Dai geni alle proteine - La duplicazione del DNA, L'espressione genica, Il gene

Dai geni alle proteine

La duplicazione del DNA. Il DNA è sede del patrimonio genetico. Esso è costituito da acidi nucleici e proteine che ne sostengono la struttura.

Il DNA dei procarioti possiede i cromosomi più corti rispetto a quelli degli eucarioti. Studiando l'escherichia coli, si scoprì che il DNA di un batterio era contenuto in una parte detta nucleoide e in esso era presente il gene promotore, affiancato dall'operone, dove l'RNA polimerasi iniziava la trascrizione.

Questi batteri erano allevati nel lattosio e producevano l'enizima per la sua digestione; si scopre a questo punto che in assenza di lattosio l'enzima non è prodotto, quindi, esiste un gene regolatore che opera per l'attivazione o la disattivazione.

Negli eucarioti il discorso è più complesso: il DNA presenta sequenze ripetute, delle quali alcune danno l'espressione genica; inoltre presenta istoni (proteine formate da cromatina e DNA), che possono influire nei loro processi

Ciò si scoprì dopo numerose ricerche: nel 1869 Miescher scoprì che il DNA era formato da acidi nucleici; negli anni '40, dallo studio di un batteriofago si capisce che l'informazione genetica è trasferita dai nucleotidi e Minsky scopre che il corredo cromosomico è contenuto nelle cellule gametiche e che tutte le cellule somatiche di una specie hanno lo stesso tipo di informazione. Nel 1953 Watson e Crick scoprono la struttura del DNA.

Al giorno d'oggi sappiamo che per trasmettere una copia del DNA a ciascuna delle due cellule lie, una cellula si divide. Il processo di duplicazione è detto replicazione: la molecola si divide nel senso della lunghezza e i due filamenti che la formano si separano, in modo che le basi azotate dei nucleotidi restino esposte. Alcuni dei nucleotidi si appaiono secondo le regole C-G e A-T formando due nuove coppie eliche.

Per fare tutto ciò si hanno bisogno di enzimi che legano un nucleotide all'altro: questi si chiamano DNA polimerasi, e fungono anche da organo di correzione di errori attraverso un processo chiamato proof-reading.

Nelle cellule eucariote la duplicazione parte contemporaneamente in più punti della catena per velocizzare il processo; questi punti vengono detti bolle di duplicazione e vengono aperti tramite gli enzimi elicasi.

L'espressione genica. L' espressione genica è quella sequenza di eventi durante i quali l'informazione contenuta in un gene è trasformata in una proteina nel citoplasma. I geni possiedono infatti le informazioni per sintetizzare le proteine, cioè codificano per quella proteina: il DNA è una sequenza di monomeri nucleotidi e la proteina una sequenza di aminoacidi, perciò la sequenza di nucleotidi determina la presenza di aminoacidi. Il DNA non è però in grado di dirigere direttamente la sintesi delle proteine, in quanto esso è presente nel nucleo mentre la sintesi avviene nel citoplasma; quindi una copia del gene corrispondente viene trascritta in una molecola dell'RNA che può invece uscire dal nucleo, trasportando l'informazione.

Questo processo s'articola in 3 fasi: la trascrizione, la maturazione e la traduzione. Nelle cellule eucariote la trascrizione e la maturazione dell'RNA avvengono nel nucleo, mentre l'ultima fase avviene nel citoplasma.

La trascrizione e la maturazione. La trascrizione avviene in alcuni tratti dell'eucromatina, uno dei due tipi di cromatina (l'altro è l'eterocromatina, più densa). Durante questa fase un segmento di DNA viene trascritto in una molecola di RNA: questa particolare molecola presenta un unico filamento di nucleotidi nei quali si trovano al posto della timina l'uracile, e al posto del desossiribosio lo zucchero ribosio. Esistono poi diversi tipi di RNA: quello che trasporta le istruzioni è l'RNA messaggero ( RNA_m). Questa molecola si forma a partire da un tratto di un filamento di DNA utilizzato come stampo.

La trascrizione inizia con la separazione dei due filamenti del DNA in modo da legarsi col filamento dell'RNA: l'adenina si unirà con l'uracile. Successivamente l'enzima RNA polimerasi si lega a una sequenza di basi formata da geni promotori. L'enzima si muove lungo il filamento stampo e lega uno dopo l'altro con legami a idrogeno temporanei i nucleotidi che costituiranno la molecola di RNA_m; nello stesso tempo catalizza la formazione di legami covalenti tra i nucleotidi dell'RNA. Via via che il segmento di RNA si allunga, i legami a idrogeno si spezzano e l'RNA polimerasi scorre lungo il filamento spostando il sito della trascrizione. Quando l'enzima raggiunge la fine del gene da trascrivere si stacca dal DNA: la molecola è chiamata trascritto primario.

Nelle cellule eucariote, prima di uscire, il trascritto primario è modificato con l'aggiunta di nucleotidi alle sue estremità e la rimozione di alcuni segmenti al suo interno (gli introni). I segmenti che rimangono vengono chiamati esoni. Il processo, regolato da enzimi chiamati spliceosomi, porta alla formazione dell'RNA_m maturo.

