Genetica per infermieristica

Genetica

Genetica: Scienza che studia le variazioni ereditarie tra individui e come questi caratteri si trasmettono. Un suo ramo è la genetica medica, che cerca di spiegare come un dato cambiamento genetico dia luogo a un particolare fenotipo; al suo interno si trova la citogenetica, che studia i cromosomi, la loro struttura e la loro ereditarietà. Il ruolo principale della genetica in medicina è quello di prevenire o evitare la malattia.

Struttura acidi nucleici

Il DNA e l’RNA sono formati da polinucleotidi costituiti da monomeri, detti nucleotidi. I nucleotidi sono formati da tre elementi:

• Uno zucchero pentoso (il 2’D – deossiribosio, nel DNA, o il D-ribosio, nell’RNA)
• Una base azotata
• Un gruppo fosfato

La differenza fra 2’ – D deossiribosio e ribosio è data dal fatto che il primo di questi in posizione 2’ (2’ indica la posizione dell’atomo di carbonio nello zucchero, mentre il 2 indica la posizione sulla base); per questo motivo il deossiribosio si lega a un atomo di idrogeno, mentre al ribosio si lega un gruppo ossidrile. La base azotata si lega all’atomo C1’ tramite un legame carbonio-azoto glicosidico, mentre l’acido fosforico si lega al C5’ con un legame estere. Lo zucchero unito alla base azotata forma un nucleoside, a cui si aggiunge l’acido fosforico, diventando un nucleotide.

Il nucleotide ha una parte variabile, che è quella della base azotata, definita come un anello eterociclico, costituito da anelli aromatici contenenti carbonio e azoto; le basi si distinguono in puriniche e in pirimidiniche, in relazione alle loro dimensioni. Le basi puriniche sono formate da anelli condensati (max 9 atomi), mentre quelle pirimidiniche presentano un singolo anello esatomico.

Le purine, presenti sia nel DNA che nell’RNA, sono: adenina (A) e guanina (G); le pirimidiniche sono timina (T) e citosina (C), mentre nell’RNA le basi pirimidiniche sono la citosina (C) e l’uracile (U), che sostituisce la timina (T). I nucleotidi sono anche i componenti dell’ATP, il quale fornisce energia alla cellula. I nucleotidi di una singola elica sono uniti da un ponte fosfodiesterico, cioè da un legame covalente instaurato tra il gruppo ossidrile del C3’ e un gruppo fosfato legato al C5’ del secondo nucleotide. Quindi grazie alla specificità della DNA polimerasi e della RNA polimerasi, la sintesi si ha in direzione 5’P => 3’OH.

Nella singola elica si identifica uno scheletro, costituito da un’alternanza fra molecole di zucchero e di acido fosforico, la parte invariante, da cui sporgono le basi azotate, che sono la parte variabile. Nelle basi azotate è contenuta l’informazione genetica, ovvero tutte quelle informazioni necessarie per costruire proteine utili per la vita della cellula e dell’organismo. L’aggiunta di nucleotidi alla nuova elica richiede energia fornita dai nucleotidi stessi, infatti nella reazione di polimerizzazione i nucleotidi trifosfato forniscono energia per formare un ponte fosfodiesterico, in seguito alla rottura del legame ad alta energia (esistente fra i gruppi fosfato).

Il DNA è formato da due catene polinucleotidiche, dette eliche, che sono fra loro complementari e antiparallele; queste catene si avvolgono intorno ad un asse virtuale in senso destrorso. Il diametro della doppia elica è di due nanometri; la doppia elica presenta due montanti, formati da un susseguirsi di molecole fosfato, cariche negativamente, e di zucchero, i montanti sono uniti dalle basi azotate, che sono formate da elementi aromatici con scarsa affinità per l’acqua. Le singole eliche sono complementari perché per rispettare il diametro di due nanometri si possono appaiare solo basi puriniche e pirimidiniche, in questo modo:

• Adenina – Timina, fra cui si formano due legami a idrogeno (A = T)
• Guanina – Citosina, fra cui si formano tre legami a idrogeno (G ≡ C)

Non si possono accoppiare due basi puriniche perché si formerebbero due gobbe, mentre se si accoppiassero due basi pirimidiniche si formerebbero due avvallamenti, quindi si comprende che il numero di basi puriniche e pirimidiniche è identico. Le due eliche sono antiparallele, cioè corrono in direzioni opposte perché hanno stessa polarità, che viene individuata partendo dall’estremo 5’ verso l’estremo 3’, quindi le molecole, pur mantenendo la stessa polarità, ma correndo in direzioni opposte, permettono la formazione di legami a idrogeno fra le basi.

