DNA - Strutture fondamentali e processi biologici

Il DNA è una sorta di contenitore dell’informazione genetica; è una biomolecola, della classe degli acidi nucleici, ed è formato da monomeri detti nucleotidi.

Esperimenti storici sul DNA

Per provare l’esistenza del DNA furono condotti una serie di esperimenti a partire dalla seconda metà dell’800. Il primo scienziato ad isolare il DNA fu F. Miescher, estraendo la molecola dai globuli bianchi del sangue, che chiamò nucleina

Nel 1928, Frederick Griffith condusse alcuni esperimenti per cercare di produrre un vaccino contro una forma di polmonite batterica provocata dallo Streptococcus pneumoniae. Per i suoi esperimenti, Griffith utilizzò topi da laboratoio i quali furono infettati da due ceppi diversi di pneumococco.

Esperimenti di Hersey e Chase

Hersey e Chase utilizzarono il batteriofago T2, un virus capace di infettare i batteri di Escherichia coli, e di riprodursi in esso, composto da un capside proteico che ingloba una molecola di DNA.

Utilizzarono due ceppi di virus e li marcarono com elementi radioattivi differenti:

un ceppo venne marcato con zolfo radioattivo 35S, isotopo capace di marcare le proteine

un ceppo venne marcato col fosforo radioattivo 32P, isotopo capace di marcare il DNA

Con ciascuno di questi ceppi, infettarono una colonia di batteri E.coli =>

Si scoprì che il DNA dei virus presente nel surnatante, era il fattore che veniva trasferito dal virus al batterio. All’interno del batterio, il DNA virale era capace di duplicarsi e produrre nuovi capsidi proteici

Processo di duplicazione del DNA

Per la duplicazione (processo semiconservativo; alla fine del processo, si avranno due molecole, ognuna formata da un filamento vecchio e uno nuovo)) del DNA sono necessari alcuni elementi che ne permettono il corretto svolgimento:

Deossinucleotidi (dATP, dGTP, dCTG, dTTP)

Enzimi specifici

Proteine che non permettono la chiusura della doppia elica

Primer (sequenza che iniziare la duplicazione)

Energia (ATP)

Prima fase: despiralizzazione => svolgimento dell’elica, a causa delle proteine DNA-elicasi in modo che i due filamenti siano tra loro paralleli (per evitare il super-avvolgimento degli estremi del DNA, quando questo viene separato al centro dal DNA-elicasi, agiscono delle proteine DNA-topoisomerasi). I filamenti, che tendono a riavvicinarsi, vengono tenuti separati dai SSBP (single strand blinding protein). Ogni nuova molecola di DNA avrà dunque un filamento vecchio e uno nuovo. La DNA-polimerasi alfa, usando il filamento precedentemente staccato come stampo, inizia a creare un nuovo filamento, inserendo complementariamente i deossineuclotidi; il processo di sintesi è poi continuato dalla DNA-polimerasi epsilon. La DNA-polimerasi agisce su riconoscimento del primer (innesco), molecola di RNA sintetizzato dalla DNA-primasi. La DNA-polimerasi agisce in direzione 5primo-3primo. Alla fine del processo di sintesi, interviene la DNA-polimerasi delta che sostituisce i primer con deossinucletidi. In un filmanento si muove velocemente, in un altro lentamente e in direzione inversa, ma quasi forzatamente (dove perciò si formano i frammenti di Okazaki). La DNA-ligasi lega le informazioni rimaste.

Fasi della trascrizione

La traduzione è la codifica, nel ribosoma, delle informazioni contenute nel mRNA, in cui sono state trascritte le istruzioni a partire da un filamento stampo del DNA. Sono necessari:

Fattori di trascrizione

Ribonucleotidi

RNA polimerasi (che, a differenza della DNA polimerasi, non ha bisogno del primer)

Riconoscimento e inizio della trascrizione: la trascrizione comincia con il riconoscimento del gene promotore (parte inziale del gene), che contiene una specifica sequenza di nucleotidi detta TATA-box (Timinina-Adenina etc…=> acidi che hanno solo due legami a idrogeno, dunque serve meno energia per staccare il filamento) da parte dei fattori di trascrizione alla quale si legano; l’RNA polimerasi riconosce i fattori di trascrizione, legati alla TATA-box, e si lega alla molecola di DNA. Si forma dunque il complesso di trascrizione. Uno di questi fattori di tracrizione del complesso induce l’apertura del filamento di DNA nel punto di inizio

