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 Ruolo del DNA nella Sintesi Proteica
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: Dal DNA all'RNA Messaggero
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. Sul DNA ci sono particolari sequenze nucleotidiche dette promotori che segnalano da dove bisogna partire per sintetizzare RNA. 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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Traduzione: Dall'RNA alle Proteine
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. Esiste una molecola di tRNA per ciascun amminoacido. Sul tRNA vi è una terza regione che deve fungere da riconoscimento per l’enzima amminoacidil-tRNA-sintetasi. Una porzione del tRNA (anticodone) si appaia al codone corrispondente e permette che sia il corretto amminoacido a legarsi alla catena di amminoacidi nascente. In altre parole la successione delle basi azotate del DNA determina la sequenza amminoacidica di una proteina. La cosa fu presto chiara già a partire dalla seconda metà del secolo scorso.
Fasi della Traduzione
- Inizio: L’mRNA si attacca - con una delle sue estremità - alla zona più piccola del ribosoma, ponendo in evidenza il primo codone del filamento. A questo codone si lega la prima molecola di t-RNA, in corrispondenza del suo anticodone. A questo punto la sub-unità più piccola del ribosoma, il t-RNA d’inizio e l’mRNA vengono detti complesso di inizio. Avvenuto questo, la sub-unità più grossa del ribosoma si attacca a quella più piccola. Il tRNA d’inizio si attacca a sua volta alla parte più grossa del ribosoma, in una zona particolare, detta P (da “peptide”).
- A questo punto, il secondo codone dell’mRNA si colloca di fronte ad un’altra zona del ribosoma più grosso, detta A (amminoacile). Un altro tRNA si lega al secondo codone di mRNA (ad esso complementare), occupando la zona A. Si forma il secondo amminoacido, che si lega al primo. Il primo tRNA viene allora liberato. Il ribosoma sposta l’mRNA ed il secondo tRNA, a cui sono attaccati primo e secondo amminoacido, passa dalle posizione A alla P.
Differenze tra DNA e RNA
DNA e RNA differiscono tra di loro sotto alcuni aspetti. Per esempio, il DNA presenta due catene di nucleotidi antiparallele e ha, come zucchero a 5 atomi di carbonio, il desossiribosio. Questo zucchero a 5 atomi di carbonio deve il proprio nome alla mancanza, sul carbonio 2, di atomi di ossigeno. A distinguere le 4 diverse tipologie di desossiribonucleotidi è unicamente la base azotata, legata alla formazione pentoso-gruppo fosfato (che diversamente dalla base azotata non varia mai). Per ovvie ragioni, quindi, le basi azotate del DNA sono 4, nello specifico: l'adenina (A), la guanina (G), la citosina (C) e la timina (T). L'appaiamento tra le basi azotate dei due filamenti è altamente specifico. Questa importante scoperta indusse biologi molecolari e genetisti a coniare i termini di “complementarietà tra basi azotate” e “appaiamenti complementari tra basi azotate”, per indicare l'univocità di legame dell'adenina con la timina e della citosina con la guanina.
Il pentoso che costituisce i nucleotidi dell'acido ribonucleico è il ribosio. L'acido nucleico RNA condivide con il DNA soltanto 3 basi azotate su 4. Al posto della timina, infatti, presenta la base azotata uracile. Entrambi sono acidi nucleici. Si tratta di un biopolimero costituito da due filamenti di nucleotidi. I due filamenti sono orientati in direzioni opposte.
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La prima differenza è quindi nella struttura. La seconda differenza è nello zucchero. Quello del DNA è il desossiribosio. Mentre quello dell’RNA è il ribosio. Cosa cambia? Nel desossiribosio è presente un ossigeno in meno. La terza differenza riguarda le basi azotate. Quanti basi azotate ha l’RNA? Il DNA ha sempre 4 basi azotate, ma una è diversa. Contiene adenina, guanina, citosina e timina. Non cambia molto. Perché la timina si appaia con l’adenina nel DNA, mentre l’uracile si appaia con l’adenina nell’RNA.
Nucleotidi Artificiali
Tra gli acidi nucleici artificiali meritano una citazione particolare: il TNA, il PNA, l'LNA e il GNA.
Il Codice Genetico: Un Linguaggio Universale e Degenerato
Il codice genetico è il motore che guida la sintesi delle proteine, guidando il processo a partire da come viene organizzata l'informazione nel DNA, passando dalla copia temporanea di mRNA. Due aspetti fondamentali del codice genetico sono la sua universalità e la sua degenerazione. È definito universale perché è presente e viene usato in tutti gli organismi viventi con piccole eccezioni. La degenerazione, invece, deriva dal fatto che i 64 codoni possibili (generati dalle quattro basi azotate in triplette) codificano per soli 20 amminoacidi; tre di questi codoni agiscono come segnali di terminazione (UAG, UAA, UGA), mentre i restanti 61 specificano gli amminoacidi. Questa ridondanza implica che più codoni possono codificare per lo stesso amminoacido, un aspetto cruciale del codice genetico.
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