Codice genetico e sintesi proteica

Struttura DNA
Il DNA è costituito da nucleotidi.
Ogni nucleotide è composto da una base azotata, dallo zucchero a cinque atomi di carbonio chiamato desossiribosio e da un gruppo fosfato.
Vi sono due tipi di basi azotate: le purine, che presentano una struttura a due anelli, e le pirimidine, che hanno un solo anello.
Nel DNA vi sono due tipi di purine, l’adenina (A) e la guanina (G), e due tipi di pirimidine, la citosina (C) e la timina (T).
Pertanto, il DNA è costituito da quattro tipi di nucleotidi che differiscono soltanto per la purina o la pirimidina in essi presente.
La struttura del DNA è una doppia elica molto lunga e spiralizzata.
Se poteste prendere una scala pioli e ruotarla in modo da formare una spirale mantenendo i pioli perpendicolari all’asse di rotazione, avreste un rozzo modello della molecola.
I due montanti della scala sono formati da molecole di zucchero alternate a gruppi fosfato, mentre i pioli perpendicolari ai montanti sono costituiti dalle basi azotate A,T,G,C.
Ogni base forma un legame covalente con la sub unità glucidica posta nel tratto di montante adiacente a essa.
Le basi appaiate si incontrano sull’asse centrale dell’elica e sono unite da legami idrogeno, legami relativamente deboli.
In ogni filamento ciascun gruppo fosfato è attaccato a una molecola di zucchero in posizione 5’(il quinto atomo di carbonio dell’anello dello zucchero) e a un’altra molecola di zucchero in posizione 3’ (il terzo atomo di carbonio dello zucchero).
Perciò ogni filamento ha un’estremità 5’ (che termina con un gruppo fosfato) e un’estremità 3’ che termina, invece, con un gruppo ossidrilico –OH).

Geni e proteine
Negli anni Quaranta i biologia cominciarono a capire che tutte le attività biochimiche della cellula, comprese le numerose reazioni di biosintesi che danno origine a tutte le molecole presenti in essa, dipendano da differenti enzimi specifici.
Persino la sintesi degli enzimi dipende da altri enzimi.
Inoltre divenne chiaro che la specificità dei diversi enzimi era il risultato della loro struttura primaria, cioè della sequenza degli amminoacidi presenti nella molecola proteica.
Si giunse così alla conclusione che un particolare gene è responsabile di un determinato enzima.
L’espressione “un gene – un enzima” risultò in seguito una semplificazione, perché vi sono molte proteine che non sono enzimi.
Alcune per esempio, sono ormoni, come l’insulina; altre sono proteine strutturali come il collagene, e altre ancora sono proteine di membrana, come la pompa sodio-potassio.
Anche queste proteine sono determinate da geni.
Ciò implica un ampliamento del concetto originale.
L’espressione formulata inizialmente venne semplicemente modificata in “un gene – una proteina”.
In seguito, quando si vide che molte proteine sono formate da più di una catena polipeptidica, venne corretta ancora nell’espressione “ un gene – una catena polipeptidica”.
Le proteine sono proprio tra le molecole organiche più diffuse.
Le proteine svolgono un’incredibile varietà di funzioni nei sistemi viventi; per quanto riguarda la loro struttura, tuttavia, hanno tutte la stessa semplice impostazione: sono tutte polimeri di molecole contenenti azoto, gli amminoacidi, disposte in sequenza.
Nei sistemi viventi, per formare le proteine vengono utilizzati fino a 20 tipi di aminoacidi differenti.
Gli amminoacidi sono costituiti da carbonio, idrogeno e ossigeno e contengono anche l’azoto.
Ogni amminoacido, cioè il monomero che costituisce i polimeri proteici, ha un atomo di carbonio centrale, legato a un gruppo amminico (-NH2) a un gruppo carbossilico (-COOH) e a un atomo di idrogeno.
Questa è la struttura base della molecola, uguale in tutti gli amminoacidi.
I vari amminoacidi differiscono tra loro per quel gruppo, indicato dalla lettera R, che occupa il quarto legame covalente dell’atomo di carbonio centrale.
Esso possiede una struttura chimica diversa in ogni differente tipo di amminoacido.

Il codice genetico consiste di parole di tre lettere chiamate codoni, costituite dalla sequenza di tre nucleotidi (ad esempio ACT, CAG, TTT). Utilizzando gruppi di tre lettere si possono avere fino a 64 combinazioni diverse (43), in grado di codificare per i venti diversi amminoacidi esistenti. Ad esempio la timina ripetuta in una serie di tre (TTT) rappresenta in particolare l'amminoacido fenilalanina. Poiché esistono 64 triplette possibili e 20 amminoacidi, il codice genetico è detto ridondante (o degenere): alcuni amminoacidi possono infatti essere codificati da più triplette diverse. Non è invece vero il contrario: ad ogni tripletta corrisponderà un solo amminoacido (senza possibilità di ambiguità). Esistono infine tre triplette che non codificano per amminoacidi ma per codoni di stop (o nonsense), ovvero indicano il punto in cui in un gene.

