Sintesi delle proteine e mutazioni genetiche

Introduzione alla Trascrizione. Gli scienziati, una volta capito che il DNA era la molecola contenente l'informazione genetica, dovevano capire il meccanismo che legava la molecola della vita con le proteine. La sintesi delle proteine avviene mediante tre tipi di RNA: l'mRNA, il tRNA e l'rRNA. L'mRNA è la molecola messaggera, ovvero la molecola di cui il DNA si avvale per trasportare fuori dal nucleo l'informazione genetica (il DNA non può attraversare i pori nucleari). Il tRNA è una molecola non troppo lunga, ripiegata su se stessa a forma di trifoglio presentante nella parte bassa l'anticodone e nella parte alta il sito di legame con l'amminoacido. L'rRNA si forma nei nucleoli e costituiscono i ribosomi. In generale l'RNA è un acido nucleico formato da un fosfato, uno zucchero pentoso quale il ribosio e una base azotata tra: adenina, citosina, guanina, uracile.

Meccanismo della trascrizione

Trascrizione. La prima fase della sintesi delle proteine è la Trascrizione. Essa consiste sostanzialmente nella trascrizione del gene dal DNA sul mRNA. Quando un gene deve essere trascritto, l'enzima "RNA polimerasi" si lega al DNA a livello del promotore, una zona di DNA da cui parte la formazione del polimero di RNA. La Trascrizione termina nel sito di terminazione. L'RNA polimerasi può trascrivere ambedue i filamenti, ma "preferisce" quello 3'>5' che deve formare il complementare 5'>3'. Questo trascritto primario, tuttavia, non costituisce l'mRNA maturo, ma presenta esoni (materiale utile alla sintesi) ed introni (materiale superfluo). Il passo successivo sarà quindi quello di "depurare" il trascritto primario trasformandolo in mRNA diretto verso i ribosomi. L'RNA polimerasi non effettua la "correzione delle bozze", già vista con il DNA, poiché se l'mRNA è errato, e così anche la proteina, essa verrà distrutta e verrà riformata. Il problema sta invece nell'errore nel DNA (vedi mutazioni genetiche).

Introduzione alla Traduzione. Il messaggio genetico si traduce nella sequenza degli amminoacidi di cui una proteina è costituita. Inizialmente si credeva che a ogni base corrispondeva un amminoacido, ma le basi sono 4 e gli amminoacidi 20. Poi 4^2, ma 16 non è 20. Allora si pensò 4^3, e in effetti è così. Il codice, infatti, si legge a tre a tre, a triplette. Tre basi, una tripletta, costituiscono un codone. Si chiama codice genetico la corrispondenza tra la sequenza delle triplette prese sul DNA e la sequenza degli amminoacidi nella proteina corrispondente. Abbiamo quindi 64 triplette, o codoni, e ogni tre basi un amminoacido. Il codice è ridondante, ma non ambiguo, significa che se gli amminoacidi sono 20 e le triplette sono 64 vuol dire che ci sono più codoni per uno stesso amminoacido. Possiamo avere tre triplette che si riferiscono a uno stesso amminoacido, ma non abbiamo una tripletta valida per più di un amminoacido. Quando abbiamo più triplette per uno stesso amminoacido solitamente le prime due basi sono uguali. Le triplette significative sono 61, poi ci sono poi 3 codoni non-senso, o di stop, che non richiamano nessun amminoacido: si capisce quindi quando la proteina è finita.

Processo di traduzione

Traduzione. Nella traduzione, sostanzialmente, si ha il confronto codone-anticodone sul ribosoma per verificare se l'amminoacido posto nel sito di legame è corretto. I ribosomi sono costituiti da due subunità: una maggiore e una minore. Quella maggiore è formata da tre molecole di rRNA unite a 45 molecole proteiche, mentre quella minore è formata da una sola molecola di rRNA e 33 molecole proteiche. Ogni ribosoma porta tre siti che sono in ordine: D, C, A. Quando un ribosoma legge un mRNA si ha la traduzione. La prima cosa che avviene nella traduzione è la formazione del complesso di inizio. Un filamento di mRNA arriva nel citoplasma per essere letto e tradotto e si avvicina alla subunità minore del ribosoma. L'mRNA presenta un codone detto "codone di inizio" che è uguale a tutti gli mRNA ed è la tripletta A U G (metionina). La sub-unità minore si attacca pertanto prima del codone d'inizio. Quest'ultimo richiama il tRNA che porta la metionina e quest'ultimo ancora si va a posizionare con l'anticodone di fronte al codone A U G dell'mRNA. A questo punto la subunità maggiore si va a incastrare in modo tale da far andare il tRNA nel sito C di questa subunità. Il complesso di inizio è formato, il primo amminoacido è stato inserito. Quindi nel sito C c'è la tRNA con la metionina e il sito A è vuoto. Viene chiamato il tRNA che specifica per il codone in A e, una volta chiamato e verificato, si pone nel sito A. Il ribosoma scorre facendo andare la tRNA del nuovo amminoacido nel sito C e il tRNA della metionina nel sito D. Durante questo passaggio, la metionina s'è staccata dal suo tRNA per legarsi all'amminoacido nuovo tramite un legame peptidico, mentre il tRNA della metionina (che si trovava nel sito D) viene liberato. Questa procedura si ripete fino al codone di stop, al quale si lega il "fattore di rilascio" che stacca la catena polipeptidica dall'ultimo tRNA e rilascia ultima la proteina. Nell'informazioni della neoproteina c'è anche riportata la sua funzione e la sua destinazione.

