Biologia generale - la cellula

DUPLICAZIONE DEL DNA

La duplicazione del DNA avviene nella fase S (sintesi) del ciclo cellulare d'ogni cellula.

La replicazione del DNA è semi-conservativa: questo significa che ogni molecola figlia contiene una catena parentale e una neosintetizzata.

Il primo passo verso la replicazione semi-conservativa è la separazione delle due catene complementari nel punto in cui deve cominciare la replicazione; in modo che ciascuna catena sia libera di fungere da stampo per la polimerizzazione di una nuova catena complementare. La polimerizzazione è catalizzata dall'enzima DNA polimerasi; che seleziona i deossinucleotidi trifosfati (d-ATP, d-TTP, d-GTP, d-CTP) e li lega uno dopo l'altro con legame fosfodiestere 3'-5'.

L'enzima lega il fosfato presente su un deossinucleotide trifosfato al gruppo OH legato al carbonio 3' del deossiribosio appartenente al nucleotide terminale della catena in crescita. Nella reazione i due gruppi fosfati

terminali si staccano sottoforma di pirofosfato. l'allungamento unidirezionale di una catena, cioè può aggiungere nucleotidi soloLa DNApolimerasi catalizza soloall'estremità 3' ma non all'estremità 5'. La DNApolimerasi può catalizzare l'aggiunta di nucleotidi all'estremità 3' di unacatena esistente ma non è in grado di iniziare una nuova catena. Per iniziarla è, infatti, necessario un innesco o primer cuiaggiungere (all'estremità 3') i nucleotidi in sequenza. Nella cellula fa da innesco una breve catena di RNA. L'innesco èsintetizzato come segue:

1. prima avviene una dissociazione circoscritta delle due catene su un tratto interno alla molecola di DNA
2. un enzima detto primasi catalizza la formazione di una breve catena di RNA a partire da ribonucleotidi trifosfati(ATP, UTP, CTP, GTP) [la primasi a differenza della DNApolimerasi è capace di dare

inizio ad una catena l'innesco di RNA resta appaiato allo stampo, poi arriva la DNApolimerasi che estende la catena per aggiunta di 3 deossinucleotidi all'innesco. Naturalmente si forma un innesco su ciascuna catena parentale e i due inneschi hanno polarità opposta e quindi le due catene figlie crescono in direzioni opposte. Man mano che le catene figlie si estendono alla loro estremità 3', la doppia elica si apre a cerniera in entrambe le direzioni di rotolamento dell'elica, che si chiama forcella replicativa. Il punto in cui la forcella avanza lascia dietro di sé una zona a singolo filamento su ciascuna delle catene parentali. A questo punto si formano nuovi inneschi che sono poi prolungati per riempire a ritroso le parti non replicate delle catene parentali. Gli inneschi sono poi rimossi quando i frammenti sintetizzati indietro (Okazaki) incontrano l'estremità 5' dell'innesco del tratto precedente. Quando avvienel'estensione della replicazione del DNA. Per risolvere questo problema, l'enzima DNA girasi (topoisomerasi II) interviene per rilassare la tensione torsionale generata durante la replicazione. L'enzima taglia temporaneamente una delle due eliche del DNA, permettendo alla doppia elica di ruotare e rilassarsi. Una volta che la tensione è stata alleviata, l'enzima DNA girasi ripara il taglio e ripristina la continuità del DNA. Durante la replicazione del DNA, è importante anche considerare la presenza di errori di replicazione. Per garantire l'accuratezza della duplicazione del DNA, l'enzima DNA polimerasi svolge un'attività di correzione dei proofreading. Questo significa che l'enzima è in grado di rilevare e correggere eventuali errori di appaiamento delle basi durante la sintesi del nuovo filamento di DNA. In questo modo, si riduce la probabilità di accumulo di mutazioni nel DNA replicato. In conclusione, la replicazione del DNA è un processo complesso che richiede la coordinazione di molteplici enzimi e proteine per garantire l'accuratezza e l'efficienza della duplicazione del materiale genetico.impedirebbe la replicazione. Il problema è stato risolto grazie all'enzima topoisomerasi che crea rotture transitorie in un singolo filamento a breve distanza dalla forcella replicativa. Queste rotture si creano e si riparano rapidamente ad opera della stessa topoisomerasi. Gene Unità ereditaria del materiale genetico, che determina la trasmissione di una particolare caratteristica, o gruppo di caratteristiche, da una generazione alla successiva. I geni si trovano disposti linearmente lungo i cromosomi, che negli organismi eucariotici (con cellule dotate di nucleo circondato da membrana) sono conservati all'interno del nucleo della cellula. Sul cromosoma, ciascun gene occupa una posizione precisa, detta locus; per questo motivo, a volte, il termine locus viene usato in modo intercambiabile con il termine gene. Il materiale genetico è costituito dall'acido desossiribonucleico o DNA (Vedi Acidi nucleici), che forma lo "scheletro" del cromosoma. Il