Nella doppia elica si trovano due solchi, uno maggiore e uno minore, che sono intesi come “serrature” che permettono l’entrata della soluzione acquosa nella doppia elica. Le molecole di DNA "canonico" è quella in senso destrorso, detta DNA-B, dove ogni giro contiene 10 coppie di basi il cui passo è di 3,4 nanometri, quindi la distanza fra basi impilate è di 0,34 nanometri. Una forma alternativa è il DNA-Z, che presenta senso sinistrorso e citosine metilate, questo DNA è coinvolto nella regolazione della trascrizione e sembrerebbe essere coinvolto anche nella rottura dei cromosomi. Il DNA si può trovare in forma Z anche in presenza di un alto contenuto di guanina e citosina. Il DNA viene compattato da proteine basiche, dette istoni, che sono organizzate in ottameri, che a loro volta formano il nucleosoma.

Replicazione del DNA

Il DNA si presenta con una struttura a doppio filamento, che deve essere separata durante la replicazione; la replicazione del DNA inizia quando in alcuni siti specifici, detti origini di replicazione, degli enzimi, le DNA elicasi, destabilizzano l’elica rompendo i legami ad idrogeno presenti, separando i due filamenti. I due filamenti si replicano contemporaneamente a livello della giunzione, che ha forma ad Y e viene detta forca di replicazione; la DNA elicasi si muove lungo la doppia elica aprendola come una cerniera lampo.

Dopo che i due filamenti si sono separati, le proteine che legano un singolo filamento (SSB) lo stabilizzano, così da evitare il riformarsi della doppia elica fino al termine della copiatura. Quando il DNA si separa per la replicazione, in un’altra regione del DNA si forma un superavvolgimento. Gli enzimi topoisomerasi operano dei siti di taglio nel DNA e lo saldano i filamenti in modo che non vi siano superavvolgimenti, che impedirebbero la replicazione. Le topoisomerasi possono svolgere il loro compito in modo differente: una topoisomerasi può produrre una temporanea rottura dello scheletro polinucleotidico di un filamento di DNA, che viene fatto passare tramite una regione avvolta e successivamente gli risaldano la rottura. L’altra topoisomerasi taglia i singoli filamenti di DNA, facendo passare l’elica fra le due estremità tagliate e risaldando successivamente la rottura.

L’enzima che catalizza il legame fra i vari nucleotidi è la DNA polimerasi, che è in grado di aggiungere nucleotidi al terminale 3’ della catena polinucleotidica in corso di sintesi. Per la reazione di polimerizzazione sono utilizzati nucleotidi con tre gruppi fosfato, e quando questi nucleotidi sono legati insieme si ha l’eliminazione di due di questi gruppi; tali reazioni sono esoergoniche e non richiedono ulteriore energia.

Il nuovo filamento di DNA cresce in direzione 5’ => 3’, visto che la nuova catena polinucleotidica si allunga tramite il legame in posizione 5’ dello zucchero del nucleotide aggiunto e il gruppo ossidrilico in posizione 3’ dello zucchero presente all’altra estremità. La sintesi del DNA si avvia, a livello del punto di replicazione, dopo che un piccolo tratto di RNA viene replicato, per funzionare da innesco (RNA primer). La replicazione avviene nel senso 5’ => 3’, quindi sul filamento opposto avviene in senso 3’=> 5’; la replicazione inizia a livello delle origini e avviene contemporaneamente per entrambi i filamenti alla forca di replicazione. Della replicazione ne sono responsabili due molecole di DNA polimerasi, la replicazione avviene in maniera continua sul filamento in cui si ha l’aggiunta di all’estremità 3’; questo filamento viene chiamato filamento guida o leading strand.

Sull’altro filamento, che si replica in maniera opposta alla forca di replicazione, si ha l’aggiunta di piccoli frammenti discontinui, detti frammenti di Okazaki. Quando un frammento di Okazaki viene sintetizzato e raggiunge quello precedente si ha la degradazione del primer, che viene sostituito con DNA. Il secondo filamento è chiamato filamento in ritardo o lagging strand. Dove i due filamenti si separano si crea una bolla di replicazione, dove la molecola viene replicata in entrambi le direzioni.

