Gli acidi nucleici, insieme a lipidi, carboidrati, amminoacidi e proteine, sono una delle categorie di composti organici fondamentali per la vita, denominati biomolecole. Gli acidi nucleici sono i contenitori e i controllori dell’informazione genetica e questa definisce ciò che siamo. Studiare la struttura delle molecole e i processi di replicazione, trascrizione e traduzione è fondamentale per individuare e comprendere eventuali disfunzioni.
Ogni cellula eucariote, nel DNA presente nel nucleo, custodisce le istruzioni necessarie per sintetizzare le proteine, le "tuttofare" del nostro organismo. La sequenza di nucleotidi (ATCG) del DNA contiene l'informazione genetica che viene temporaneamente copiata nell'RNA (AUCG) - trascrizione - e, successivamente, grazie al codice genetico viene poi tradotta in una sequenza di amminoacidi - traduzione -, le unità di base che compongono le proteine.
La Struttura del DNA
Il DNA è la macromolecola biologica che contiene tutte le informazioni genetiche relative a un essere vivente. Tra un individuo e l’altro o due animali della stessa specie risulta sempre diverso. I nucleotidi che lo compongono sono unità formate da una molecola di deossiribosio, un gruppo fosfato e una delle 4 basi azotate (adenina, timina, citosina e guanina).
La struttura del più complesso degli acidi nucleici è detta a doppia elica, in quanto i due filamenti che lo compongono si uniscono in questa spirale. A mantenere unita la struttura sono i legami idrogeno fra le basi azotate. Per la precisione la citosina si unisce alla guanina e la timina all’adenina. Tra le prima due ci sono due legami idrogeno, tra le altre invece si arriva a tre.
Tra le basi azotate la guanina e l’adenina hanno una struttura a doppio anello e sono chiamate purine. La timina e la citosina invece hanno un anello singolo e insieme sono le pirimidine. Una purina si associa sempre e solo alla pirimidina corrispondente in quanto il legame che si viene a formare è altamente specifico. Per distinguere fra di loro i due filamenti si dice che uno va in direzione 5′-3′, mentre il secondo segue quella contraria (3′-5′). Infatti la “coda” di un filamento si lega alla “testa” dell’altro.
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La doppia elica del DNA compie un giro ogni dieci coppie di basi e la sua lunghezza è pari a 3,3 nm. La distanza fra i due filamenti invece è pari a 10,8 Å (angstrom).
Funzioni del DNA
Il nucleo delle cellule eucariote è il compartimento cellulare dove si trova il patrimonio genetico. Qui il DNA si organizza in cromosomi, compattandosi e associandosi agli istoni, ovvero le proteine che mantengono stabili queste strutture. L’unione di acidi nucleici e istoni si chiama cromatina, ed è organizzata in questo modo per proteggere il DNA e controllarne la replicazione.
I cromosomi contengono i geni di un individuo o di un organismo e si tratta di sequenze di basi azotate che codificano per le proteine. Per sintetizzarle serve che avvenga la traduzione del DNA in RNA, che poi trasporta l’informazione genetica ai ribosomi. Grazie alla sua duplicazione durante la mitosi inoltre si ottengono cellule uguali fra di loro a livello di geni.
Negli acidi nucleici è possibile che le sequenze di geni siano soggette a mutazioni che possono arrivare a produrre una proteina difettosa o inutile. Evitare che si presentino questi “errori” è fondamentale perché le cellule esercitino le loro funzioni, anche se alcuni possono essere silenti, ovvero non portare alcuna variazione.Altre possono anche rivelarsi vantaggiose e infatti il DNA è stato il motore dell’evoluzione grazie alle variazioni che si sono accumulate nel tempo. Il differenziamento fra le specie deriva dalla diversità a livello di codice genetico che porta gli organismi a produrre strutture corporee diverse.