Il DNA di ciascun cromosoma è una molecola continua, lunga e sottile, formata da una catena di quattro subunità, chiamate nucleotidi. Ciascun nucleotide è formato dall'unione di uno zucchero (desossiribosio), un gruppo fosfato e una delle quattro basi azotate (adenina, guanina, citosina o timina). La sequenza in cui i diversi nucleotidi sono disposti sul filamento di DNA determina le proprietà dei diversi geni. I geni esercitano i loro effetti attraverso le molecole che producono. I prodotti immediati di un gene sono le molecole di acido ribonucleico (RNA); queste sono copie del DNA, tranne per il fatto che nell'RNA la timina viene sostituita da un'altra base azotata, detta uracile. Le molecole dell'RNA, a loro volta, dirigono la sintesi delle proteine: catene di subunità, chiamate amminoacidi, la cui sequenza è determinata, a mezzo del codice genetico, dalla sequenza delle basi dell'RNA e quindi del DNA. La sequenza degli amminoacidi

duplicazione del DNA è un processo fondamentale per la riproduzione delle cellule. Durante la duplicazione, la doppia elica del DNA si separa e ogni filamento serve come modello per la sintesi di un nuovo filamento complementare. Questo processo assicura che ogni cellula figlia abbia una copia identica del DNA della cellula madre. Trascrizione dell'RNA La trascrizione è il processo mediante il quale l'informazione genetica contenuta nel DNA viene copiata in una molecola di RNA. L'RNA trascritto, chiamato RNA messaggero (mRNA), contiene le istruzioni per la sintesi delle proteine. Durante la trascrizione, l'RNA polimerasi legge il DNA e sintetizza una sequenza complementare di RNA. Traduzione delle proteine La traduzione è il processo mediante il quale l'RNA messaggero (mRNA) viene utilizzato per sintetizzare una catena di amminoacidi, che si piega poi per formare una proteina funzionale. Durante la traduzione, l'mRNA viene letto dai ribosomi, che legano gli amminoacidi corrispondenti alle triplette di basi dell'mRNA. Questo processo avviene nel citoplasma delle cellule. Modificazioni post-traduzionali Dopo la sintesi delle proteine, queste possono subire modificazioni post-traduzionali che influenzano la loro struttura e funzione. Queste modificazioni possono includere l'aggiunta di gruppi chimici, come fosfati o carboidrati, o la rimozione di porzioni della proteina. Le modificazioni post-traduzionali possono influenzare l'attività, la localizzazione cellulare e la stabilità delle proteine. Le proteine svolgono una vasta gamma di funzioni all'interno dell'organismo, tra cui: - Proteine strutturali: forniscono supporto e struttura alle cellule e ai tessuti. - Enzimi: catalizzano le reazioni chimiche all'interno dell'organismo. - Ormoni: regolano molte funzioni fisiologiche e comportamentali. - Anticorpi: difendono l'organismo dagli agenti patogeni. - Proteine di trasporto: trasportano molecole e ioni attraverso le membrane cellulari. - Proteine di segnalazione: trasmettono segnali tra le cellule. - Proteine motorie: consentono il movimento delle cellule e dei tessuti. Le modificazioni del DNA possono influenzare la funzione delle proteine e quindi il funzionamento generale dell'organismo. Queste modificazioni possono essere causate da mutazioni genetiche o da fattori ambientali.