Le DNA polimerasi durante la replicazione effettuano la correzione delle bozze dei nucleotidi aggiunti rispetto al nucleotide stampo; nel caso di un errore di appaiamento fra basi la DNA polimerasi rimuove il nucleotide errato ed inserisce quello corretto. Nel caso rimangano errori non corretti dalle attività di riparazione della DNA polimerasi le cellule possiedono altri sistemi di riparazione; uno di questi è la riparazione degli errori di appaiamento, dove speciali enzimi riconoscono i nucleotidi appaiati in modo errato, rimuovendoli, mentre la DNA polimerasi inserisce i nucleotidi mancanti. Un altro metodo di riparazione è la riparazione per escissione nucleotidica, che consiste nella riparazione di DNA deformato da radiazioni ultraviolette o da sostanze chimiche; in questa riparazione sono coinvolti tre enzimi: una nucleasi, una DNA polimerasi e una DNA ligasi. La nucleasi scinde il DNA danneggiato, la DNA polimerasi aggiunge i nucleotidi corretti e la DNA ligasi salda le rotture nello zucchero fosfato.

RNA

L’acido ribonucleico è un polimero lineare di ribonucleotidi, dove il monomero dell’RNA è costituito da:

• Una molecola di ribosio
• Una base azotata (A,G,C,U)
• Una molecola di acido fosforico

La base azotata si lega al C1’ tramite un legame carbonio-azoto, mentre l’acido fosforico si lega con un legame estere; anche per l’RNA vale la polarità 5’ => 3’. Quindi la molecola di RNA è costituita da una singola elica, che può formare dei tratti a doppio filamento, grazie alla formazione di legami ad idrogeno fra le basi complementari (A = U e G ≡ C). L’RNA può essere di diversi tipi:

• RNA ribosomiale (rRNA): insieme alle proteine forma i ribosomi
• RNA messaggero (mRNA): è il filamento che porta l’informazione che deve essere tradotta alla proteina
• RNA di trasferimento (tRNA): è impiegato nella sintesi proteica e nel trasporto di amminoacidi sull’mRNA
• Piccoli RNA citoplasmatici (scRNA): si trovano sui componenti delle ribonucleoproteine
• Piccoli RNA nucleari (snoRNA): sono coinvolti nel meccanismo dello splicing
• MicroRNA (miRNA): sono piccolissime catene di RNA, coinvolte nella regolazione dell’espressione genica in piante e animali

Trascrizione e traduzione dell’RNA

L’RNA si differenzia dal DNA per quattro punti: lo zucchero pentoso è il ribosio, è costituito da un filamento singolo, contiene quattro basi azotate, di cui tre uguali a quelle del DNA e una diversa, l’uracile, che si lega all’adenina, e negli eucarioti viene sintetizzato nel nucleo, ma svolge i suoi compiti nel citoplasma. La sua funzione è quella di fare da intermediario fra le proteine e il DNA. Il processo di sintesi dell’RNA è simile a quello del DNA, poiché consiste nel copiare l’informazione contenuta in un acido nucleico (DNA) in un altro acido nucleico (RNA), tale processo è detto trascrizione.

Esistono tre tipi di RNA, che sono:

• RNA messaggero (mRNA): un singolo filamento che porta le informazioni per la sintesi di una proteina
• RNA di trasporto o RNA transfer (tRNA): è un singolo filamento avvolto su sé stesso, che trasporta gli amminoacidi ai ribosomi e traduce l’informazione contenuta nei nucleotidi in una sequenza di amminoacidi
• RNA ribosomiale (rRNA): è un elemento fondamentale dei ribosomi, che presenta funzioni catalitiche nel corso della sintesi proteica

Il processo di traduzione consiste nel trascrivere le informazioni dell’mRNA, così da specifica la sequenza amminoacidica del polipeptide, questo significa che la traduzione consiste nel passaggio dal linguaggio dei nucleotidi, presenti nell’mRNA, al linguaggio degli amminoacidi della proteina. La sequenza di traduzione avviene con una sequenza di tre basi, definite codone, ognuno di questi specifici per un amminoacido; quindi poiché un codone richiede tre nucleotidi il codice viene chiamato codice a triplette, e l’insieme di codoni costituisce il codice genetico.

Il tRNA è un adattatore molecolare, che connette gli amminoacidi e gli acidi nucleici, visto che si può legare ad un amminoacido specifico e può riconoscere il codone corrispondente di un determinato amminoacido. Ogni tRNA possiede una tripletta definita anticodone, che tramite legami ad idrogeno si associa al codone corrispondente sull’mRNA secondo il principio di complementarietà delle basi. Quindi la traduzione richiede che l’anticodone si leghi al codone tramite legami ad idrogeno e che l’amminoacido del tRNA sia unito nell’ordine specificato all’mRNA. A questo vi provvedono i ribosomi, che si attaccano all’estremità 5’ dell’mRNA, i quali scorrendo lungo il messaggero permettono al tRNA di legarsi in sequenza ai codoni di mRNA; così gli amminoacidi sono posizionati correttamente e tramite dei legami peptidici, formano un polipeptide.