La Struttura dell’RNA
Diversamente dal DNA, l’RNA si presenta a filamento singolo e quindi non forma un’elica. Dal punto di vista biologico rappresenta la molecola di mediazione fra il DNA e le proteine. Permette infatti di costruirle portando le informazioni genetiche ai ribosomi, nel citoplasma. Ogni nucleotide dell’RNA è costituito da una molecola di ribosio, un gruppo fosfato e una base azotata.
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A livello di basi azotate c’è una differenza fondamentale fra i due acidi nucleici. Mentre nel DNA l’adenina si associa alla timina, nell’RNA invece forma un legame con una base azotata chiamata uracile. Come la timina e la citosina anche questa base è una pirimidina e quindi è formata da un solo anello. Anche fra adenina e uracile si formano solo due legami idrogeno.
Grazie alla sua struttura a filamento singolo l’RNA è in grado di realizzare la catalisi chimica, e per questo esistono i ribozimi. Si tratta di molecole di RNA che possono funzionare come degli enzimi e quindi favorire delle reazioni chimiche. Alcuni possono compiere la reazione di catalisi su sé stessi per staccarsi da una molecola.
Tipi di RNA e le Loro Funzioni
Nel caso dell’RNA esistono più tipologie di acidi nucleici che portano questo nome e che si differenziano sia per struttura che per funzione. Vediamo i principali:
- mRNA o RNA messaggero: Il suo ruolo è quello di trascrivere l’informazione contenuta nel DNA e a sintetizzarlo è la RNA polimerasi. Viene poi fatto “maturare” attraverso i processi del capping, della poliadenilazione e dello splicing. Una volta giunto ai ribosomi viene tradotto in amminoacidi durante il processo della sintesi proteica.
- tRNA o RNA transfer/di trasporto: Si tratta di una molecola di RNA lunga appena 70-90 nucleotidi che assume una struttura secondaria simile a un trifoglio. I tre lobi vengono chiamati “braccia” del tRNA e il suo scopo è trasportare gli amminoacidi ai ribosomi per assemblare le proteine cellulari.
- rRNA o RNA ribosomale: Si tratta di quello presente in percentuale più abbondante fra gli acidi nucleici che rientrano nella categoria degli RNA. Compone i 2/3 della struttura degli organelli cellulari chiamati ribosomi dove avviene la sintesi proteica.
Il Codice Genetico: Un Linguaggio Universale
La traduzione dell'informazione genetica contenuta nel DNA avviene attraverso un codice genetico universale, valido per tutti gli organismi viventi. Esso specifica a quale sequenza di basi nell'RNA messaggero (mRNA) corrisponde ciascun aminoacido e consente di tradurre il messaggio genetico dal linguaggio a quattro lettere degli acidi nucleici, costituito dalle basi azotate adenina (A), guanina (G), timina (T) e citosina (C), al linguaggio a 20 lettere (aminoacidi) delle proteine nella sintesi proteica.
Già all'inizio degli anni Sessanta fu chiaro che dovevano essere necessari tre residui nucleotidici per codificare ciascun aminoacido. Infatti, prese singolarmente le quattro basi avrebbero potuto codificare solo quattro aminoacidi, mentre una sequenza di due basi in tutte le loro combinazioni possibili avrebbe potuto codificare 42=16 aminoacidi soltanto, cioè un numero ancora insufficiente.
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Il codice genetico consente che il materiale genetico contenuto nelle cellule venga tradotto nelle proteine necessarie al suo funzionamento. Il primo passo in quella che è la traduzione del materiale genetico in proteine è rappresentato dalla trascrizione del DNA. Grazie all'intervento di uno specifico enzima chiamato RNA polimerasi, il doppio filamento di DNA viene separato e uno dei filamenti risultanti viene trascritto al fine di produrne uno stampo complementare (non una copia esatta) in forma di RNA.
Le quattro basi azotate costituiscono le lettere con cui il codice genetico è scritto. Ciascun codone è in grado di codificare per - o, in termini più semplici, rappresenta - un singolo amminoacido. Gli amminoacidi costituiscono, invece, le lettere con cui vengono scritte le proteine: dalla combinazione di diversi amminoacidi si generano differenti proteine.
