Le informazioni contenute nel DNA vengono utilizzate dalla cellula per sopravvivere ed esercitare le proprie funzioni attraverso la sintesi delle proteine, macromolecole che svolgono molti ruoli biologici (strutturale, catalitico, regolatorio…). Il passaggio dal gene, l’unità funzionale del DNA, alla proteina avviene in due fasi: la trascrizione del DNA genera l’RNA, la traduzione dell’RNA porta alla sintesi della proteina.
Il DNA: Manuale di Istruzioni della Cellula
Possiamo immaginare il DNA come il manuale di istruzioni della cellula. Questo manuale è diviso in capitoli, i geni. È stato stimato che il genoma umano (l’insieme dei geni presenti nel DNA delle cellule umane) contenga circa 20.000 sequenze che forniscono alla cellula le istruzioni per sintetizzare proteine (in gergo si dice che “codificano una proteina”). La porzione di DNA non codificante è enorme e il suo ruolo non è ancora ben compreso. Si ipotizza che buona parte di questo abbia funzioni regolatorie ed è noto che i telomeri, porzioni di DNA non codificante poste alla fine dei cromosomi, servono a proteggere il DNA.
Trascrizione e Traduzione: Dal DNA alla Proteina
Non tutte le proteine vengono sintetizzate in ogni cellula e/o in ogni momento. Il primo passaggio nella sintesi di una proteina consiste nella trascrizione del DNA, che possiamo considerare come un “ordine di produzione”. In questo processo, la sequenza del gene viene copiata mediante la sintesi di una molecola di acido ribonucleico (RNA). Come il DNA, l’RNA è costituito da nucleoidi contenenti un gruppo fosfato, uno zucchero (il ribosio) e una base azotata (adenina, citosina, guanina e uracile [U], questo ultimo in sostituzione della timina presente nel DNA).
Similmente a quanto avviene nella duplicazione, un filamento di DNA funge da stampo per la sintesi del nuovo acido nucleico: il filamento di RNA è quindi complementare al filamento di DNA. L’enzima chiave della trascrizione è l’RNA polimerasi. Questo enzima, assieme a proteine accessorie, si lega al DNA in corrispondenza di una zona a monte del gene che deve essere trascritto, chiamata promotore. Sequenze chiamate enhancer controllano l’attivazione della trascrizione. Man mano che la doppia elica di DNA si svolge, l’RNA polimerasi aggiunge nucleotidi al filamento di RNA; la sintesi avviene in direzione 5’-3’.
Nelle cellule umane esistono tre tipi di RNA polimerasi: l’RNA polimerasi II sintetizza l’RNA messaggero (mRNA) che codifica la sequenza della proteina, mentre l’RNA polimerasi I e III sintetizzano l’RNA ribosomiale (rRNA) e l’RNA transfer (tRNA) coinvolti nel processo di traduzione. Una sequenza di stop segnala alla polimerasi quando interrompere la sintesi dell’RNA. L’RNA messaggero subisce poi un processo di maturazione, in cui vengono eliminate alcune sequenze intercalanti (introni) e mantenute solo le sequenze codificanti (esoni); l’RNA maturo è perciò più corto di quello appena sintetizzato (pre-mRNA). Grazie al processo di splicing, da un singolo trascritto possono essere generati più mRNA maturi che codificano forme alternative di una stessa proteina.
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Quando la cellula è in possesso dell’ordine di produzione (mRNA), può inviarlo alle fabbriche delle proteine, i ribosomi. È in questi organelli, costituiti da proteine e rRNA e localizzati nel citoplasma, che avviene l’assemblaggio della proteina. Il processo di traduzione dell’RNA si basa sull’esistenza di un codice genetico che mette in relazione la sequenza del DNA con la sequenza degli amminoacidi, le unità base delle proteine.
Esistono 20 tipi di amminoacidi (leucina, glicina, metionina…). Una sequenza di tre nucleotidi è detta codone e codifica l’informazione per un singolo amminoacido. Il codice è ridondante: più codoni possono codificare per lo stesso amminoacido. Un esempio per chiarire: sia il codone AAA che il codone AAG codificano per la lisina, ma sia il codone AAA sia il codone AAG codificano solo per la lisina. Esistono 3 codoni di stop, che segnalano la fine della sequenza codificante. Gli amminoacidi arrivano nel ribosoma trasportati dai tRNA. Una porzione del tRNA (anticodone) si appaia al codone corrispondente e permette che sia il corretto amminoacido a legarsi alla catena di amminoacidi nascente. Mutazioni nella sequenza nucleotidica portano a mutazioni nella sequenza amminoacidica della proteina.
