DNA

DNA

Il DNA è una sostanza che si trova in tutte le cellule viventi e che contiene le informazioni necessarie per costruire e far funzionare gli organismi. È come un manuale di istruzioni che dice alla cellula cosa fare. Il DNA è composto da una lunga sequenza di "lettere" (chiamate basi) che si uniscono per formare un codice. Questo codice determina tutto, da come è fatto il nostro corpo a come funziona.Ogni individuo ha il proprio DNA, che riceve dai genitori e che si trova in una struttura chiamata doppia elica, che sembra una scala a spirale. Il DNA è fondamentale per la crescita, lo sviluppo e la riproduzione degli esseri viventi.

Cos'è il DNA?

La funzione del DNA è quella di contenere e trasmettere le informazioni genetiche che sono necessarie per la costruzione e il funzionamento di un organismo. In pratica, il DNA:

• Contiene le istruzioni per produrre le proteine: Le proteine sono fondamentali per la struttura e il funzionamento delle cellule e dei tessuti. Il DNA fornisce le informazioni su come queste proteine devono essere fatte.

• Regola le attività cellulari: Il DNA non solo fornisce le informazioni, ma controlla anche quando e come queste informazioni vengono utilizzate, determinando quando devono essere attivati o disattivati determinati geni.
• Trasmette le informazioni ereditarie

Qual'é la sua funzione?

• Nel XIX e XX secolo, la comprensione del DNA come materiale ereditario si sviluppò gradualmente. Nel 1869, Friedrich Miescher scoprì una sostanza ricca di fosfato nei globuli bianchi, chiamata nucleina, che successivamente fu identificata come DNA. Negli anni '20, si capì che cromosomi erano composti da DNA e proteine, ma non si comprendeva ancora il ruolo del DNA nella trasmissione dell'informazione genetica. Solo grazie a esperimenti sui batteri e sui virus, nella prima metà del Novecento, si dimostrò che il materiale genetico era costituito dal DNA, non dalle proteine.

Le basi molecolari dell'ereditarietà

Nel 1928, Frederick Griffith studiò il batterio Streptococcus pneumoniae per sviluppare un vaccino contro la polmonite. Utilizzò due ceppi di pneumococco: il ceppo S (virulento, con una capsula protettiva) e il ceppo R (non virulento, senza capsula). Griffith scoprì che, anche se i batteri S erano uccisi dal calore, la miscelazione di batteri R vivi con batteri S morti provocava la polmonite nei topi. I topi morivano con batteri S vivi nel sangue, suggerendo che i batteri R erano stati trasformati in ceppo virulento S. Successivamente, fu dimostrato che la trasformazione dipendeva da una sostanza, chiamata "fattore di trasformazione", estratta dai batteri S morti, che causava un cambiamento ereditario nelle cellule R. La natura chimica di questa sostanza doveva ancora essere identificata.

Esperimento di Griffith

Nel 1941, Oswald Avery e il suo team dimostrarono che il "fattore di trasformazione" scoperto da Griffith era costituito dal DNA. Attraverso esperimenti di eliminazione, Avery mostrò che la capacità di trasformazione dei batteri si perdeva solo quando veniva distrutto il DNA, mentre non era influenzata dalla distruzione di proteine, carboidrati o lipidi. Inoltre, isolarono DNA puro che causava la trasformazione batterica. Nonostante la scoperta fosse fondamentale, inizialmente non fu accolta adeguatamente, poiché la genetica batterica era un campo nuovo e molti scienziati ritenevano il DNA troppo semplice per essere il materiale genetico, preferendo le proteine. Tuttavia, successivi studi sui geni e le mutazioni batteriche confermarono la natura genetica del DNA.

DNA fattore trasformazione e Avery

La prova decisiva per comprendere la struttura del DNA arrivò grazie alla cristallografia a raggi X, utilizzata da Rosalind Franklin nei primi anni Cinquanta. I suoi studi suggerirono che il DNA avesse una forma a doppia elica. Inoltre, la composizione chimica del DNA, composto da nucleotidi contenenti zucchero, fosfato e basi azotate, rivelò importanti indizi. Nel 1950, Erwin Chargaff scoprì alcune regolarità: la composizione del DNA è costante in tutti i tessuti di un individuo, e la quantità di adenina è sempre uguale a quella di timina (A = T), e quella di guanina è uguale a quella di citosina (G = C), suggerendo una relazione fondamentale nella struttura del DNA.

Struttura del DNA

Nel 1953, James Watson e Francis Crick, utilizzando informazioni sulla cristallografia a raggi X e i dati chimici disponibili, costruirono un modello tridimensionale del DNA. I loro risultati mostrarono che il DNA è composto da due catene polinucleotidiche antiparallele disposte a forma di doppia elica. Inoltre, grazie ai dati di Chargaff, capirono che la quantità di purine (adenina e guanina) è pari a quella delle pirimidine (timina e citosina). La struttura proposta spiegava le proprietà del DNA e apriva la strada alla comprensione delle sue funzioni biologiche, diventando il modello base che è rimasto invariato nei suoi aspetti principali.