Mutazioni genetiche

Mutazioni genetiche

Le mutazioni consistono nell'errore durante la duplicazione del DNA. La mutazione potrebbe avvenire durante la duplicazione di una cellula somatica o germinale. Le mutazioni delle cellule somatiche non sono molto importanti (errori durante la mitosi) a meno che non si tratta di cellule cancerogene. Diversa sorte ha un gamete presentante errori, che porta mutazioni ereditarie.

Le mutazioni possono riguardare:

- una sola base con le mutazioni puntiformi: riguardano un solo gene e si ha, di solito, quando un allele dominante diventa recessivo.

- un pezzo di cromosoma con le mutazioni cromosomiche;

- un intero cromosoma con le mutazioni genomiche: alterazione dell'assetto genomico (45 o 47 cromosomi);

Tipi di mutazioni puntiformi

Le mutazioni puntiformi. Sono le più frequenti e possono essere di quattro tipi:

Le mutazioni silenti. Le mutazioni silenti sono quelle che nonostante ci sia stata una sostituzione della base, la mutazione non appare. Sappiamo che esistono più triplette per uno stesso amminoacido; quindi nel caso in cui viene mutata la terza base di una tripletta, e le prime due rimangono uguali, il codone rimanda sempre allo stesso amminoacido.

Le mutazioni di senso. Quando invece viene mutata la prima o la seconda base di una tripletta, la proteina potrebbe avere funzionalità limitate o non funzionare proprio. Un esempio l'abbiamo nell'emoglobina con l'anemia falciforme che, per un solo amminoacido sbagliato su 543, i globuli rossi prendono la forma “a falce” causando gravi conseguenze sulla salute.

Le mutazioni non senso. In questo caso un codone che rimanda a un amminoacido viene trasformato in un codone di stop. Durante la traduzione quando questo codone “contraffatto” si viene a trovare nel sito A, la sintesi si blocca. Ovunque essa sia arrivata.

Le mutazioni per scorrimento della finestra di lettura. Le precedenti mutazioni riguardano singoli codoni. Ora invece se una base viene saltata o copiata due volte, si sballa tutto il codice successivo. Tutti gli amminoacidi successivi sono errati.

Mutazioni cromosomiche e genomiche

Le mutazioni cromosomiche. Durante il crossing-over, i cromosomi si rompono in due punti, ma uno dei due pezzi non si riattacca all'estremità (delezione). Probabilmente il pezzo mancante sarà andato su un altro cromosoma causando la duplicazione. Essa si ha in contemporanea alla delezione: un cromosoma ha un pezzo in più e uno in meno. Si ha la traslocazione quando un pezzo di un cromosoma non si attacca a un suo omologo, ma a quello di un'altra coppia. Si ha l'inversione quando il pezzo di cromosoma si attacca nel modo sbagliato (es. TCGCATGC in TCTACGGC).

Le mutazioni genomiche. Esse riguardano il numero dei cromosomi e quindi l'assetto cromosomico. Ogni cellula germinale ha 23 cromosomi. A volte si ha la mancata disgiunzione dei cromosomi nella meiosi con la formazione di due gameti: uno che ha due cromosomi e l'altro senza niente. Quando verranno fecondati, il gamete che aveva due cromosomi se ne troverà tre (trisomia), quello che non ne aveva se ne troverà uno solo (monosomia).

Le mutazioni possono essere spontanee o indotte. Possono avvenire mutamenti al DNA senza interventi esterni (mutazioni spontanee) oppure tramite agenti mutageni (mutazioni indotte) di natura fisica e chimica. Per Darwin una mutazione genetica avviene per caso, e ciò costituisce l'evoluzione.

Correzione degli errori nel DNA

Per la complementarietà delle basi si spiega il fatto che durante la duplicazione si commettano pochi errori. Ciononostante la DNA polimerasi compie frequentemente degli errori, ogni 105 basi copiate. Esistono, tuttavia, ben tre meccanismi di correzione: correzione delle bozze, una correzione effettuata da un gruppo enzimatico e la riparazione per escissione.

Per quanto riguarda la correzione delle bozze, dobbiamo dire che la DNA polimerasi può compiere un errore ogni 105 basi copiate, ma dobbiamo anche dire che è in gran parte capace di rimediare lei stessa agli errori. Infatti, dopo aver posto una base, la ricontrolla. La possibilità di errore scende così a 109. Quando il DNA è stato duplicato, i filamenti vengono scorsi da una seconda serie di enzimi che controlla se la duplicazione è avvenuta correttamente e corregge gli errori che sono sfuggiti alla correzione delle bozze della DNA polimerasi. Poi abbiamo il terzo meccanismo di correzione che avviene a DNA già duplicato. Se una cellula presenta alterazioni al DNA dovuti ad agenti mutageni, di natura fisica o chimica, interviene una serie di enzimi che stacca un frammento di basi contenente l'errore e lo ripristinano, per escissione appunto.