L’RNA
La sequenza lineare degli amminoacidi di una catena polipeptidica determina la struttura tridimensionale dell’intera proteina, ed è questa struttura che, a sua volta, determina la funzione.
Il problema successivo divenne quello della traduzione: in che modo la disposizione delle basi azotate può determinare la sequenza degli amminoacidi di una proteina?
Cercando di rispondere a questo interrogativo si giunse alla scoperta del ruolo dell’acido ribonucleico (RNA), una sostanza chimicamente simile al DNA.
Vi sono 3 differenza principali tra l’RNA e il DNA:
1. nei nucleotidi dell’RNA lo zucchero è il ribosio e non il desossiribosio.
2. La base azotata timina, che si trova nel DNA, non è presente nell’RNA; al suo posto l’RNA contiene una pirimidina molto simile, l’uracile (U) che, come la timina si appaia solo con l’adenina.
3. La maggior parte dell’RNA è composto da un filamento singolo
Diverse ricerche portarono a concludere che l’RNA avesse un ruolo importante nella traduzione dell’informazione genetica, ossia nel processo che traduce i segmenti di DNA in sequenze di amminoacidi.
Come risultò in seguito, non uno ma tre tipi di RNA agiscono come intermediari nei processi che, partendo dal DNA, portano alle proteine.

RNA messaggero: processo di trascrizione
Le molecole di RNA messaggero sono copie (o trascritti) di sequenze nucleotidiche codificate nel DNA; a differenza del DNA, tuttavia, le molecole di RNA sono costruite in genere da un solo filamento.
Ogni nuova molecola di mRNA viene copiata da uno dei due filamenti del DNA con lo stesso principio dell’accoppiamento delle basi che regola la duplicazione del DNA.
Il processo, conosciuto come trascrizione, ha lo scopo di trascrivere, o copiare con modifiche dettate dalla differente struttura molecolare, il messaggio contenuto nel DNA in una molecola complementare.
La trascrizione è catalizzata dall’enzima RNA-polimerasi.
La sequenza base del filamento di RNA è complementare al filamento stampo da cui viene trascritta.
È importante sottolineare che il DNA è la copia matrice dell’informazione genetica e rimane all’interno del nucleo per essere utilizzato più e più volte.
L’RNA messaggero, invece, è una molecola che ha il compito di trasportare nel citoplasma le informazioni codificate nel DNA; per svolgere questo incarico deve essere assemblato senza errori e attraversare la membrana nucleare per dettare la sequenza di amminoacidi che caratterizza le proteine.
Dalle 64 possibili combinazioni di triplette, 61 determinano specifici amminoacidi e tre sono segnali di arresto.
Essendoci 61 possibili combinazioni codificanti per solo 20 amminoacidi, è chiaro che molti amminoacidi devono avere più di un codone.
L’RNA trascritto, si stacca dal DNA e si appresta ad attraversare la membrana nucleare, e prende il nome di RNA trascritto primario.
Esso è composto da introni, ossia le regioni non codificanti dei geni, ed esoni.
Gli introni successivamente vengono rimossi per azione di particolari enzimi.
È probabile che i pezzi rimossi possano dare la comunicazione sulla quantità di DNA trascritta.

Sintesi proteica
Come abbiamo visto, le istruzioni per la sintesi proteica sono codificate nelle sequenza di nucleotidi del DNA di una cellula e sono trascritte in una molecola di mRNA seguendo lo stesso principio di accoppiamento delle basi che regola la duplicazione del DNA.
La molecole di mRNA a filamento singolo, prodotte in questo processo, hanno una lunghezza ch varia da 500 a 10000 nucleotidi.
Particolari sequenze nucleotidiche del DNA, dette promotori, sono i siti di legame per l’RNA-polimerasi, e quindi costituiscono il segnale di partenza per la sintesi dell’RNA, mentre altre sequenze, le sequanze di terminazione, sono il segnale di arresto della sintesi dell’RNA in quanto marcano i punti presso cui termina la trascrizione.

RNA ribosomiale e RNA di trasporto
I ribosomi sono i siti della sintesi proteica e sono costituiti per un terzo da proteine e per due terzi da RNA.
Il tipo di RNA che essi contengono è detto RNA ribosomiale (rRNA).
Ogni ribosoma è formato da due subunità, una più grande dell’altra che sono legate insieme quasi a formare una morsa.
Le molecole di RNA di trasporto (tRNA) hanno il compito di tradurre il linguaggio degli acidi nucleici nel linguaggio delle proteine.
Queste molecole sono composte da 80 nucleotidi legati insieme in un’unica catena e hanno una caratteristica configurazione a trifoglio.
La catena termina sempre con una sequenza CCA presso la sua estremità 3’; a questa estremità un amminoacido si lega al proprio tRNA specifico.
Un secondo sito di attacco, localizzato nella parte opposta della struttura tridimensionale, si trova su uno dei “bracci” della molecola; questo sito è costituito da tre nucleotidi che formano un anticodone, il quale è complementare a uno specifico codone dell’mRNA.