Il codice genetico è ridondante poiché vi sono 64 codoni e 20 amminoacidi, quindi ogni amminoacido è specificato da più di un codone, ad eccezione di metionina e triptofano che sono codificati da una sola tripletta; gli altri amminoacidi sono codificati da un minimo di due a un massimo di sei amminoacidi. Il contrasto con la regola dell’appaiamento fu spiegato da Crick con l’ipotesi del vacillamento, quindi secondo Crick il terzo nucleotide dell’anticodone del tRNA, che forma legami ad idrogeno con più tipi di basi azotate poste nella terza posizione nella tripletta presente sull’mRNA. Quindi l’ipotesi del vacillamento rende conto della potenziale variabilità di appaiamento tra la terza base del codone e la base del corrispondente anticodone, inoltre fa sì che vi siano varie possibilità di appaiamento fra mRNA e tRNA.

Trascrizione

Nella trascrizione l’RNA è sintetizzata dall’RNA polimerasi, di cui ne esistono tre tipi:

• RNA polimerasi I: catalizza la sintesi di varie molecole di rRNA
• RNA polimerasi II: catalizza la produzione di mRNA, che codifica le proteine
• RNA polimerasi III: catalizza la sintesi di tRNA e di una delle molecole di rRNa

L’RNA polimerasi richiede il DNA come stampo, quindi analogamente al DNA avviene nella direzione 5’ => 3’, ed utilizzano substrati, gruppi fosfato e si legano covalentemente alle subunità nucleotidiche poste sull’estremità 3’ dell’RNA; queste son reazioni esoergoniche che non richiedono un ulteriore apporto energetico. Analogamente al DNA il cui filamento trascritto e il filamento di RNA complementare sono antiparalleli, per cui un filamento è trascritto in direzione 5’ => 3’ e lo stampo viene letto 3’ => 5’. La sequenza di DNA a cui si associa l’RNA polimerasi e le proteine associate, è detta promotore, che non viene trascritto, quindi l’RNA polimerasi inizia la trascrizione in una regione codificante per la proteina oltre il promotore.

Dopo che l’RNA polimerasi ha riconosciuto il promotore corretto inizia a srotolare la doppia elica e dà il via alla trascrizione, che contrariamente al DNA non richiede un primer. Il primo nucleotide dell’estremità 5’ dell’mRNA contiene tre gruppi fosfato, di cui due sono rimossi durante la fase di allungamento tramite una reazione esoergonica da ogni nucleotide, che verrà poi incorporato nell’estremità 3’, quindi il fosfato rimasto entra a far parte dello scheletro zucchero fosfato, mentre l’ultimo nucleotide mostra un ossidrile 3’ libero. L’allungamento dell’RNA prosegue finché non viene incontrato un segnale di terminazione, che corrisponde ad una specifica sequenza di basi sul DNA stampo, che segna il distacco dell’enzima sia dal DNA stampo che dall’RNA appena sintetizzato.

L’mRNA possiede più sequenze di quelle che codificano una specifica proteina, inoltre sull’estremità 5’ presenta una sequenza leader non codificante, seguita dal codone di inizio, che identifica la sequenza codificante, contenente messaggi effettivi per il polipeptide. Al termine della sequenza codificante si trova un codone di stop o di terminazione, che sono seguiti da sequenze non codificanti, dette sequenze trailing al 3’, variabili in lunghezza. L’mRNA batterico è subito utilizzato, mentre quello eucariotico trascritto è detto mRNA precursore o pre-mRNA, poiché deve essere modificato nel nucleo; queste modifiche di maturazione e modificazione post-traduzionali iniziano quando l’mRNA è lungo circa 20/30 nucleotidi; inizialmente gli viene aggiunto un cappuccio all’estremità 5’, costituito dal nucleotide metilguanosina (GMP), legato al trascritto di mRNA tramite tre gruppi fosfato, il cappuccio protegge l’mRNA dalla degradazione di alcuni enzimi, le esonucleasi.

Una seconda modifica è nota come poliadenilazione, questa si verifica sull’estremità 3’ dell’mRNA e si trova una sequenza di basi che serve all’aggiunta di una coda di adenine, nota come coda di poli-A. La poliadenilazione ha diverse funzioni:

• Aiuta ad esportare l’mRNA dal nucleo
• Protegge l’mRNA dalla degradazione nel citoplasma
• Favorisce un efficiente inizio di traduzione aiutando i ribosomi nel riconoscimento dell’mRNA

Nei geni eucariotici si trovano sequenze codificanti interrotte, che non codificano amminoacidi.