James Watson e Francis Crick

.La struttura molecolare del DNA è una doppia elica composta da due catene di nucleotidi, che si avvolgono intorno allo stesso asse. Le principali caratteristiche della struttura molecolare del DNA sono:*Catene antiparallele e complementari*: Le due catene di nucleotidi scorrono in direzioni opposte (antiparallele) e le basi azotate delle due catene si appaiano in modo specifico: adenina (A) con timina (T) e guanina (G) con citosina (C), attraverso legami a idrogeno. Legami covalenti e legami a idrogeno*: I nucleotidi all'interno di ciascuna catena sono legati da legami covalenti tra il gruppo fosfato e il desossiribosio. I legami a idrogeno si formano tra le basi azotate delle due catene complementari, mantenendo insieme le catene. Forma di doppia elica*: La molecola di DNA ha un diametro costante e un avvolgimento destrogiro (cioè, si avvolge orizzontalmente in senso orario rispetto all'asse centrale). Questo avvolgimento crea due solchi: uno maggiore e uno minore. Ogni catena di DNA è composta da nucleotidi, che includono uno zucchero (desossiribosio), un gruppo fosfato e una base azotata. I nucleotidi sono uniti da legami covalenti tra il gruppo fosfato di un nucleotide e il carbonio 3’ dello zucchero del nucleotide precedente, formando una "ossatura" verticale, mentre le basi azotate sono rivolte verso l'interno e si appaiano in modo specifico.

Struttura molecolare

Dopo la decifrazione della struttura del DNA, Arthur Kornberg condusse un esperimento che dimostrò la possibilità di sintetizzare un nuovo DNA in provetta, usando nucleotidi, DNA polimerasi e un DNA stampo. Sebbene Kornberg riuscisse a creare una nuova molecola di DNA, l'esperimento non spiegava come avvenisse la replicazione. Diverse ipotesi furono proposte: il modello conservativo, semiconservativo e dispersivo. Il lavoro di Watson e Crick suggeriva un modello semiconservativo, che fu poi confermato da studi successivi.

Replicazione DNA

La replicazione semiconservativa del DNA avviene in due fasi principali: 1. *Separazione dei filamenti*: La doppia elica del DNA si despiralizza grazie a enzimi specifici, rompendo i legami a idrogeno tra le basi appaiate, permettendo la separazione dei due filamenti stampo. 2. *Sintesi dei nuovi filamenti*: I nucleotidi liberi si uniscono ai filamenti in crescita, appaiandosi con le basi del filamento stampo. L'enzima DNA polimerasi catalizza la formazione dei legami fosfodiesterici, che uniscono i nucleotidi. I nucleotidi vengono aggiunti solo all'estremità 3' del filamento in crescita, dove un gruppo ossidrile libero permette la formazione di un legame fosfodiestere con il nucleotide successivo. L'energia necessaria per questa reazione deriva dalla rottura dei legami tra i fosfati dei nucleotidi trifosfato.

Le forcelle di replicazione

si forma quando l'enzima *DNA elicasi* separa i due filamenti del DNA, rompendo i legami a idrogeno tra le basi azotate. Questo processo crea una struttura a Y, la forcella, che permette la replicazione. Una volta separati, le *proteine leganti il singolo filamento (SSB)* si legano ai filamenti per impedirne il riaccoppiamento, mantenendo i filamenti separati e pronti per la replicazione. Inoltre, le *topoisomerasi* intervengono per alleviare la tensione che si genera nel DNA non separato, evitando il sovrasvolgimento mentre i filamenti vengono separati. La forcella di replicazione è cruciale per la sintesi dei nuovi filamenti di DNA, che avviene grazie all'azione della DNA polimerasi.

Le *DNA polimerasi* sono enzimi grandi e complessi, con una struttura che somiglia a una "mano semiaperta". Esse svolgono due funzioni principali: allungano il filamento di DNA legando un nucleotide alla volta, ma non possono iniziare la sintesi da zero, necessitando di un primer di RNA, che viene poi sostituito da DNA. Inoltre, lavorano in una sola direzione (5' → 3'), sintetizzando in modo continuo il filamento veloce, mentre l'altro filamento (lento) viene sintetizzato in modo discontinuo, formando brevi segmenti chiamati *frammenti di Okazaki*, che poi vengono uniti insieme I frammenti di Okazaki sono brevi segmenti di DNA sintetizzati in modo discontinuo durante la replicazione del filamento lento. Ogni frammento, composto da circa 100-200 nucleotidi negli eucarioti e 1000-2000 nei procarioti, viene poi unito per formare un filamento continuo grazie all'azione dell'enzima DNA ligasi. Questo processo è necessario perché la sintesi avviene in direzione opposta all'apertura della forcella di replicazione.

