Dogma centrale della biologia molecolare

Qual è il dogma centrale della biologia?

Per dogma centrale della biologia molecolare si intende la relazione che intercorre tra DNA, RNA e proteine. I processi descritti nel dogma corrispondono con l’espressione genica, si dice, infatti, che un gene è espresso quando è stato trascritto e tradotto. Il risultato dell’espressione genica è il fenotipo.

Il DNA contiene le informazioni genetiche e si trova nel nucleo delle cellule; l’RNA si occupa della sintesi delle proteine ed è contenuto sia nel nucleo che nel citoplasma; le proteine hanno principalmente funzione strutturale e di catalizzazione e vengono codificate dal DNA.

Trascrizione: DNA > RNA. Si parte da uno specifico gene (=sequenza di nucleotidi del DNA) e si ottiene una molecola di mRNA, ossia una copia di quel gene. Il gene passa dal nucleo al citoplasma, in particolare ai ribosomi, portando con sé delle informazioni genetiche.

La trascrizione avviene nei confronti di un singolo gene, non dell’intero DNA. L’enzima che opera la trascrizione è l’RNA Polimerasi: legge il DNA e ne costruisce una copia sotto forma di RNA, tramite la regola delle basi azotate (A>U). Il punto di inizio della trascrizione è detto sito promotore ed è dove si trova un segnale che fa cominciare il processo, mentre il punto finale è detto sito di terminazione.

Traduzione: RNA > Proteine. Si parte dalla molecola di RNA e si ottiene una proteina. Si passa dal linguaggio dei nucleotidi al linguaggio degli amminoacidi.

Questo meccanismo era già stato intuito da Watson, senza che egli fosse però in grado di spiegarlo.

Scoperte di Garrod e Beadle

Il primo a intuirne la spiegazione fu il medico inglese Archibald Garrod (1857-1936), che aveva notato delle malattie ereditarie che definiva “difetti del metabolismo”. Una di questa era l’alcaptonuria, patologia ereditaria che provoca la produzione di urine di colore scuro causata da un accumulo di alcaptone, sostanza in quantità elevate data la mancanza di un enzima che dovrebbe occuparsi della sua degradazione. Trattandosi di una malattia ereditaria ed essendo anche legata ad un enzima, Garrod deduce che ci sia una correlazione tra fattori ereditari e enzimi.

Beadle e Tatum decidono di studiare la muffa rossa del pane e di esporla ai raggi X per indurla a delle mutazioni. Si accorgono che i raggi del sole impediscono la formazione di alcuni enzimi nella muffa, confermando l’ipotesi che un gene ha le istruzioni per un enzima (Gene-enzima).

Esperimenti successivi dimostrano che tale correlazione non è solo fra gene-enzima, ma esiste anche un binomio GENE-PROTEINA.

In seguito viene fatta una precisazione: si può parlare di binomio gene-proteina soltanto fino a proteine con struttura terziaria (proteine semplici). Nel caso di proteine complesse, di struttura quaternaria, esse sono formate da più polipeptidi uniti fra loro (catene polipeptidiche, ossia catene di amminoacidi). Ad ogni polipeptide corrisponde un gene (come nel caso dell’emoglobina). Si dice, dunque, che il gene è il fattore ereditario che contiene le informazioni per un polipeptide (Gene-polipeptide).

La trascrizione è il processo che permette di passare da una molecola di DNA ad una di mRNA, grazie all’enzima RNA-polimerasi, alla sua lettura del DNA e costruzione di una copia di RNA. Ad essere trascritto è sempre il filamento 3’, secondo il criterio della complementarità della basi azotate. Si ottiene un filamento complementare a quello trascritto. Il filamento originale 5’, non copiato: filamento senso Il filamento originale 3’, copiato: filamento non senso > trascrivendolo, tramite l’utilizzo di basi complementari, si ottiene il filamento senso (essendo antiparalleli), ossia quello che contiene il messaggio.

Una volta ottenuta una copia del DNA, ossia la molecola di mRNA, quest’ultima necessita di subire alcune modifiche prima di poter lasciare il nucleo ed entrare nel citoplasma, il cosiddetto processo di maturazione. Esso prevede l’aggiunta di una “coda” di adenina e di un “cappuccio” di guanina alle due estremità, nucleotidi qui con lo scopo di proteggere la molecola di mRNA dall’eventuale attacco di enzimi in grado di degradarla. In questo modo viene protetta nel tragitto nucleo-citoplasma. In seguito, si procede con un processo di taglio, detto splicing.

