Basi chimiche dell’ereditarietà

I cromosomi eucarioti sono composti da DNA, cioè acido deossiribonucleico. Esso è un polimero formato da quattro differenti tipi di nucleotidi (il monomero, l’unità fondamentale).
Ogni nucleotide ha stessa struttura di base, cioè:
1. Zucchero a 5 atomi di carbonio
2. Base azotata: che a loro volta si distinguono in purine (adenina e guanina, cioè strutture di due anelli condensati eterociclici, contenenti quindi non solo atomi di carbonio, che possono essere 5-6) e pirimidine (citosina e timina, cioè strutture ad un unico anello, sempre eterociclico, con 6 atomi di carbonio).

Il DNA è costituito da una struttura a doppia elica a spirale (modello di Watson e Crick), in cui i nucleotidi si legano tra di loro: il gruppo fosfato di un nucleotide si lega al terzo carbonio dello zucchero del nucleotide precedente. Si forma così un’elica destrorsa formata da due filamenti antiparalleli con una precisa e opposta direzionalità (5’-3’, 3’-5’), in cui le basi azotate dei vari nucleotidi si legano tra di loro lungo l’asse centrale dell’elica. Sono unite da legami ad idrogeno, che combinano sempre una pirimidina con una purina, in particolare A con T (due legami ad idrogeno) e C e G (tre legami ad idrogeno). Sono basi complementari.

• Duplicazione del DNA
La caratteristica fondamentale del materiale genetico è la capacità di fornire copie esatte di se stesso. Infatti è essenziale che il messaggio genetico si conservi inalterato, altrimenti eventuali mutazioni potrebbero portare alla sintesi di proteine che manderebbero a puttane le funzioni della cellula. La perfezione della duplicazione è dovuta all’azione di vari enzimi e al fenomeno della complementarietà.
La duplicazione avviene durante il III momento del ciclo cellulare (Mitosi e Interfase, che comprende G1, S e G2). Inizia sempre da una specifica sequenza di nucleotidi, detta punto di origine della duplicazione. In questo luogo agisce l’enzima elicasi, che spezza i legami di idrogeno che tengono unite le basi azotate complementari. La doppia elica si apre e si crea una regione di sintesi detta bolla di duplicazione, confinata tra due punti detti forcella di duplicazione.
Ora può avvenire la sintesi del nuovo filamento, grazia all’azione dell’enzima DNA-polimerasi. Esso individua lo stampo, riconosce un nucleotide e la sua base azotata, quindi vi ci lega un nucleotide con base azotata complementare. Ha una proprietà, il “proofreading”: se per caso vengono commessi errori nell’accoppiamento, vengono riconosciuti e corretti. Il DNA-polimerasi agisce soltanto lungo una direzione precisa, cioè quella 3’-5’. Il filamento corrispondente diventa quindi il filamento guida.
L’altro filamento, che ha direzione 5’-3’, è definito come filamento in ritardo. Affinchè la DNA-polimerasi possa agire con la sua sintesi anche qui, interviene un altro enzima, la primasi. Essa sintetizza su questo filamento delle speciali sequenze di RNA (primer) che hanno la stessa direzionalità del filamento guida. Le zone tra i vari segmenti vengono riempite dall’enzima DNA-ligasi. I segmenti di RNA, insieme alle zone sintetizzate dalla ligasi, prendono il nome di frammenti di Okazaki.
Ora può intervenire nuovamente la DNA-polimerasi è sintetizzare il secondo filamento. I primer a questo punto vengono demoliti dall’enzima RNAsi, e gli spazi vuoti sono successivamente riempiti dalla DNA-ligasi.
La duplicazione è quindi bidirezionale, ma anche semi-conservativa, in quanto il nuovo filamento di DNA si costituisce da un filamento vecchio e da un filamento nuovo appena sintetizzato.
Sul filamento in ritardo, per motivi insiti al meccanismo di duplicazione, la DNA-polimerasi non completa la sintesi dell’ultimo frammento di Okazaki. Quindi, dopo una duplicazione, un cromosoma tenderebbe ad accorciarsi e a perdere di funzionalità. Fortunatamente però sono presenti, per mantenere la perfezione della duplicazione, brevi sequenze nucleotidiche (TTAGGG) in zona terminale del filamento ritardato ripetute diverse volte. Sono i telomeri, che non sono codificanti, ma solo semplice sequenza di nucleotidi. Sono essi quindi ad andare perduti ogni duplicazione, non materiale genetico importante. Per non esaurirsi troppo presto, è presente l’enzima telomerasi, che permette la risintetizzazione dei telomeri. Esso è presente solo in alcuni tipi di cellule come quelle del midollo osseo e quelle riproduttive, ma anche in quelle cancerose e nelle staminali.