Una terza regione della molecola di tRNA funziona come sito di riconoscimento per un enzima chiamato amminoacil-tRNA-sintetasi.
Nella cellula vi sono almeno 20 diverse amminoacil-tRNA-sintetasi, una, o più di una, per ogni amminoacido.
Tutti questi enzimi hanno un sito di legame per un dato amminoacido e per la relativa molecola di tRNA.
In certe reazioni che avvengono grazie all’energia liberata nell’idrolisi dell’ATP, le amminoacil-tRNA-sintetasi catalizzano l’attacco degli specifici amminoacidi alle relative molecole di tRNA, in modo che l’amminoacido sia pronto per essere trasportato in un punto preciso della catena polipeptidica in via di formazione.

Traduzione
La sintesi della catena polipeptidica è detta traduzione, dal momento che è il trasferimento di informazioni da un linguaggio (quello degli acidi nucleici) a un altro (quello degli amminoacidi).
La prima fase, l’inizio, comincia quando la subunità ribosomiale più piccola si attacca al filamento di mRNA presso l’estremità 5’, ponendo in evidenza il primo codone di questo filamento.
Poi, il primo tRNA si colloca in modo da appaiarsi con il codone d’inizio dell’mRNA.
Questo codone è in genere (5’)-AUG-(3’) ed è complementare all’anticodone (3’)-UAC-(5’) del tRNA.
Nei procarioti il tRNA che ha questo anticodone porta con sé una forma modificata dell’amminoacido metionina, nota come fMet.
L’fMet sarà pertanto il primo amminoacido della catena polipeptidica in via di formazione, ma in seguito, una volta che questa sia completata, viene generalmente rimosso dal polipeptide.
La combinazione fra la subunità ribosomiale più piccola, l’mRNA e il tRNa d’inizio è detta complesso d’inizio.
Una volta che questo si è formato, la subunità ribosomiale più grossa si attacca a quella più piccola e il tRNA d’inizio, con la sua fMet, va a occupare il sito P (peptide) della subunità più grossa, che è uno dei siti di legame con il tRNA.
All’inizio della seconda fase, quella di allungamento, il secondo codone dell’mRNA si colloca di fronte al sito A (amminoacile) della subunità più grossa.
Un tRNA con un anticodone complementare al secondo codone di mRNA si inserisce sulla molecola di mRNA e, con il suo amminoacido, va ad occupare il sito A del ribosoma.
A questo punto, si forma un legame peptidico tra i due amminoacidi, con l’attacco del primo (fMet) al secondo.
Il primo tRNA viene liberato.
Il ribosoma si sposta in avanti di uno codone lungo la catena di mRNA, e di conseguenza il secondo tRNA, al quale ora sono attaccati fMet e il secondo amminoacido, passa dalla posizione A alla posizione P; un terzo complesso amminoacido-tRNA si sposta nella posizione A, adesso libera, di fronte al terzo codone dell’mRNA, e l’operazione si ripete.
Di volta in volta la posizione P alloggia il tRNA recante la catena polipeptidica in formazione e la posizione A alloggia il tRNA con il nuovo amminoacido che si dovrà aggiungere alla catena.
Verso l’estremità della sequenza della molecola di mRNA è presente uno, per esempio UAA, o più di uno dei tre codoni che hanno la funzione di segnale di terminazione.
Non esistono tRNA con anticodoni corrispondenti a questi codoni e, di conseguenza, nel sito A non entrerà alcun tRNA.
Quando si giunge a un codone di terminazione, la traduzione cessa, la catena polipeptidica è rimossa e le due subunità ribosomi ali si separano.
A mano a mano che, durante il processo di allungamento, il ribosoma si sposta lungo la catena di mRNA, la parte iniziale della molecola dell’mRNA rimane libera e un altro ribosoma può formare con essa un complesso d’inizio.
Un gruppo di ribosomi che legge la stessa molecola di mRNa è detto polisoma.
Il viaggio all’interno del reticolo
La catene polipeptidiche formate attraverso il processo di traduzione entrano nel reticolo endoplasmatico dove saranno unite ad altre catene per formare i diversi tipi di proteine.
Allora sorge chiara una domanda: come fa la catena polipeptidica a raggiungere il reticolo endoplasmatico?
A questa domanda cerca di dare una risposta la teoria del segnale.
Questa afferma la presenza all’inizio di ogni catena polipeptidica di 3-4 amminoacidi specifici, aventi ruolo di trasportare la catena quasi fossero una locomotiva.
Questi 3 amminoacidi sono chiamati sequenza segnale.
I 3 amminoacidi sono catturati da una proteina recettore della sequenza (RSP).
RSP si attiva come enzima, demolisce molecole di alta energia per estrarre energia chimica che si trasforma in movimento delle catena.
La sequenza segnale raggiunge la citomembrana del reticolo e lì viene lisa attraverso una peptidasi.