Adenina: Una Base Azotata Fondamentale
L’adenina è un composto chimico appartenente al gruppo delle basi azotate puriniche. Si trova libera nei liquidi biologici ed entra nella costituzione degli acidi nucleici (DNA, RNA): tramite due legami a idrogeno, nella doppia elica DNA si lega alla timina (T) e in quella dell’RNA si lega all’uracile (U). Legata al ribosio forma l’adenosina la quale per addizione di tre gruppi fosfato forma l’adenosin-trifosfato (ATP), composto base per il trasferimento di energia chimica tra le reazioni che compongono il metabolismo della cellula. Entra anche nella composizione delle molecole di un gran numero di coenzimi, come NAD, FAD. L’adenina è una delle sostanze che possono dare origine all’acido urico nell’organismo. È solubile in acqua e forma diversi sali caratteristici (picrato, cloroaurato, cloroplatinato), alcuni dei quali usati per la sua determinazione quantitativa; il solfato di adenina, (C5H5N5)2H2SO4, si usa per stimolare la produzione di leucociti nelle agranulocitosi.
Nucleotidi e Appaiamento delle Basi Azotate
Frutto dell'unione di una base azotata, un pentoso (ossia uno zucchero a 5 atomi di carbonio) e un gruppo fosfato, i nucleotidi sono le unità molecolare che compongono gli acidi nucleici DNA e RNA. Diversamente da quelle dell'RNA, le basi azotate del DNA formano degli appaiamenti o coppie di basi. L'adenina, la guanina e la citosina sono comuni a entrambi gli acidi nucleici, cioè fanno parte sia dei nucleotidi del DNA sia dei nucleotidi dell'RNA. Chimici e biologi hanno ritenuto opportuno abbreviare i nomi delle basi azotate con una sola lettera dell'alfabeto.
Tra i derivati della purina, ci sono anche composti organici che non sono basi azotate del DNA e dell'RNA. Un composto eterociclico è un composto organico ad anello (o ciclico) che, nel suddetto anello, presenta uno o più atomi diversi dal carbonio. Un composto aromatico è un composto organico ad anello avente caratteristiche strutturali e funzionali simili a quelle del benzene. Di contro, la struttura chimica delle basi azotate derivate dalla purina consiste, principalmente, in un doppio anello a 9 atomi totali, 5 dei quali sono carboni e 4 dei quali sono azoti. Com'è noto, l'anello pirimidinico contiene 6 atomi; mentre l'anello imidazolico ne contiene 5. Con la fusione, i due anelli mettono in comune due atomi di carbonio ciascuno e ciò spiega per quale motivo la struttura finale contiene, specificatamente, 9 atomi.
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Per semplificare lo studio e la descrizione delle molecole organiche, i chimici organici hanno pensato di assegnare un numero identificativo ai carboni e a tutti gli altri atomi delle strutture portanti. La numerazione parte sempre dall'1, si basa su criteri di assegnazione ben specifici (che, in questa sede, è meglio tralasciare) e serve a stabilire la posizione di ogni atomo, all'interno della molecola. La base azotata di un nucleotide si unisce sempre al carbonio in posizione 1 del pentoso corrispondente, attraverso un legame covalente N-glicosidico. Nella struttura chimica dei nucleotidi, il pentoso rappresenta l'elemento centrale, a cui si legano la base azotata e il gruppo fosfato. Quindi, è l'aggiunta del gruppo fosfato che cambia i nucleosidi in nucleotidi.
Struttura e Funzione del DNA
Il DNA, o acido desossiribonucleico, è una grande molecola biologica, formata da due lunghissimi filamenti di nucleotidi (o filamenti polinucleotidici). I nucleotidi che li costituiscono hanno una disposizione tale, per cui le basi azotate sono orientate verso l'asse centrale di ciascuna spirale, mentre i pentosi e i gruppi fosfato formano l'impalcatura esterna di quest'ultime. La singolare disposizione dei nucleotidi fa sì che ogni base azotata di uno dei due filamenti polinucleotidici si unisca, attraverso dei legami idrogeno, a una base azotata presente sull'altro filamento. Studiando la struttura del DNA, i ricercatori si accorsero che l'appaiamento tra basi azotate è altamente specifico.
| Base Azotata | Appaiamento nel DNA | Appaiamento nell'RNA |
|---|---|---|
| Adenina (A) | Timina (T) | Uracile (U) |
| Citosina (C) | Guanina (G) | Guanina (G) |
Dalla sequenza di basi azotate unite ai nucleotidi del DNA dipende l'espressione dei geni. I geni sono segmenti più o meno lunghi di DNA (quindi segmenti di nucleotidi), che contengono le informazioni indispensabili alla sintesi delle proteine. Il DNA è la molecola in cui sono contenute tutte le istruzioni necessarie a una cellula per sopravvivere e svolgere le proprie funzioni. Il nome completo del DNA è acido desossiribonucleico. È costituito da tante unità base che si ripetono, i nucleotidi.