61 codoni codificano per amminoacidi: fra i 20 amminoacidi di cui sopra, alcuni possono essere codificati da codoni diversi, mentre altri possiedono un unico codone che è in grado di codificarli (in particolare, metionina e triptofano). Come si può vedere dall'immagine, il codone AUG (Adenina-Uracile-Guanina) codifica per l'amminoacido metionina ed è anche il codone di avvio. Ossia, si tratta del codone di inizio che stabilisce il cosiddetto frame di lettura del codice genetico: dopo il codone AUG, il successivo gruppo di tre basi azotate viene letto come secondo codone, il gruppo successivo come terzo codone e così via.
Il codice genetico è inequivocabile e non ambiguo, ossia ogni codone codifica solo ed esclusivamente per un amminoacido, oppure rappresenta un codone di stop.
La Sintesi Proteica
La sintesi proteica o traduzione è il passo successivo alla trascrizione, in cui l'informazione contenuta prima del DNA e poi nell'mRNA viene "tradotta" nel linguaggio delle proteine. Proprio come tradurre un testo da una lingua all'altra, la cellula decodifica la sequenza di nucleotidi (A, U, C, G nell'RNA) in una sequenza di amminoacidi.
Per portare a termine la traduzione, gli amminoacidi non si assemblano in modo autonomo ma la cellula impiega i ribosomi, organelli costituiti da due subunità (una maggiore e una minore) di RNA ribosomiale (rRNA) e proteine. I ribosomi "leggono" la sequenza di nucleotidi dell'mRNA a gruppi di tre, chiamati codoni, e a ogni codone associano la sequenza complementare, l'anti-codone, presente su un'altra categoria di RNA, i tRNA o RNA di trasporto. L'anti-codone è specifico per un amminoacido, caricato sul tRNA dall'enzima aminoacil-tRNA sintetasi.
Il ribosoma, al suo interno possiede tre "scompartimenti", i siti A - P - E, specifici per ogni passaggio della sintesi proteica:
- Inizio della traduzione: il sito A accoglie il tRNA con l'amminoacido associato (l'amminoacil-tRNA) e permette il riconoscimento tra codone (dell'mRNA) e anticodone (del tRNA).
- Allungamento del polipeptide: nel sito P, se il legame è corretto, avviene il legame peptidico tra l’amminoacido associato al tRNA e la proteina in formazione.
- Terminazione della traduzione: nel Sito E (da exit, uscita) il tRNA, ormai privo dell'amminoacido, può lasciare il ribosoma.
Ogni codone, quindi, codifica per un particolare amminoacido (o un segnale di inizio o fine della traduzione), determinando così l'ordine preciso in cui gli amminoacidi verranno assemblati per formare la proteina. Il ribosoma deve essere molto preciso, un solo errore può causare la perdita di struttura della proteina e anche della sua funzione.
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.
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.
Tabella del Codice Genetico
| Primo nucleotide | Secondo nucleotide | Terzo nucleotide | Amminoacido |
|---|---|---|---|
| UUU | UUC | UUA | Fenilalanina |
| UCU | UCC | UCA | Serina |
| UAU | UAC | UAA | Tirosina |
| UGU | UGC | UGA | Cisteina |
| CUU | CUC | CUA | Leucina |
| CCU | CCC | CCA | Prolina |
| CAU | CAC | CAA | Istidina |
| CGU | CGC | CGA | Arginina |
| AUU | AUC | AUA | Isoleucina |
| ACU | ACC | ACA | Treonina |
| AAU | AAC | AAA | Asparagina |
| AGU | AGC | AGA | Serina |
| GUU | GUC | GUA | Valina |
| GCU | GCC | GCA | Alanina |
| GAU | GAC | GAA | Acido Aspartico |
| GGU | GGC | GGA | Glicina |
Nota: Questa tabella è una semplificazione e non include tutti i codoni.
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