Acidi nucleici, trascrizione, traduzione e replicazione

Acidi nucleici

Con DNA e RNA intendiamo le sigle di due acidi nucleici: acido desossiribonucleico ed acido ribonucleico. Essi sono costituiti da monomeri chiamati nucleotidi, formati da 3 elementi: uno zucchero a 5 C (desossiribosio o ribosio), una base azotata e acido fosforico. Il desossiribosio ha nel C2’ legato un atomo di idrogeno, mentre il ribosio un gruppo ossidrile. La parte variabile è la base azotata: si dividono in purine (A e G) costituite da 2 anelli e pirimidiniche (C e T) con un solo anello. Nel RNA la T viene sostituita dall’U. Anche l’ATP e il GTP sono nucleotidi. Due nucleotidi sono legati insieme da un ponte fosfodiesterico, legame covalente tra il gruppo ossidrile legato al C3’ di un nucleotide e il gruppo fosfato legato al C5’ di un altro. La direzione di sintesi degli acidi nucleici è quindi 5’P 3’OH.

Una singola elica è quindi formata dall’alternarsi di zucchero e acido fosforico ed è legata all’altra elica (nel caso del DNA) dalle basi azotate, in cui è contenuto il materiale genetico. A e T formano 2 legami idrogeno; C e G 3 legami idrogeno. Un gene è una sequenza di nucleotidi che contiene l’informazione per sintetizzare le proteine. Quando si ha una malattia genetica vi è un errore nel nucleotide, e ciò comporterà la sintesi di una proteina sbagliata e quindi dannosa.

La scoperta del DNA

Il DNA è la molecola depositaria dell’informazione genetica in tutte le cellule. È molto stabile e a doppia elica. La storia del DNA comincia nel 1869 quando Miescher isolò dal nucleo una sostanza di natura acida ricca di fosforo. Non sapendo di aver trovato il DNA, la rinominò “nucleina”. Fino agli anni ’40, si continuò a pensare che erano le proteine a contenere il materiale genetico, poiché le più complesse.

Nel 1928 Griffith scoprì l’esistenza del “principio trasformante”: egli lavorava sul ceppo patogeno di un batterio, uno pneumococco in grado di causare una polmonite letale negli animali. Esistevano due forme di questo batterio: patogeno S, non patogeno poiché privo di capsula R. I topi infettati con S, morivano. Con R, sopravvivevano. Se i topi venivano infettati da batteri S uccisi col calore, sopravvivevano, ma se venivano infettati con una miscela di batteri R e batteri S uccisi, morivano e si riscontravano nell’autopsia batteri S vivi. Griffith sospettò allora che nei batteri S fosse presente un qualcosa che poteva essere trasmessa ai batteri R e che gli conferiva la capacità di crearsi la capsula tipica degli S.

Il principio trasformante fu identificato solo nel 1944 da Avery, MacLeod e McCarty, ma i loro risultati non vennero presi in considerazione. Nel 1952, Hersey e Chase ripresero le loro teorie e dimostrarono che avevano ragione. Essi marcarono le proteine con lo zolfo, il DNA con il fosforo, per seguire il loro destino nell’esperimento. Prepararono due fagi differentemente marcati e li misero in presenza di batteri intatti. Notarono che quando venivano usati fagi con DNA marcato, la radioattività rimaneva nelle cellule, mentre nei fagi con proteine marcate, rimaneva nel sopranante. Conclusero quindi che il DNA del fago entra nel batterio al momento dell’infezione e il fatto che la radioattività dovuta al fosforo si ritrovava anche nella progenie dimostrava che il DNA si trasmetteva.

Struttura del DNA

Ad essi si ispirò Chargaff. Egli riuscì a separare le 4 basi e a valutarne la concentrazione. Scoprì che vi era un’equimolarità delle 4 basi: la quantità di A e di T corrisponde alla quantità di C e G. Altri studi, in seguito, utilizzarono i raggi X per studiare la struttura del DNA. Franklin e Wilkins dalle immagini ottenute ipotizzarono che il DNA avesse una struttura elicoidale con un diametro di 2 nm e individuarono altre due grandezze che ripetevano costantemente: 3,4 e 0,3 nm. Solo nel 1953 Watson e Crick riuscirono a ricostruire l’esatta struttura del DNA. Esso è costituito da 2 eliche complementari (purine=pirimidine) e antiparallele, avvolte in torno ad un asso verticale in senso destrorso. Il passo misura 3,4 nm, mentre la distanza tra le basi impilate è di 0,34 nm. È lungo circa 2 m e dato che si trova in spazi molto ristretti, si presenta superspiralizzato.

