Struttura, funzione e regolazione del DNA e RNA nel codice genetico

Il DNA (acido desossiribonucleico) è:

* il principale archivio delle istruzioni ereditarie contenute nelle cellule;

* formato da un gran numero di piccole molecole organiche chiamate nucleotidi (le subunità di cui sono formati gli acidi nucleici).

Nucleotidi e basi azotate

I nucleotidi del DNA sono costituiti dall'unione di

* 1 zucchero (desossiribosio) +

* 5 atomi di carbonio +

* un gruppo di fosfato +

* una delle seguenti basi azotate:

o adenina (A)

o guanina (G)

o timina (T)

o citosina (C)

Nucleotidi

I nucleotidi del DNA sono:

* strutturalmente simili l'uno all'altro. Ma:

* T e la C sono più piccole e ad anello singolo (pirimidine)

* A e G sono più grandi e a doppio anello (purine)

* presenti nel DNA in quantità relative e variano a seconda della specie di organismo considerato però

* il numero di molecole di adenina è uguale a quello di timina (A = T)

* il numero di molecole di guanina è uguale al numero di quelle di citosina (G = C)

L'accoppiamento delle basi azotate tra i due filamenti nucleotidici del DNA è uguale in tutte le specie. L'adenina si accoppia con la timina e la guanina con la citosina (A-T, G-C) La sequenza di basi azotate, ossia quale base segue un'altra in un filamento nucleotidico, è diversa da specie a specie e in base minore da individuo a individuo.

Duplicazione del DNA

La duplicazione del DNA

Prima della divisione cellulare, la molecola a doppio filamento (doppia elica) del DNA si srotola e viene copiata attraverso un processo di duplicazione semiconservativa. Ciascuno dei due filamenti originari resta intatto e su di esso viene montato un nuovo filamento complementare.

Enzimi di duplicazione

L'operazione di duplicazione avviene tramite enzimi e altre proteine.

* sono detti DNA polimerasi;

* fungono anche da correttori, individuando le coppie di basi che non si appaiano correttamente.

Organizzazione nei cromosomi

L'organizzazione del DNA nei cromosomi

In un cromosoma è contenuta un'unica molecola di DNA

* il DNA degli esseri umani è fortemente legato a numerose proteine tra cui gli istoni;

* alcuni gruppi di istoni fungono da "rocchetti" attorno ai quali sono avvolti brevi tratti di DNA.

* l'insieme di un rocchetto e del DNA avvolto intorno ad esso costituisce un nucleosoma;

* un nucleosama è stabilizzato da un altro tipo di istone (H1) che svolge un ruolo anche nelle ulteriori fasi di condensazione di un cromosoma;

* grazie alle interazioni il DNA e gli istoni un cromosoma subisce una serie di avvolgimenti. Tale processo aumenta il diametro del cromosoma e ne diminuisce la lunghezza;

* un ultimo ripiegamento dà origine ad una serie di anse;

* la lunghezza del tratto del cromosoma implicato in un'ansa non è sempre uguale; ciascuna di tali regioni contiene una o poche sequenze di geni

Sintesi proteica

Dal DNA alle proteine

La sintesi proteica

Una molecola di DNA consiste in 2 lunghi filamenti nucleotidici (eliche). Quando il DNA viene duplicato:

* le due eliche si srotolano l'una dall'altra

* le basi azotate di ciascun filamento servono da stampo su cui viene costruito un nuovo filamento complementare

Ciascun gene è un tratto nucleotidico che contiene le istruzione per l'assemblaggio dei diversi amminoacidi di una determinata catena polipeptidica (unità strutturali costitutive delle proteine). La sintesi proteica si divide in due fasi:

1. trascrizione:

* si svolge nel nucleo

* sugli stampi costituiti dai tratti di DNA vengono prodotte molecole di acido ribonucleico o RNA

2. traduzione = le molecole di RNA vengono inviate al citoplasma dove vengono a loro volta usate come stampi per assemblare le catene polipeptidiche