Il codice genetico. È un sistema universale attraverso cui la cellula traduce, cioè codifica, per una sequenza di tre nucleotidi o codoni (o triplette di basi) di RNA in una sequenza di amminoacidi, cioè rappresenta la combinazione di tutte le triplette possibili. Ogni codone (il cui complementare anticodone sta sull'RNA_t) codifica per un solo aminoacido; in tutto sono 64 ma essendo gli

aminoacidi 20, alcuni codoni codificheranno per lo stesso aminoacido. Tre codoni non codificano per nessuno aminoacido e sono segnali di stop, cioè rappresentano i punti in cui la sintesi della proteina si deve arrestare.

La traduzione. In quest'ultima fase gli aminoacidi vengono uniti uno dopo l'altro formando un polipeptide in base alle istruzioni contenute nell'RNA_m: coincide dunque con la sintesi proteica. Sono coinvolti oltre all'RNA_m, anche gli aminoacidi, enzimi, ATP, ribosomi e l'RNA transfer (RNA_t).

La sintesi delle proteine avviene nei ribosomi localizzati vicino alla molecola di DNA; nelle cellule eucariote i ribosomi si trovano nel citoplasma. Ogni ribosoma è formato da due subunità di dimensioni diverse, ciascuna delle quali è costituita da proteine e dall'RNA ribosomiale (RNA_r).

Le due subunità si uniscono solo durante la sintesi proteica lasciando una fessura in cui si adatta la molecola di RNA_m. Le principali funzioni del ribosoma sono quelle di orientare le molecole utilizzate nella sintesi proteica e promuovere la formazione di legami tra gli aminoacidi: per fare ciò, utilizza i solco tra le subunità, il sito peptidilico (P) e il sito aminoacilico (A).

L'RNA_t ha invece la funzione di trasportare gli aminoacidi al ribosoma e sistemarli in un ordine prestabilito. Ogni molecola ha due siti di legame: da una parte l'anticodone, sequenza di 3 nucleotidi le cui basi possono legarsi a 3 basi di un dato codone dell' RNA_m, e dall'altra l'aminoacido corrispondenteal codone dell'RNA_m.

Ad esempio la molecola di RNA_t con l'anticodone CGU trasporta l'aminoacido alanina perchè il codone complementare GCA dell'RNA_m codifica quest'aminoacido. Inoltre ogni aminoacido si lega a una molecola di RNA_t grazie a specifici enzimi.

Il polipeptide viene assemblato, aggiungendo un aminoacido dopo l'altro mentre il ribosoma si muove lungo l'RNA_m leggendone i codoni. La sintesi ha inizio quando una delle estremità dell'RNA_m si lega alla subunità più piccola del ribosoma; a questi si aggiungono la subunità più grande e l'RNA_t legato al primo aminoacido del polipeptide. L'aminoacil-RNA_t si appaia con il suo anticodone al codone di inzio e va a occupare il sito P. A questo punto nel sito A si inserisce un aminoaci-RNA_t con un anticodone complementare a quello del secondo codone dell'RNA_m: si forma un legame peptidico. L'operazione si ripete più volte. Quando il ribosoma arriva a uno dei tre codoni di stop, la sintesi del polipeptide si interrompe: le due subunità del ribosoma si separano, la molecola di RNA_m viene demolita e i nucleotidi tornano nel nucleo. Il polipeptide invece si ripiega nella sua forma caratteristica. La molecola di RNA_m è letta, a volte, da più ribosomi contemporaneamente, formando un poliribosoma.

Il meccanismo della traduzione è lo stesso in tutte le cellule eucariote ma è leggermente diverso in quelle procariote, i cui ribosomi sono più piccoli e contengono tipi diveris di proteine e di RNA.

Il controllo dell'espressione genica. L' attività dei geni è regolata per far sì che avvenga la sintesi delle proteine. Alcuni geni vengono attivati in risposta a un eccesso di materie prime in una via metabolica, altri quando scarseggiano i prodotti di alcune vie mtaboliche.

In un organismo pluricellulare una cellula è in grado di modificare la sua attività anche in base a quelle di altre cellule. Le cellule si scambiano informazioni tramite messaggeri chimici, come ad esempio gli ormoni steroidei, che interagiscono con determinati geni. La maggior parte dei messaggeri chimici però non entra nelle cellule ma agisce sulla superficie cellulare, attraverso una catena di reazioni molecolari chiamate Ras: essa ha inizio quando un messaggero chimico si lega a un recettore proteico immerso nella membrana plasmatica dell'altra cellula, attivando la proteina Ras che manda il segnale al nucleo.

