è formata, l’informazione contenuta nei suoi amminoacidi le fornisce due serie di istruzioni supplementari:

1. «La traduzione è finita, sganciati e spostati in un organulo.» Tali proteine sono spedite nel nucleo, nei mitocondri, nei plastidi o nei perossisomi a seconda dell’indirizzo indicato nelle loro etichette, oppure rimangono nel citosol.
2. «Interrompi la traduzione e spostati nel reticolo endoplasmatico.» Una volta completata la propria sintesi all’interno del RER, queste proteine possono rimanere nel reticolo endoplasmatico ruvido oppure raggiungere l’apparato di Golgi. Da lì potranno poi essere spedite ai lisosomi, alla membrana plasmatica o, in assenza di istruzioni specifiche, essere secrete dalla cellula mediante vescicole.