3. una volta terminata la traduzione una o più catene polipeptidiche si ripiegano in modo opportuno a formare le molecole di proteina

Differenze tra RNA e DNA

Differenze tra RNA e DNA

DNA RNA

È formato da 2 filamenti È formato da 1 solo filamento

I suoi nucleotidi sono formati dall'unione di uno zucchero (desossiribosio), di un gruppo fosfato e da una base azotata I suoi nucleotidi sono formati dall'unione di uno zucchero (che però è il ribosio), di un gruppo fosfato e da una base azotata

Le sue basi azotate sono: adenina, citosina, guanina, timina Le sue basi azotate sono: adenina, citosina, guanina, uracile (che ha lo stesso comportamento della timina)

Durante la trascrizione un filamento di RNA viene via via montato sullo stampo fornito dal DNA seguendo le regole di accoppiamento tra basi azotate complementari

C - - - G

DNA G - - - C RNA

T - - - A

A - - - U

Tre classi di RNA

Tre classi di RNA

A partire da differenti regioni del DNA vengono trascritti 3 tipi di molecole di RNA:

1. RNA ribosomiale (rRNA)

Tipo di molecola che si combina con determinate proteine a formare il ribosoma

* è uno solo

* si trova sul reticolo endoplasmatico

* è il tavolo da lavoro su cui avviene il montaggio di una catena polipeptidica

2. RNA messaggero (mRNA)

* sequenza lineare di nucleotidi

* costituisce il progetto di montaggio da inviare al ribosoma perché venga tradotto in una catena polipeptidica

* la si può definire come la copia del DNA che esce dal nucleo, per evitare che il vero DNA venga danneggiato

3. RNA di trasporto (tRNA)

* serie di molecole adattatrici

* ognuna di queste molecole è in grado di prelevare un dato amminoacido e di identificare sull'mRNA la "parola" in codice che corrisponde a quell'amminoacido

La traduzione

Codice genetico

Il codice genetico

Anche una molecola di mRNA è una sequenza lineare di nucleotidi.

* Il codice genetico è una relazione che esiste tra sequenza nucleotidica del DNA (e quindi anche dell'mRNA) e la sequenza di amminoacidi della catena polipeptidica

* le basi azotate della sequenza nucleotidica vengono lette a 3 a 3

* ciascuna di queste triplette codifica per un determinato amminoacido

* è stabilito da un segnale di inizio presente nella sequenza del DNA (e quindi anche in quella corrispondente dell'mRNA)

* fissa univocamente la successione di triplette nella sequenza nucleotidica

* Il codice genetico consiste in 64 triplette diverse:

o 61 designano effettivamente amminoacidi

o 3 fungono da segnali di stop nella sintesi proteica

* Ciascuna delle triplette di casi azotate dell'mRNA viene detta codone

* molti amminoacidi possono essere specificati da due o più codoni diversi

Il codice genetico è:

* univoco = un codone designa solo un determinato amminoacido

* ridondante = lo stesso amminoacido può essere designato da più codoni "sinonimi"

Interazioni codone-anticodone

* La molecola di mRNA (con i suoi codoni) arriva nel citoplasma di una cellula eucariotica

* Qui interagisce con le molecole di tRNA e quelle di rRNA.

* Ogni tipo di tRNA possiede in un determinato punto un anticodone (sequenza di 3 basi azotate della sequenza nucleotidica che si appaiono solo con le 3 basi azotate complementari di un dato codone nell'mRNA)

Fasi della traduzione

La traduzione si svolge sulla superficie dei ribosomi e procede attraverso 3 fasi:

1. Inizio

* una molecola di tRNA iniziatore (che reca l'anticodone UAC) si lega con una subunità ribosomiale minore

* la subunità ribosomiale minore si lega al codone di inizio dell'mRNA (AUG) che deve essere tradotto

* A questo punto abbiamo un complesso costituito da: ribosoma completo, una molecola di mRNA, un tRNA iniziatore

