Biologia animale e genetica - dal DNA alle proteine

Dal DNA alle proteine

Il codice fondamentale del DNA è stato decifrato e sappiamo leggere il linguaggio dei geni. Le proteine sono i principali costituenti della cellula poiché determinano la sua struttura e le permettono di funzionare. Ogni proteina ha la sua sequenza, forma e comportamento chimico caratteristico. Le istruzioni ereditarie portate dal DNA devono specificare la sequenza amminoacidica delle proteine. Il dogma centrale della biologia molecolare afferma che l'informazione genetica fluisce continuamente dal DNA all'RNA alle proteine.

Dal DNA all'RNA

La trascrizione e la traduzione sono dei processi con i quali la cellula esprime i suoi geni. Ogni gene si può trascrivere e tradurre in maniera diversa e questo fa sì che ci sia una grande quantità di proteine. Una cellula può modificare l'espressione di ciascuno dei suoi geni a seconda delle esigenze del momento.

Trascrizione

Il primo passo per la trascrizione è copiare la sequenza nucleotidica in RNA. Come il DNA, l'RNA è un polimero lineare formato da quattro tipi di subunità nucleotidiche unite da legami fosfodiesteri. Differisce dal DNA per due aspetti: 1) i suoi nucleotidi sono ribonucleotidi perché contengono il ribosio, 2) contiene l'uracile al posto della timina. L'RNA è a singolo filamento e per questo può piegarsi in vari modi, mentre il DNA a doppia elica non può farlo. Esistono vari tipi di RNA che svolgono ruoli strutturali persino catalitici.

L'RNA comincia con l'apertura e la despiralizzazione di un breve tratto della doppia elica del DNA, in cui vengono esposte le basi presenti su ciascun filamento, uno dei quali fa da stampo per la sintesi dell'RNA. I ribonucleotidi si aggiungono alla catena di RNA uno alla volta e la sequenza nucleotidica della nuova catena di RNA viene stabilita dall'appaiamento complementare sullo stampo di DNA. Il nuovo filamento di DNA rimane appaiato al filamento stampo mentre quello dell'RNA se ne distacca. Quindi le molecole di RNA prodotte dalla trascrizione hanno un unico filamento, sono molto più corte e non superano mai poche migliaia di nucleotidi.

Enzimi della trascrizione

Gli enzimi della trascrizione sono chiamati RNA polimerasi e sono diversi dai DNA polimerasi. L'RNA polimerasi avanza passo passo lungo il DNA svolgendone l'elica per esporre una regione del filamento stampo e consentire l'appaiamento delle basi. La catena di RNA si allunga di un nucleotide alla volta in direzione 5'-3', consumando nucleosidi trifosfati (ATP, CTP, UTP, GTP) i cui legami ad alta energia alimentano la reazione sospingendola verso la sintesi. Le RNA polimerasi possono dare inizio a una catena di RNA senza bisogno di innesco e non hanno bisogno di una correzione accurata.

La grande maggioranza dei geni situati sul DNA specifica la sequenza amminoacidica delle proteine e le molecole di RNA ricopiate da questi geni (che finiscono per dirigere la sintesi proteica) vengono indicate come RNA messaggero. Negli eucarioti porta l'informazione trascritta da un gene solo e codifica una sola proteina, nei batteri può codificare più proteine.

Tipi di RNA

• RNA ribosomico: Forma il nucleo base dei ribosomi sui quali avviene la traduzione dell'mRNA in proteina.
• RNA transfer: Costituisce un insieme di adattatori che selezionano gli amminoacidi e li collocano in posizione opportuna sul ribosoma poiché possano essere incorporati correttamente nella catena polipeptidica.
• Altri RNA di piccole dimensioni sono detti microRNA e hanno il compito di regolare l'espressione genica degli eucarioti.

Quando il prodotto finale di un gene è una proteina, l'espressione genica comprende sia la trascrizione sia la traduzione, mentre la traduzione non è prevista quando il prodotto finale è una molecola di RNA. L'inizio della trascrizione è un evento molto critico perché è il punto principale in cui la cellula può selezionare quali proteine o RNA produrre. Per cominciare a trascrivere, la RNA polimerasi deve riconoscere l'inizio di un gene e legarsi saldamente al DNA in quella posizione.

Le molecole di RNA polimerasi tendono ad aderire debolmente alla doppia elica quando la urtano per caso. L'enzima scivola veloce lungo il DNA e si avvicina strettamente se incontra una regione detta promotore, cioè una sequenza specifica di nucleotidi che indica il punto di inizio per la sintesi di RNA. Raggiunto il promotore e legatasi strettamente al DNA, la RNA polimerasi apre la doppia elica di fronte a sé per esporre i nucleotidi dei due filamenti per un breve tratto. Quindi uno dei filamenti fa da stampo per selezionare tra i nucleotidi in arrivo quelli che si appaiano correttamente e la polimerasi ne congiunge due per dare inizio alla catena di RNA. L'allungamento della catena procede finché l'enzima non incontra un altro segnale sul DNA, il segnale di terminazione, dove si ferma lasciando libero sia lo stampo che il polimero di RNA sintetizzato.

Nella polimerasi batterica la sequenza promotore viene riconosciuta da una subunità detta fattore sigma. Dato che il DNA presenta due filamenti, in linea di principio il promotore potrebbe segnare l'inizio per due diversi RNA, uno scritto da sinistra a destra e uno trascritto da destra a sinistra, invece il promotore è asimmetrico e lega la polimerasi solo in una certa orientazione. Infatti, l'enzima trascrive il filamento giusto di DNA solo in direzione 5'-3'.

Trascrizione nei geni eucariotici

La trascrizione nei geni eucariotici differisce da quella batterica per alcuni aspetti che non sono stati dettagliati nel testo fornito.