La duplicazione del DNA avviene prima di ogni divisione cellulare, in modo che le cellule figlie ricevano ciascuna una copia fedele del patrimonio genetico parentale. Per costruire una copia della molecola di DNA, i due filamenti della doppia elica si despiralizzano e si separano a livello dei legami tra le basi; a questo punto ciascun filamento funziona da stampo per l'assemblaggio di due nuovi filamenti complementari. Si formano, così, due nuove doppie eliche, ciascuna costituita da un filamento vecchio e da uno nuovo (per questo motivo la reazione di duplicazione viene detta semiconservativa). Ciascun filamento di DNA è circa 100.000 volte più lungo del cromosoma che lo contiene. Ciò è dovuto alla condensazione della molecola di DNA, che si avvolge su particelle proteiche, chiamate nucleosomi, appena visibili con i più potenti microscopi elettronici. A sua volta, la struttura formata dal DNA e dai nucleosomi si avvolge ulteriormente su se stessa.

più volte, fino a raggiungere lo stato di condensazione tipico del cromosoma.

Il codice genetico

Dal momento che si era dimostrato che le proteine sono determinate dai geni e che ciascun gene è composto da porzioni di filamenti di DNA, i ricercatori pensarono che dovesse esistere una corrispondenza tra la sequenza delle 4 basi azotate nel DNA e la sequenza dei 20 amminoacidi nelle catene polipeptidiche. In altre parole, doveva esistere un processo per trasferire l'informazione contenuta nei geni alle strutture cellulari responsabili della sintesi proteica. Siccome nel DNA compaiono solo 4 tipi di basi azotate diverse, mentre nelle proteine vi sono 20 amminoacidi, chiaramente non può valere la corrispondenza una base-un amminoacido (così le proteine potrebbero essere composte da soli 4 amminoacidi), né quella di una sequenza di due basi per amminoacido (così verrebbero specificati solo 16 amminoacidi). La sequenza minima che garantisce la

determinazione di tutti gli amminoacidi presenti nelle proteine è data da combinazioni di 3 basi azotate, dette triplette o codoni, che costituiscono la base del codice genetico. Traduzione Mentre sta ancora avvenendo la trascrizione, l'mRNA inizia a staccarsi dal DNA. Al termine di questo processo, un'estremità del filamento della nuova molecola si inserisce, come il filo di una collana nella perla, in una struttura chiamata ribosoma. A mano a mano che il ribosoma scorre lungo l'mRNA, l'estremità del filamento si inserisce in un secondo ribosoma, poi in un terzo e così via. I ribosomi sono strutture di RNA e materiale proteico, deputate alla sintesi delle proteine. Con l'uso di microscopi elettronici ad altissima risoluzione è possibile fotografare le molecole di mRNA attaccate ai ribosomi. Un insieme di ribosomi legato a una molecola di mRNA è detto poliribosoma o polisoma. Scorrendo lungo la molecola di mRNA, il ribosoma

"legge" la sequenza delle basi azotate sull'mRNA. Questo processo prende il nome di traduzione e coinvolge un terzo tipo di molecola di RNA, chiamata RNA transfer (tRNA), che da una parte porta una tripletta di nucleotidi e dall'altra un amminoacido specifico, corrispondente alla tripletta. La tripletta di ciascun tRNA aderisce alla molecola di mRNA quando vi trova una tripletta complementare. Ad esempio, la sequenza uracile-citosina-uracile (UCU) sul filamento dell'mRNA viene occupata dal tRNA contenente la tripletta adenina-guanina-adenina (AGA). In contrapposizione alla tripletta dell'mRNA, che si chiama codone, quella del tRNA prende il nome di anticodone. Gli amminoacidi portati dal tRNA nella sequenza specificata dall'mRNA vengono, quindi, legati l'uno all'altro sui ribosomi, a formare una nuova catena polipeptidica. Una volta terminata, la catena polipeptidica si libera dal ribosoma e assume la sua forma tridimensionale specifica,

determinatadalla sequenza degli amminoacidi. La forma di un polipeptide e le sue proprietà chimico-fisiche, entrambe determinate dallasequenza amminoacidica, sono responsabili dell'eventuale unione di questa molecola ad altre catene polipeptidiche, nonché della funzione della proteina nell'organismo.