• RNA
Il DNA è il codice che contiene le istruzioni per le strutture e le funzioni cellulari, che sono eseguite da proteine. La loro struttura e la loro funzione sono determinate dalla sequenza polipeptidica che le caratterizza. La sequenza di amminoacidi dipende dalla disposizione delle basi azotate del DNA.
Un ruolo importantissimo ce l’ha l’acido ribonucleico (RNA), una sostanza chimicamente simile al DNA, ma con tre principali differenze:
1. Nei nucleotidi del RNA lo zucchero è il ribosio (ossigeno legato al secondo carbone), non il deossiribosio (mancanza di tale ossigeno)
2. Non è presenza la base azotata timina, ma l’uracile, che appunto si accoppia con adenina
3. È composto da un filamento singolo
Il RNA ha il ruolo di “tradurre” i segmenti di DNA in sequenze di amminoacidi. Nel processo si sintesi delle proteine agiscono tre tipi diversi di RNA:
1. RNA messaggero: copie di sequenze nucleotidice codificate nel DNA. Hanno il compito di portare il messaggio genetico fuori dal nucleo della cellula
2. RNA ribosomiale: (insieme a proteine) costituisce gran parte della struttura del ribosoma, cioè il sito della sintesi proteica.
3. RNA di trasporto: di tipo diverso per ogni amminoacido (quindi 20), è una catena di circa 80 nucleotidi con forma a trifoglio. Essa termina sempre, presso l’estremità 3’, con una sequenza CCA. Qui l’amminoacido specifico si lega al RNA. Alcuni dei nucleotidi sono sempre gli stessi in ogni tipo di RNA di trasporto. Una zona opposta al sito di legame è l’anticodone, che ha sequenza di tre nucleotidi complementare ad uno specifico codone di RNA messaggero. Affinche questo RNA si colleghi al giusto amminoacido, agisce l’enzima amminoacil-tRNA-sintetasi.

• Codice genetico
Il DNA ha struttura di base sempre uguale, ma le proteine codificate sono diverse. La struttura primaria di ogni proteina è a base di 20 amminoacidi, mentre quella del DNA a base di 4 nucleotidi. Per questo motivo, ogni amminoacido deve essere determinato da almento tre nucleotidi, che si dispongono in sequenze dette codoni. Sono possibili 64 combinazioni di queste triplette, che compongono il codice genetico. Esso è universale, perché è identico in tutti gli organismi. Per evitare errori dovuti ad eventuali mutazioni, quindi sbagliate triplette, tipi diversi di codone codificano lo stesso amminoacido. Si parla quindi di codice genetico degenerato.

• Sintesi proteica
Si compone di due fasi:
1. TRASCRIZIONE: viene catalizzata dall’enzima RNA-polimerasi, che fa aprire l’elica di DNA e poi legge la sequenza del filamento 3’-5’ man mano legandovi i nucleotidi complementari di RNA. Al filamento completo vengono aggiunti un CAP in 5’ e una coda PoliA in 3’ per dare maggiore stabilità alla struttura. Si ha RNAmessaggero.
Il DNA è costituito da parti non codificanti (introni) e da altre invece condificanti (esoni). Ciò si ripete per forza anche nel RNA, quindi gli introni devono essere eliminati, e poi gli esoni legati tra di loro. Questo è un preocesso detto splicing. A volte gli esoni possono esser saldati tra di loro in modo non ordinato, ma causale. Si ha quindi lo splicing alternativo, che quindi permette ad un gene di codificare proteine diverse.
Una volta avvenuto tutto ciò, RNAmessaggero deve lasciare il nucleo e spostarsi nel citoplasma, dove poi raggiungerà i ribosomi.
2. TRADUZIONE: RNAmessaggero si aggancia ai robosomi. Ognuno di essi è formato da due subunità. In quella più piccola c’è il sito di legame per RNAmessagero, che vi si attacca con l’estremità 5’. Nella subunità più piccola sono presenti più sezioni (A, P, E), a cui corrispondono tre sezioni per RNA di trasporto nella subunità più grande. Si hanno ora diverse fasi:
-)Inizio: nella zona A, viene posto in evidenza il primo codone del RNAmessagero. Esso viene riconosciuto da un tRNA che possiede un anticodone complementare. Quindi i due RNA si appaiano e il giusto amminoacido si lega a tRNA. Il primo è sempre la metionina. La combinazione tra subunità ribosomiale più piccola, mRNA e tRNA è detta complesso di inizio. A questo punto mRNA, tRNA, legati tra di loro, si spostano nella sezione P, portandosi dietro l’amminoacido. Arriva anche la subunità ribosomiale più grossa, e tRNA si inserisce nella sua sezione P.
-)Allungamento: ora il secondo codone di mRNA è collocato nel sito A. Quindi giunge un tRNA complementare, vi si lega, portando con sé l’amminoacido corrispondende. Questo ultimo fa un legame peptidico con la metionina. Ora il primo tRNA passa in E e il ribosoma si sposta ulteriormente avanti di un codone. Il secondo complesso mRNA, tRNA e amminoacido è ora nel sito P. in A si ha quindi il terzo codone di mRNA. Il procedimento di accoppiamento si ripete.
-)Terminazione: il ribosoma scorre fino a giungere alla fine del filamento di mRNA. Qui è presente un fattore di rilascio, cioè un codone (di stop)con una sequenza (UAA, per esempio), che non ha complementari tRNA. Quindi cessa la traduzione. La catena polipeptidica che si è appena formata viene rilasciata e le due subunità del ribosoma si separano.

