2. La scoperta della struttura del DNA
“Vorremmo proporre un modello per il sale dell’acido
desossiribonucleico
(DNA). Questa struttura presenta nuove caratteristiche di grande
interesse biologico”
(James Watson e Francis Crick)
Grazie ad immagini ottenute ai raggi X da parte di Rosalind Franklin, Watson e
Crick riuscirono a determinare la struttura del DNA
3. La scoperta della struttura del DNA
Due lunghi filamenti di polinucleotidi
Sono avvolti l’uno intorno all’altro in modo
da formare una doppia elica
destrogira
Sono tenuti insieme da accoppiamenti per mezzo di legami idrogeno tra le rispettive
basi azotate
4. Le basi azotate
Purine Pirimidine
Adenina o guanina (A o G) Citosina o timina (C o T)
Sono formate da due anelli
eterociclici azotati
Sono formate da un anello
eterociclico azotato
5. Purine
Adenina
(C5H5N5)
Guanina
(C5H5N5O)
Tramite due legami a idrogeno
molto fragili, nel DNA si lega alla
timina (T) e nell'RNA si lega
all'uracile (U).
Tramite tre legami a idrogeno, nel
DNA e nell'RNA si lega alla citosina
(C), che è la sua base
complementare.
8. Struttura antiparallela del DNA
Gli scheletri di “zucchero-fosfato”
dei due filamenti hanno una
direzione e un verso perché ciascun
gruppo fosfato si lega con un
atomo di carbonio in posizione 3’
di una molecola di zucchero
e con quello in posizione 5’ della
molecola successiva.
Ogni filamento ha quindi
un’estremità 5’, che termina con un
gruppo fosfato, e un’estremità 3’
che termina con un gruppo OH.
9. La duplicazione del DNA
Il processo inizia nei cosiddetti
punti di origine della
duplicazione. In corrispondenza
di questi si
formano le cosiddette forcelle di
duplicazione, che procedono
in senso bidirezionale rispetto al
punto di origine,
formando delle bolle di
duplicazione. In uno stesso
istante migliaia di bolle di
duplicazione si allargano fino
a che si incontrano e si fondono
insieme generando alla
fine due nuove molecole di DNA.
10. La duplicazione del DNA
1
Prima di tutto occorre quindi che nel punto di origine della duplicazione,
contrassegnato da una specifica sequenza di nucleotidi, i legami idrogeno tra
le basi complementari siano spezzati in modo da aprire la doppia elica e i
filamenti siano separati: ciò affinché le loro basi siano esposte e possano
accoppiarsi a nuovi nucleotidi tramite legami idrogeno e dare corso alla
duplicazione. A queste operazioni presiedono enzimi, in particolare la elicasi
e la topoisomerasi, e proteine di attivazione che si attaccano ai singoli
filamenti per tenerli separati.
2
Una volta che i filamenti della doppia elica si sono separati, intervengono
altri complessi proteici, tra cui il più importante consiste di un gruppo di
enzimi chiamato DNA-polimerasi, che catalizzano la reazione di sintesi (cioè
di polimerizzazione) delle due nuove catene polinucleotidiche per aggiunta
successiva dei nucleotidi necessari. Nel punto dove inizia la replicazione
occorre la presenza di un “primer” o “innesco”, ossia un brevissimo
frammento di acido nucleico complementare alla catena da replicare (alla
sua formazione presiede l’enzima primasi).
11. La duplicazione del DNA
3
Ora, l’attività della DNA polimerasi è unidirezionale, cioè va da 5’ a 3’:
l’aggiunta di nucleotidi alla nuova catena in formazione può solo procedere in
questa direzione.
Consideriamo il filamento stampo parentale che ha direzione 3’5’: il filamento
a esso complementare che viene sintetizzato, detto filamento guida, può
allungarsi in modo continuo per azione della DNA-polimerasi in direzione
5’3’, nello stesso verso in cui avanza la forcella di replicazione.
4
Il filamento complementare all’altro filamento stampo può allungarsi solo
nel verso contrario rispetto al filamento guida, cioè nella condizione in cui la
DNA-polimerasi può operare procedendo in direzione 5’3’. In questo caso il
filamento viene sintetizzato in modo discontinuo attraverso una procedura
più laboriosa: perciò viene chiamato filamento lento (o in ritardo). In pratica
la DNA-polimerasi, partendo dall’estremità 3’ del primer, replica piccoli
segmenti di circa 100-200 nucleotidi, chiamati frammenti di Okazaki (dal
nome del ricercatore giapponese che li ha scoperti) i quali sono via via uniti
dall’enzima DNA-ligasi; per la sintesi di ogni nuovo frammento di Okazaki
deve essere presente un nuovo primer.
13. Proofreading
Il complesso della DNA polimerasi ha una caratteristica importante: è
in grado di correggere eventuali errori introdotti durante la sintesi.
Quando ciò succede, la DNA polimerasi è in grado di invertire il suo
“senso di marcia” e la sua attività: diventa così una esonucleasi, ossia
un enzima che degrada il DNA, agendo in direzione da 3’ a 5’.
La degradazione procede fino al punto in cui è
stato introdotto l’errore, quindi riparte l’attività
“polimerasica” in direzione da 5’ a 3’.
Questa funzione ha un’importanza vitale per gli organismi perché,
eliminando gli errori, impedisce di fatto che si introducano come
conseguenza pericolose mutazioni.