2. Allungamento della catena

* L'mRNA scorre nel ribosoma (filo e ago)

* Il codone di inizio dell'mRNA determina la corretta scansione di lettura delle triplette dell'mRNA da parte dei tRNA

* I tRNA portano gli amminoacidi al ribosoma

3. Terminazione della catena

* viene raggiunto sull'mRNA un codone di stop

* il ribosoma e la catena polipeptidica si staccano dalla molecola di mRNA

* la nuova catena entra a far parte della dotazione di proteine libere presenti nel citoplasma della cellula, ed entra nel sistema di membrane del citoplasma per essere sottoposta alle opportune modifiche

Mutazioni e variazioni genetiche

Come regola generale la sequenza di basi azotate presente nel DNA va mantenuta invariata da una generazione all'altra. Ciò nonostante capita che si verifichino variazioni nel DNA. Tali variazioni possono essere di 3 tipi:

1. mutazioni geniche = consiste nella delezione, nell'aggiunta o nella sostituzione di una o più basi azotate nella sequenza nucleotidica di un gene.

2. crossing over e conseguente ricombinazione genetica = danno origine a nuove combinazioni di alleli nei cromosomi

3. aberrazioni cromosomiche = la struttura e il numero dei cromosomi può variare in conseguenza della non-disgiunzione dei cromosomi

Regolazione dell'espressione genica

La regolazione dell'espressione genica

1. Tutte le cellule del nostro corpo contengono gli stessi geni

2. Al tempo stesso però ciascun tipo di cellula utilizza una piccola parte dei suoi geni in modo del tutto particolare; tutte le cellule determinano:

* quali geni devono essere attivi

* quali prodotti genici devono essere presenti

* quando devono essere presenti

* in che quantità devono essere presenti

Il meccanismo di regolazione genica meglio compreso è quello relativo alla velocità di trascrizione.

La trascrizione:

* comincia in corrispondenza di un promotore (particolare sequenza di basi azotate posta prima di uno o più geni)

* perché possa avvenire l'RNA deve legarsi al promotore

* alcuni geni sono trascritti più spesso semplicemente perché il loro promotore lega più fortemente l'RNA di quanto avvenga per altri geni

* la velocità di trascrizione può essere accresciuta o ridotta grazie all'intervento di proteine regolatrici (alcune interagiscono con il promotore, altre con l'operatore)

Regolazione genica negli eucarioti

Regolazione dell'espressione genica negli eucarioti

Si hanno poche informazioni per quanto riguarda la regolazione genica negli eucarioti pluricellulari, perché:

* l'espressione genica varia da tessuto a tessuto

* l'espressione genica varia anche nell'ambito di uno stesso tessuto

Anche se tutte le cellule del nostro corpo hanno ereditato gli stessi geni, esse attivano o sopprimono in diversa misura l'attività di una parte di quei geni. Questo dà luogo a grandi differenze nella struttura e nella funzione dei diversi tipi di cellule. Tale differenziamento è la conseguenza di un'espressione selettiva dei geni nei diversi tipi di cellule

* nelle femmine ciascuna cellula somatica possiede due cromosomi X

* per un corretto funzionamento delle cellule, occorre che sia attivo sono uno dei due cromosomi X; in certi casi, una dose doppia dei prodotti dei geni di questo cromosoma potrebbe risultare letale

* durante le prime fasi dello sviluppo dell'embrione femminile, uno dei due cromosomi X viene consensato e la trascrizione della maggior parte dei suoi geni viene soppressa permanentemente

* l'embrione si sviluppa e il cromosoma condensato viene duplicato e trasmesso in questa forma di cellula in cellula

* ogni donna è un "mosaico" per quanto riguarda i caratteri legati al cromosoma X, perché in certe zone di tessuto viene espresso l'allele di origine paterna, in alte quello di origine paterna

* l'effetto "mosaico" è evidente nelle donne affette da displasia anidrotica ectodermica