Allungamento: la RNA polimerasi inzia ad aggiungere ribonucleotidi utilizzando il DNA come stampo. Si comincia a formare l’mRNA messaggero; i ribonucleotidi inseriti saranno: ATP-GTP-CTP-UTP (Adenina-guanina-citosina-uracile trifosfato) che si legano tramite reazioni di condensazione (legame covalente) > nome particolare di “legame fosfodiesterico”

Terminazione dell’allungamento del RNA: nel filamento stampo esiste una tripletta di STOP (terminatore) che indica all’RNA polimerasi che il gene è stato trascritto. RNA polimerasi si stacca e l’mRNA di nuova formazione si separa dal DNA che si richiude.

Maturazione dell'RNA

Maturazione dell’RNA (eliminazione delle sequenze inutili alla sintesi della proteina): la maturazione dell’mRNA è un processo che avviene prima che questo passi dal Nucleo al Citoplasma. Avviene in due fasi:

Capping (insieme al successivo): all’estremità 5’ è stato inserito un gruppo metile CH3, alla base azotata guanina. Questo processo da stabilità all’mRNA durante la traduzione.

PoliAdenilazione: all’estremità 3’OH viene aggiunta una catena di 200 nucleotidi contenenti la base azotata Adenina. Questa catena viene sintetizzata dalla Poli(A)-polimerasi. Anche questo processo conferisce stabilità alla traduzione

Splicing: l’mRNA è costituito da esoni (tratti di RNA codificanti) intervallati da introni (tratti di RNA non codificanti). Prima di cominciare il processo di traduzione gli introni vengono eliminati da alcune riboproteine chiamate snRNP o snarp (molecole formate da una parte proteica e da RNA)e gli esoni vengono uniti per formare un prodotto codificante continuo

L’RNA diverso da DNA perché ha desossiribosio, ha uracile ed è un singolo filamento

Processo di traduzione del DNA

La traduzione del DNA è il processo di decodifica della sequenza dell’mRNA che viene tradotto in catena polipeptidica. Affinché la traduzione possa avvenire, è necessario che ci sia un codice genetico (che ci da informazione sulla tipologia e quantità delle stesse, che codificano per uno specifico amminoacido); è un codice a triplette: ogni tripletta è composta da tre basi azotate dell’mRNA che codificano uno specifico amminoacido (si leggono 5’->3’); ogni tripletta è detta codone, e il codice genetico comprende 64 codoni. Il codice genetico è universale (uguale in tutti gli esserei viventi) e ridondante (codoni simili). Esistono anche codoni di punteggiatura e di stop. Il codone di inzio è quello che codifica per l’amminoacido metonina (che è presente in tutte le proteine). Gli amminoacidi si legano via via tramite legami polipeptidici.

Struttura e funzione del ribosoma

Il ribosoma è composto da due sub-unità:

sub-unità minore, parte del ribosoma dove si va ad inserire l’mRNA, al quale si attacca il tRNA per appaiarsi

sub-unità maggiore, parte del ribosoma che si aggiunge dopo che il tRNA ha formato l’amminoacido. Composta dai siti E - P - A. Inizialmente, il tRNA si appaia al sovrastante sito P, successivamente, con lo spostamento delle sub unita sull’mRNA, al sito A, formando un altro amminoacido, legandosi un legame peptidico —> alla formazione del legame, la metionina, la prima formata, si stacca dal sito P. Si procede poi via via per scorrimento.

Le due sub unita vengono separate, infine, dai fattori di rilascio.

Amminoaciltrnasintetasi: riattacca il tRNA al mRNA corrispondente.

Elementi essenziali per la traduzione

Gli elementi essenziali per far avvenire correttamente il processo di traduzione sono:

- mRNA messagero;

tRNA => RNA transfer che ha il compito di leggere i codoni e trasferirli al ribosoma (sub-unita minore). La molecola è una sequenza di nucleotidi breve che assume la forma a trifoglio. È composto da un sito di attacco, a cui si attacca l’amminoacido, e da un sito di appaiamento, che contiene l’anti-codone, che si appaia al codone corrispondente (ci sono più codoni che codificano per lo stesso amminoacido => codice genetico ridondante).