Può accadere che in questo processo avvengano errori e le proteine siano sintetizzate in maniera scorretta. Errori possono essere dovuti per esempio ad alterazioni della sequenza di un codone del DNA, cioè mutazioni. Si hanno diversi casi:
-)Mutazioni puntiformi: un singolo nucleodite viene sostituito. Ciò può provocare:
--mutazioni di senso: viene sintetizzata una diversa proteina
--mutazione non senso: si ha un codone di arresto, quindi sintetizzata una proteina tronca
--mutazione silente: grazie alla proprietà del codice genetico di essere degenerato, viene comunque sintetizzata la stessa proteina
-)Delezione: in un gene viene eliminato un amminoacido
-)Inserzione: in un gene viene aggiunto un amminoacido
In entrambi questi due ultimi casi si assiste ad uno spostamento del sistema di lettura della sequenza nucleotidica, che portano quasi inevitabilmente a proteine non funzionanti.

• Il DNA nel nucleo
Nelle cellule eucariote, nel nucleo, il DNA si trova sempre combinato con proteine, andando così a costituire la cromatina. Le proteine più abbondanti sono dei polipetidi detti istoni (H1, H2a, H2b, H3, H4), che sono basiche, quindi attrattiti dell’acidità del DNA. Essi sono responsabili dell’avvolgimento del DNA e del suo ripiegamento.
Il cromosoma si ammassa in unità fondamentali, i nucleosomi: una parte centrale costituita da otto molecole di istoni (due per tipo, sono assenti H1) intorno alla quale si avvolgono due filamenti di DNA. Il quinto istone, H1, si colloca fuori dal nucleosoma, sul filamento di DNA stesso. In questa conformazione, un segmento di DNA misura 1/6 della sua lunghezza originaria.
I nucleosomi si compattano a loro volta, dando vita a fibre addensate. Una ulteriore condensazione si verifica quando ogni fibra forma una serie di anse, i domini ad ansa. Essi poi si spiralizzano, finchè domini vicini non si condensano dando vita a cromosomi compatti.

• Regolazione dell’espressione genica
Il grado di addensamento di DNA è in stretta relazione con il controllo dell’espressione genica. Si hanno due tipi di cromatina: eucromatina (meno densa, durante l’interfase si disperde) e eterocromatina (più densa, nell’interfase rimase condensata e non trascrive). Quindi soltanto l’eucromatina è accessibile alle molecole di RNA-polimerasi, che possono dare il via alla sintesi proteica.

Poche trascrizioni avvengono anche nei corpi di Barr, cioè cromosimi X estremamente spiralizzati e quindi disattivati irreversibilmente. Cioè perché per esempio, in una cellula femminile, sono presenti due cromosomi X, quindi, potenzialmente, si potrebbero produrre il doppio delle proteine. Quindi uno dei due viene inattivato in fase embrionale.

La trascrizione avviene quando RNA-polimerasi aderisce al DNA in un sito specifico, cioè il promotore. Così provocano l’apertura della doppia elica. Il promotore poi si divide in TATA BOX e in un sito di inizio della trascrizione. Esistono delle proteine di regolazione che possono favorire l’attaccamento del RNA-polimerasi al promotore, facendo srotolare il suo filamento avvolto sul nucleosoma. Esse prendono il nome di fattori di trascrizione.
Le proteine di regolazione che hanno la funzione di attivare un gene, si legano ad un sito a monte del promotore, detto enhancer, in modo da intensificare la traduzione.
Le proteine di regolazione che invece devono disattivare un gene, si legano ad un sito, sempre a monte del promotore, detto silencer, che silenzia la trascrizione.

La regolazione genica può avvenire anche a livello di traduzione:
-)Viene modificata la capacità di mRNA di legarsi al ribosoma. Lo si fa modificando la sequenza leader, oppure con dei repressori traduzionali, che si legano a mRNA
-)Viene ridotta l’emidita, ciò il tempo di permanenza nella cellula del mRNA, che quindi non ha il tempo di sintetizzare.