14. Il ruolo intermediario dell’RNA
Esistono vari tipi di RNA:
RNA messaggero (mRNA)
RNA di trasporto (tRNA)
RNA ribosomale (rRNA)
A grandi linee il processo che,
partendo dal DNA, porta alla
sintesi delle proteine consiste
di due fasi:
•Trascrizione: dal DNA
all’mRNA
•Traduzione: dall’mRNA al
tRNA e rRNA
15. Tipi di RNA
RNA messaggero
(mRNA)
RNA di trasporto
(tRNA)
RNA ribosomiale
(rRNA)
Ha il compito di veicolare l’informazione genetica
nella cellula: per la precisione dal nucleo, dove
l’mRNA è sintetizzato, al citoplasma, dove sono
presenti i ribosomi.
È costituito da molecole piuttosto piccole e ha il
ruolo di traduttore dell’informazione trasportata
dall’mRNA.
Insieme alle proteine ribosomali permettono di
far interagire correttamente mRNA e tRNA nel
processo di sintesi proteica
16. Trascrizione
1
Uno dei filamenti del DNA è usato come stampo per la sintesi di un filamento
complementare di RNA. Il processo è mediato dall’enzima RNA polimerasi,
che, muovendosi in direzione 3’5’ lungo il filamento stampo di DNA,
sintetizza un RNA complementare. La trascrizione inizia in corrispondenza di
un promotore, che è una specifica sequenza di basi del DNA che segnala
l’inizio di un gene e al quale si lega l’RNA polimerasi. l’enzima si sposta lungo
il filamento di DNA fino a completare la trascrizione in corrispondenza di
un’altra specifica sequenza di terminazione che segnala la fine del gene.
2
A questo punto avviene il distacco e la liberazione della nuova
molecola di mRNA, che prende il nome di trascritto primario.
La molecola di mRNA subisce il cosiddetto processamento dell’RNA.
Per prima cosa alle estremità 5’ e 3’ della molecola
di mRNA trascritto primario sono aggiunti, rispettivamente, un cappuccio
formato da un solo nucleotide e una coda di poli-A formata da alcuni
nucleotidi contenenti come base solo adenina. Il cappuccio ha un ruolo nel
riconoscimento da parte dei ribosomi, mentre la coda ha una funzione
protettiva dall’attacco degli enzimi cellulari.
17. Trascrizione
3
Vi sono poi altre modifiche interne. La maggioranza dei geni degli eucarioti
contiene sequenze di basi non codificanti, cioè non contenenti istruzioni per
sintetizzare proteine, dette introni, che si interpongono tra le regioni dette
esoni: queste sono le parti destinate a essere “espresse”, cioè tradotte in
amminoacidi e quindi in proteine.
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Introni ed esoni sono trascritti entrambi nella molecola del trascritto primario
di mRNA; occorre perciò eliminare gli introni non codificanti
e unire tra loro gli esoni: questo intervento, chiamato splicing (“saldatura”)
avviene per azione di un complesso formato da proteine e piccoli frammenti
di RNA. A questo punto è pronto l’mRNA trascritto maturo, idoneo per essere
trasferito nel citoplasma.
19. Codice genetico
È la regola di corrispondenza che fornisce la chiave per tradurre
l’informazione contenuta in una sequenza di nucleotidi di un gene nella
sequenza di amminoacidi di una proteina.
Ogni amminoacido è in effetti codificato da una sequenza di 3 basi azotate,
chiamata tripletta o codone. L’insieme dei 64 codoni, che sono triplette di
basi dell’RNA, rappresenta il codice genetico.
Le possibili triplette sono molto superiori al numero degli amminoacidi ma,
come si osservò, molti di questi sono codificati da più di un codone. Per
questo si dice che il codice genetico è ridondante.
La tripletta AUG ha una doppia funzione: oltre a codificare la metionina
(Met), rappresenta un codone di inizio, che avvia la traduzione dell’mRNA
sui ribosomi. Infine, tre codoni – UAA, UAG e UGA– non codificano
per alcuna proteina, ma sono segnali di stop o fine, che arrestano
l’allungamento della catena polipeptidica in formazione.
21. Traduzione e sintesi proteica
Nella sintesi proteica l’interprete è costituito da molecole di tRNA (RNA
di trasporto), presenti in gran numero nel citoplasma. Un tRNA è
costituito da una catena relativamente corta, formata da circa 80
nucleotidi, ripiegata e avvolta su se stessa in seguito a numerosi
appaiamenti tra le sue basi azotate tramite legami idrogeno
L’estremità 3’, che termina sempre con una sequenza CCA, costituisce il
sito di legame per uno specifico amminoacido. Un enzima presente nel
citoplasma riconosce ogni specifica molecola di tRNA e, utilizzando
l’energia fornita da una molecola di ATP, lega alla sua estremità
l’amminoacido corrispondente, scegliendolo con precisione tra quelli che
si trovano nel citoplasma.
22. Traduzione e sintesi proteica
Dalla parte opposta, in un’ansa della molecola di tRNA è presente una
speciale tripletta di basi che rappresenta l’anticodone. Questo è
complementare al codone dell’mRNA che specifica l’amminoacido che si
attacca nel sito di legame
L’appaiamento tra anticodone del tRNA e codone dell’mRNA
costituisce la regola per fare corrispondere un certo amminoacido
a una sequenza del messaggio degli acidi nucleici, in altre parole è la
chiave per tradurre il linguaggio dei geni nel linguaggio delle proteine.
24. Traduzione e sintesi proteica
L’assemblaggio effettivo dei singoli amminoacidi in catene polipeptidiche,
cioè la traduzione vera e propria che si concretizza nella sintesi delle
proteine, avviene sui ribosomi, organuli presenti nel citoplasma che
hanno il ruolo di coordinare l’interazione tra mRNA e tRNA.
I ribosomi sono costituiti da due subunità, una grande e una piccola, fatte
per due terzi di rRNA (RNA ribosomale) e per un terzo di proteine. La
subunità più piccola contiene il sito di legame per l’mRNA, mentre quella più
grande ospita i siti di legame per le molecole di tRNA, indicati con A e P.
