Flusso dell'informazione genetica

Flusso dell'informazione genetica

Il dogma centrale della biologia

Duplicazione porta alla formazione di nuove molecole di DNA e al trasferimento di materiale genetico.

Trascrizione: l'informazione contenuta nel DNA passa alle molecole di RNA.

Traduzione: processo finale in cui dall'RNA si arriva alla sintesi delle proteine.

DNA e RNA

DNA e RNA sono polimeri di nucleotidi che sono costituiti da basi puriniche e pirimidiniche legate a zuccheri fosforilati.

Replicazione del DNA

Il DNA è la molecola depositaria dell'informazione genetica ereditata di generazione in generazione. Ci sono 3 modelli principali di replicazione del DNA:

• Semiconservativo
• Conservativo
• Dispersivo

Semiconservativo

Il primo modello ad essere stato ipotizzato fu quello semiconservativo. Questa ipotesi prevedeva la rottura dei legami idrogeno della molecola che si separa in due filamenti singoli. Poiché ogni filamento determina la sequenza del filamento complementare, ogni singolo filamento della molecola che si apre può agire da stampo per dirigere la sintesi di un nuovo filamento.

Esperimento di Meselson e Stahl

Accanto al modello di replicazione semiconservativa, sono in via ipotetica possibili altri 2 meccanismi – conservativo e dispersivo.

Conservativo

Nel modello conservativo, entrambi i filamenti stampo ricostituirebbero la doppia elica "vecchia" e, di conseguenza, i due filamenti sintetizzati costituirebbero una doppia elica "nuova".

Dispersivo

Nel modello dispersivo, il DNA delle due molecole che vengono trasmesse alle cellule figlie sarebbe composto sia da tratti "vecchi" che da tratti "nuovi".

Meselson e Stahl fecero crescere dei batteri in un terreno di coltura contenente cloruro di ammonio il cui azoto era l'isotopo pesante non radioattivo (N¹⁵). Il DNA estratto da tali batteri cresciuti in un siffatto terreno di coltura per molte generazioni era mescolato, in una provetta di centrifuga, con una soluzione di cloruro di cesio (CsCl).

In seguito a centrifugazione, il cloruro di cesio forma un gradiente di concentrazione nella provetta ed il DNA andrà a galleggiare nel punto della provetta ove la densità della soluzione e quella del DNA si equivalgono. Nel caso del DNA estratto dai batteri cresciuti nel terreno con l'azoto pesante, esso si depositava verso il fondo della provetta. Il DNA contenente l'isotopo leggero dell'azoto (N¹⁴) si depositava più in alto nella provetta, dove il CsCl era meno concentrato e quindi dove la soluzione era meno densa.

L'esperimento prevedeva poi di coltivare batteri, tutti contenenti DNA con azoto pesante, in un terreno contenente l'azoto leggero e di prelevare i batteri a intervalli di tempo regolari (ogni circa 30 min., cioè il tempo corrispondente alla divisione di E. coli e quindi alla replicazione del DNA in essa contenuto).

Il risultato dell'analisi della densità del DNA, estratto dai batteri dopo la prima generazione, vedeva nella provetta un unico tipo di molecole con densità intermedia fra DNA pesante e DNA leggero. Tale risultato escludeva immediatamente il modello della replicazione conservativa perché per verificare questa ipotesi ci sarebbe dovuto aspettare sia molecole di DNA pesanti – le molecole vecchie – che molecole di DNA leggero – le molecole nuove – in eguale concentrazione.

Non poteva, per contro, essere escluso il modello dispersivo perché la densità intermedia potrebbe indicare che le molecole del DNA siano costituite da tratti nuovi e tratti vecchi che si alternano nel loro interno. L'analisi delle generazioni successive alla prima era necessaria per chiarire la modalità di replicazione del DNA.

Il DNA delle generazioni successive alla prima si depositava in due punti della provetta: uno corrispondente alla densità intermedia del DNA ottenuto dopo la prima generazione e l'altro corrispondente alla densità del DNA leggero. Il DNA leggero tendeva ad aumentare in concentrazione a discapito del DNA intermedio. Ciò indicava che, via via che i batteri si dividevano ed il DNA si replicava, aumentavano sempre più le molecole di DNA leggero rispetto a quelle costituite da un'elica pesante ed un'elica leggera che, invece, costituivano la totalità delle molecole di DNA ottenute dopo la prima generazione.

Ciò era compatibile solo col modello semiconservativo. Il modello dispersivo infatti avrebbe previsto, nelle generazioni successive alla prima, la comparsa di una singola banda con una continua diluizione dei tratti di DNA pesante all'interno di molecole sempre più leggere. Il DNA quindi si sarebbe dovuto depositare sempre più vicino al punto della provetta corrispondente alla densità del DNA leggero mano a mano che si analizzavano le generazioni successive alla prima.

Caratteristiche generali della duplicazione del DNA

Affinché il DNA si duplichi, è necessario che la doppia elica si apra onde consentire alle due singole eliche disgiunte di costituire lo stampo per le eliche di nuova sintesi. Queste verranno polimerizzate da enzimi (le DNA polimerasi) a partire dai 4 desossiribonucleosidi trifosfato che, attraverso una prima idrolisi il cui prodotto è il pirofosfato ed i desossiribonucleotidi monofosfato, libereranno un primo pacchetto di energia.

Un secondo pacchetto di energia verrà liberato dall'idrolisi del pirofosfato. L'energia totale liberata consentirà non solo il legame fosfodiestere fra i vari nucleosidi, ma verrà anche utilizzata per altri processi energetici connessi all'attività dell'apparato di replicazione.

L'apertura della doppia elica all'interno della bolla di replicazione produce una bolla di replicazione nella quale opera l'intero apparato per la sintesi del DNA. Si costituisce, dunque, la forcella di replicazione nel punto in cui il DNA continuamente si srotola, e ciò accade al confine fra i segmenti che si stanno reduplicando e la doppia elica che si sta aprendo.

In una bolla di replicazione avremo due forcelle di replicazione che procedono in entrambe le direzioni a partire dall'origine. Ciò definisce il progredire delle forcelle come bidirezionale, ma in ogni forcella la direzione di sintesi dei filamenti è sempre 5'P -> 3'OH.

A valle della forcella di replicazione il DNA si superspiralizza come conseguenza della torsione necessaria per separare i due filamenti. Ciò potrebbe provocare un groviglio tale da non permettere l'avanzamento delle forcelle di replicazione. È necessario, quindi, allentare la tensione dovuta alla torsione in modo da permettere al DNA di tornare in forma "rilassata"; tale compito è svolto da enzimi detti topoisomerasi. Le topoisomerasi trasformano un topoisomero in un altro topoisomero.

Potendo avanzare, le forcelle di replicazione esporranno continuamente nuovi tratti che fungeranno da stampo. Dal momento che la polimerizzazione avviene dal terminale 5'-P al terminale 3'-OH, avremo che un'elica di nuova sintesi viaggerà verso la forcella di replicazione che si apre continuamente, mentre l'altra elica terrà la direzione contraria.

Mentre il filamento che viaggia verso la forcella di replicazione viene sintetizzato in modo continuo (leading chain o filamento anticipato), il filamento che viene dalla forcella di replicazione verrà sintetizzato via via che viene esposto lo stampo e quindi per frammenti. Sarà necessario aspettare che la leading chain sia cresciuta per un determinato pezzo perché si abbia la sintesi dell'altro filamento che, per tal motivo, viene detto lagging chain o filamento in ritardo.

Enzimi coinvolti nella duplicazione del DNA

• Elicasi