Più l’essere vivente è complesso, maggiore è il numero di basi azotate e quindi di DNA. Vi sono però delle eccezioni, alcune piante e animali hanno un genoma più complesso di quello umano. Ciò è dovuto al fatto che parte del DNA viene considerato “spazzatura”, ovvero è non codificante e perciò inutile. Il motivo dell’esistenza di questa parte di DNA è data dal percorso evolutivo delle specie: probabilmente codificava elementi che adesso non ci sono più necessari.

DNA e cromatina

Il DNA unito a proteine particolari e RNA (5%) forma la cromatina. Tra le proteine che ne fanno parte distinguiamo quelle istoniche e quelle non istoniche. Le prime sono basiche, con carica positiva, hanno un ruolo strutturale e regolativo. Quelle non istoniche invece hanno una funzione regolatrice e controllano l’espressione genetica. Tra le proteine istoniche distinguiamo 2 H2A, 2 H2B, 2 H3, 2 H4. Queste formano insieme un ottamero, a cui si avvolge intorno il DNA, formando il nucleosoma. L’istone H1 invece ha il compito di stabilizzare il nucleosoma.

Gli ottameri possono essere più o meno vicini. Tra di loro si interpone un tratto di DNA che li tiene uniti, detto DNA linker. L’istone H1 di un nucleosoma unendosi con un altro istone H1 di un altro nucleosoma forma provoca l’avvicinamento dei due nucleosomi e favorisce così la compattazione della cromatina. Il legame tra i vari istoni H1 forma una fibra detta solenoide, che cambia dimensione a seconda della spiralizzazione in corso.

Esistono due tipi di cromatina: eterocromatina, molto compatta e non attiva; eucromatina, distesa, può sintetizzare proteine. La cromatina ancora più condensata darà vita ai cromosomi. Il cariotipo è un esame che ci permette di vedere forma e numero dei nostri cromosomi: 22 sono autosomi, 2 sono cromosomi sessuali.

Caratteristiche del DNA

Il DNA presenta diverse caratteristiche: sequenze palindromiche, ovvero sequenze di basi ripetute che possono essere lette allo stesso modo indifferentemente da destra verso sinistra. Il DNA ottiene una struttura a forcina e presenta funzioni quali punto di riconoscimento per le proteine di regolazione, oppure segnalo il sito di inizio della replicazione; viscosità, data dal rapporto massa/volume; densità, ottenibile grazie al cloruro di cesio, varia in base alla quantità di basi presenti; è ripetitivo: vi sono sequenze ripetute molte volte (DNA altamente ripetitivo) che non sembra avere alcuna funzione, sequenze mediamente ripetute (DNA mediamente ripetuto) rRNA, sequenze non ripetute (DNA a singola copia) molto importante, enzimi, proteine strutturali ecc…

A seguito di esperimenti condotti per aprire il DNA (si riscalda il DNA, si rompono i legami idrogeno delle basi) gli scienziati hanno ritrovato prima i tratti ripetitivi, poi quelli mediamente ripetitivi e infine le singole copie. Esiste infine anche un genoma mitocondriale che si trova nel mitocondrio ed ha forma circolare.

L'RNA

L’RNA è formato da una sola elica (salvo il tRNA) ed è coinvolto nei processi di espressione e di regolazione dell’informazione genetica. È una sequenza di ribonucleotidi uniti con un legame fosfodiestere (covalente). È una molecola operativa poiché vi è un momento in cui si forma e un momento in cui si distrugge. Ne esistono tanti tipi: rRNA che forma i ribosomi per la sintesi proteica, tRNA che trasferisce gli amminoacidi, mRNA, porta il messaggio, l’informazione che deve poi essere tradotta in proteina, piccoli RNA citoplasmatici, nucleari, nucleolari che aiutano la traduzione, lo splicing ecc…, microRNA che sono piccole catene di RNA (21-22 nucleotidi) che causano patologie o vengono usati nelle terapie.

Dogma centrale della biologia

Il dogma centrale della biologia prevede che il DNA, che ha la proprietà di duplicarsi, venga copiato come RNA (trascrizione) e che tale molecola intermedia (mRNA) venga letta per sintetizzare proteine (traduzione).

La trascrizione

Il riscrivere le sequenze desossiribonucleotidiche del DNA in sequenze ribonucleotidiche è fondamentale nel processo di espressione genica.