Il gene. Solo il 3% del DNA codifica per delle proteine: del 97% restante, una parte controlla l'espressione genetica, un'altra codifica per le molecole di RNA e la parte restante non ha alcuna funzione. Il DNA del 97% è diviso in: DNA a sequenza semplice (per mantenere la struttra del cromosoma); DNA a sequenze ripetitive interposte (che codifica per gli istoni e per il DNA ribosomale); DNA a sequenze ripetute ma non espresse; DNA a copia unica. È evidente quindi come il DNA sia soggetto a mutazioni causate da fattori ambientali.

Le mutazioni. Una mutazione è un cambiamento della struttura del DNA, quindi un cambiamento della sequenza o del numero di nucleotidi nell'acido nucleico in una cellula: è spontanea quando si verifica un errore durante la duplicazione del DNA, prima della divisione cellulare; è indotta quando vi partecipano fattori ambientali.

Negli organismi pluricellulari, soltanto le mutazioni nei gameti possono essere trasmesse alla prole mentre le mutazioni nelle cellule somatiche non sono trasmissibili ma modificano l'individuo. Molte mutazioni, dette silenti, coinvolgono aminoacidi che non influenzano l'attività proteica.

Vi sono poi le mutazioni puntiformi che coinvolgono una sola base. Esse sono di 3 tipi: il tipo più diffuso è la sostituzione di una base con un'altra. L'anemia falciforme è un esempio di mutazione puntiforme data dall'alterazione nella forma dell'emoglobina, proteina formata da due tipi di polipeptidi codificati da due geni diversi: durante la malattia uno degli aminoacidi di uno dei due polipeptidi è diverso rispetto all'altro, questo perchè nel gene è stata sostituita la base corrispondente al polipeptide, facendo cosi cambiare forma ai globuli rossi.

Il secondo tipo di mutazione è l'inserzione di una base mentre il terzo tipo è la delezione. Alcune mutazioni consistono in ripetizioni di sequenze di tre nucleotidi. Queste alterazioni sono chiamate mutazioni dinamiche perchè il gene aumenta di dimensioni a ogni generazione (come succede con la sindrome dell'X fragile).

Altre volte accade che un gene si sposti da un punto all'altro del cromosoma oppure si stacchi da un cromosoma e si inserisca in un altro, causando in entrambi i casi la rottura del DNA o la modifica dei meccanismi di attivazione genetica. Questi geni mobili sono chiamati elementi trasponibili.

Vi è un ultimo tipo di mutazione, quella cromosomica, che a sua volte si divide in altri 3 tipi: la traslocazione (un segmento si stacca dal cromosoma originario e si attacca a un altro cromosoma non omologo); la non disgiunzione (durante la meiosi vengono dati cromosomi in più o in meno); l'inversione (un cromosoma si spezza e, dopo una rotazione di 180°, si riattacca all'altro).

Attraverso il tasso di mutazione siamo in grado di sapere la frequenza di mutazioni: va da 1 su 1000 a 1 su 1 milione di gameti che presentano almeno una mutazione.

I virus. Un virus è un aggregato di molecole organiche, grande quanto un ribosoma, che si riproduce sfruttando le cellule di un essere vivente perchè non possiede i ribosomi. I virus che infettano i batteri sono chiamati batteriofagi.

È formato da un acido nucleico circondato da un rivestimento proteico chiamato capside. All'esterno di questo involucro alcuni virus ne hanno un altro, formato da lipidi e altre molecole. Le molecole di acido nucleico contengono le istruzioni per la sintesi di due tipi di proteine virali: gli enzimi per la duplicazione dell'acido nucleico virale e le proteine di rivestimento. I geni contengono invece le istruzioni per la sintesi del rivestimento più esterno.

Un virus si riproduce introducendo i suoi geni nella cellula e utilizzando i materiali contenuti in essa per sintetizzare le proteine virali. L'invasione inizia col legame del virus a un recettore specifico presente sulla superficie cellulare. Avvenuto l'attacco, il virus introduce il suo acido nucleico nella cellula oppure entra per intero in essa. L'acido nucleico a questo punto viene trascritto nell'RNA_m e poi tradotto. Gli enzimi prodotti sintetizzano numerose copie dell'acido nucleico e le proteine di rivestimento sintetizzate si autoassemblano. Quando lasciano la cellula ospite i virus con rivestimenti esterni lipo-proteici prendono dalla sua membrana plasmatica i materiali necessari alla loro costruzione. La cellula ospite muore.

Alcuni virus sono detti retrovirus perchè anzichè sfruttare una cellula incorporano inizialmente il loro acido nucleico, l'RNA, insieme a 2 enzimi, uno dei quali catalizza la sintesi di DNA utilizzando come stampo l'RNA virale, nel DNA della cellula ospite. Si ottiene il _cDNA. Il procedimento di trascrizione è opposto perciò viene chiamato trascrizione inversa. L'altro enzima inserisce il cDNA virale nel DNA della cellula ospite. In alcune situazioni esso viene trascritto in RNAm e tradotto in proteine virali. L'RNA virale viene quindi sintetizzato e poi circondato dalle proteine del rivestimento. I virus neoformati lasciano la cellula ospite e invadono altre cellule, causando mutazioni e tumori.