Ogni nucleotide è un composto chimico organico costituito da una base azotata (purina o pirimidina), da uno zucchero (ribosio o desossiribosio) e da uno o più residui di acido fosforico; DNA ed RNA sono formati da un insieme di nucleotidi. Nel DNA si possono trovare quattro tipi di basi azotate: l’adenina (A), la citosina (C), la guanina (G) e la timina (T). I nucleotidi si legano tra loro a formare un filamento di DNA, in cui si riconosce uno “scheletro” di desossiribosio e fosfato dal quale sporgono le basi azotate. Ciò che rende unico il DNA delle cellule di un organismo è la sequenza dei nucleotidi: i quattro nucleotidi si alternano o si ripetono in ordine non casuale. La sequenza del DNA viene schematizzata usando le iniziali delle basi azotate contenute nei nucleotidi (es.
Escludendo il DNA di certi virus, il DNA è sempre formato da due filamenti appaiati. Possiamo immaginarlo come una scala a pioli, dove le barre laterali sono costituite dallo scheletro del DNA e ogni piolo è costituito da due basi azotate, una per ciascun filamento, legate tra di loro. Per via della loro struttura chimica, le basi azotate si appaiano sempre nello stesso modo: l’adenina con la timina e la citosina con la guanina.
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La Scoperta della Struttura del DNA
La struttura del DNA è stata chiarita solo nel 1953, molto tempo dopo la scoperta dell’esistenza del DNA. Nel 1869, Johann Friedrich Miescher, un biochimico svizzero, aveva purificato una sostanza sconosciuta contenuta nel nucleo delle cellule e l’aveva chiamata “nucleina”. Miescher era certo che non si trattasse di una proteina, ma non sapeva altro sulla natura di questa nuova molecola. Nei decenni successivi, le ricerche di diversi scienziati permisero di accumulare informazioni riguardo alla nucleina, chiamata poi “acido nucleico” e infine DNA.
Negli anni 20 del secolo scorso, Phoebus Levene, un biochimico di origine russa emigrato negli Stati Uniti, comprese che il DNA era fatto di nucleotidi e che ogni nucleotide era fatto da tre componenti, uno zucchero, un gruppo fosfato e una base contenente azoto. Circa 25 anni dopo, Erwin Chargaff, un biochimico austriaco, osservò che la composizione dei nucleotidi variava da una specie all’altra, ma che, in un dato DNA gli “indizi” raccolti erano sufficienti per immaginare la struttura del DNA, ma ciò che trasformò l’immaginazione in conoscenza fu una fotografia, la “fotografia 51”.
Dopo che alcuni studi avevano rivelato che il DNA era responsabile dell’ereditarietà dei caratteri, molti ricercatori avevano deciso di dedicarsi allo studio di questa molecola. Per svelare la struttura del DNA, un altro biologo molecolare, Maurice Wilkins, e una chimica, Rosalind Franklin, stavano invece utilizzando la tecnica della cristallografia a raggi X. La ricercatrice ottenne alcune immagini molto nitide, una delle quali, la fotografia 51, mostrava delle macchie disposte a forma di croce. Quando Wilkins, senza il permesso della Franklin, mostrò questa immagine a Watson e Crick, che lavoravano nella stessa università, i due realizzarono che l’unica struttura compatibile con quello già sapevano del DNA.
Certi di avere scoperto “il segreto della vita”, nell’aprile del 1953, Watson e Crick pubblicarono sulla prestigiosa rivista scientifica Nature il modello tridimensionale del DNA. Con la formulazione del cosiddetto “modello della doppia elica”, Watson e Crick ebbero un'intuizione incredibile, che rappresentò una svolta epocale nel campo della biologia molecolare e della genetica. Nel 1962, Watson, Crick e Wilkins ricevettero il premio Nobel per la medicina per le loro scoperte riguardo alla struttura molecolare degli acidi nucleici.