Nel DNA esistono “due tipi di sequenze”, ossia la sequenza di DNA che codifica er i polipeptidi non è continua > esistono regioni codificanti (esoni) e regioni non codificanti (introni).

Esoni > contengono le informazioni genetiche. Gli esono vengono attaccati fra loro a formare una molecola di mRNA, finalmente pronta ad andare dal nucleo al citoplasma.

Introni > sono inutili e perciò da eliminare una volta ottenuto l’RNA, tramite lo splicing.

(Il tRNA si occupa di prelevare gli aminoacidi che servono per la costruzione delle proteine, le cui info sono contenute nel mRNA; traduce il messaggio del mRNA) Avvolgendosi e ripiegandosi su se stesso, il tRNA forma alcune regioni a doppio filamento, in cui brevi segmenti di RNA appaiano le proprie basi azotate a quelle complementari di un altro segmento della stessa molecola, grazie alla formazione di legami a idrogeno fra le basi azotate. Ad una estremità ripiegata della molecola, si forma un’ansa a singolo filamento, contenente un anticodone, ossia una tripletta di basi azotate che serve per legarsi al mRNA. Infatti, ogni anticodone del tRNA è complementare ad un particolare codone del mRNA. Così, il tRNA si lega da un lato al mRNA tramite legami a idrogeno, e dall’altro si lega ad un amminoacido, tramite il suo sito di legame.

Il complesso di tRNA presenta una forma a trifoglio.

Struttura e funzione del codice genetico

Venendo a scoprire l’esistenza di 4 nucleotidi e di 20 aminoacidi, si dedusse che un nucleotide non può codificare per un aminoacido, e in seguito che una coppia di nucleotidi (basi azotate) non può codificare per un aminoacido. (4^2=16 ma i nucleotidi sono 20). Allora si dedusse che evidentemente è una tripletta di basi azotate (codone) che codifica per un aminoacido, ottenendo 64 possibili combinazioni (4^3=64).

Una stessa proteina può essere codificata da 4 possibili combinazioni di codoni (triplette), ciò che rende il codice genetico caratterizzato da ridondanza, dunque detto ridondante o degenerante. Infatti, il numero di triplette è tale che ad ogni aminoacido può corrisponderne più di una. Non c’è, però, ambiguità: sebbene due diversi codoni specifichino entrambi per una stessa proteina, nessuno dei due codifica per altri amminoacidi.

Codice genetico: serie di regole che stabiliscono la corrispondenza tra i codoni dell’RNA e gli aminoacidi delle proteine.

Ogni proteina ha inizio con il codone AUG, che fornisce il segnale di inizio. Esso codifica per l’aminoacido metionina (Met) e viene poi rimosso in base alla proteina da formare.

Ogni proteina termina con 3 triplette di stop, ad indicare che le triplette necessarie alla costruzione della proteina sono finite. Viene, dunque, inviato un fattore di rilascio.

In ogni codone che codifica per un amminoacido, si nota che le prime due basi azotate sono sempre identiche, mentre la terza è diversa. In caso di mutazioni, un eventuale cambiamento solo della terza base eviterebbe il cambiamento dell’intero amminoacido. Ad esempio, se il codone AUU subisse una mutazione che interessi la terza base azotata, l’amminoacido codificato sarebbe sempre lo stesso, perché anche i codoni AUC, AUA, AUG codificano quello stesso amminoacido.

La traduzione è il processo che permette di partire da una molecola di tRNA e ottenere una proteina, passando dal linguaggio dei nucleotidi al linguaggio degli amminoacidi. Nello specifico, si parte da un codone e si ottiene un amminoacido; avviene anche la formazione dei ribosomi, a carico dell’ rRNA.

La traduzione prevede la lettura dei codoni, a carico del tRNA, e l’associazione con l’amminoacido corrispondente, dunque la costruzione della proteina.

La lettura parte dal codone AUG, per produrre l’amminoacido metionina (Met), poi rimosso. Perché il codone si leghi all’amminoacido complementare, viene usato l’anticodone (nel tRNA, l’anticodone è complementare al codone, sul filamento di mRNA che viene tradotto; è la tripletta di basi azotate presente nel tRNA con cui avviene il riconoscimento della tripletta di basi dell’ mRNA).