DNA polimerasi

Durante la replicazione del DNA, il filamento lento non può essere copiato tutto in una volta, quindi viene creato in piccoli pezzi chiamati *frammenti di Okazaki*, che poi vengono uniti. Alla fine della replicazione, il primer che aiuta a iniziare la copia viene rimosso e lascia un piccolo tratto di DNA non copiato, causando l'accorciamento del cromosoma ogni volta che la cellula si divide. Per evitare che i cromosomi si accorcino troppo, le cellule hanno delle *sequenze speciali chiamate telomeri* alle estremità. I telomeri proteggono i cromosomi e li mantengono stabili. Con il tempo e con ogni divisione cellulare, i telomeri si accorciano un po', e dopo molte divisioni, le cellule non possono più dividersi. Alcune cellule, come quelle staminali o quelle che producono i gameti, mantengono i loro telomeri grazie a un enzima chiamato *telomerasi*, che aggiunge nuove sequenze per allungarli. Questo enzima è molto importante anche nel cancro, perché le cellule tumorali lo usano per dividersi senza fine. La ricerca sulla telomerasi è anche legata all'invecchiamento, poiché potrebbe aiutare a prevenire l'accorciamento dei telomeri e "immortalizzare" le cellule. Tuttavia, non è ancora chiaro come questo influenzi l'invecchiamento dell'intero organismo.

Durante la replicazione del DNA, possono verificarsi degli errori, cioè basi sbagliate possono essere messe nel filamento nuovo. Fortunatamente, le cellule hanno dei sistemi per correggere questi errori. *Il processo di correzione degli errori avviene in due modi principali:* 1. *Proofreading (correzione durante la replicazione):* Quando l'enzima *DNA polimerasi* sta aggiungendo nuovi nucleotidi al filamento, può "leggere" quello che ha appena scritto. Se trova un errore, l'enzima si ferma, rimuove il nucleotide sbagliato e ne aggiunge uno giusto. Questo processo riduce gli errori al minimo. 2. *Riparazione post-replicazione:* Dopo che la replicazione è finita, esistono altri enzimi che controllano il DNA appena replicato per cercare errori che non sono stati corretti durante il processo. Se trovano degli errori, li rimuovono e li sostituiscono con i nucleotidi corretti. In generale, questi meccanismi aiutano a mantenere il DNA stabile e a evitare che gli errori si accumulino, prevenendo mutazioni che potrebbero danneggiare la cellula o l'organismo.

Errori durante la replicazione

Beadle e Tatum, nel 1958, dimostrarono che ogni gene codifica per un enzima specifico. Utilizzando Neurospora crassa, un fungo aploide facile da coltivare, indagarono gli effetti delle mutazioni. Dopo aver trattato il fungo con raggi X, scoprirono che i ceppi mutanti non riuscivano a crescere su un terreno minimo, a meno che non venissero aggiunte sostanze nutritive. Questo confermò l'ipotesi «un gene, un enzima», fondamentale per comprendere le malattie genetiche legate a difetti enzimatici.

Geni e proteine

La teoria «un gene, un enzima» è stata aggiornata. Ora sappiamo che i geni sono sequenze di DNA che codificano per polipeptidi, non solo per enzimi. Le proteine, come l'emoglobina, sono fatte da più catene polipeptidiche, ognuna specificata da un gene diverso. Quindi, è più corretto dire «un gene, un polipeptide». Il gene fornisce le informazioni per fare un polipeptide, ma alcuni geni controllano anche altre sequenze di DNA.

Un gene, un polipeptide

Nel 1958, Francis Crick enunciò il "dogma centrale" della biologia molecolare, secondo cui il gene nel DNA contiene le informazioni per produrre una proteina, ma le proteine non possono creare altre proteine o DNA. Per spiegare come l'informazione passa dal DNA nel nucleo al citoplasma, Crick propose che un filamento di DNA si trascriva in RNA messaggero (mRNA). L'mRNA esce dal nucleo e viene usato dai ribosomi per sintetizzare proteine, un processo chiamato trascrizione.Crick suggerì anche l'ipotesi dell'adattatore per spiegare come la sequenza di DNA si traduca nella sequenza di amminoacidi di una proteina. La molecola adattatrice che collega il DNA e gli amminoacidi è l'RNA transfer (tRNA). Il tRNA trasporta gli amminoacidi e riconosce l'mRNA, traducendo così il codice genetico in una catena polipeptidica, processo chiamato traduzione. La ricerca ha confermato che l'RNA è un intermediario tra il DNA e la sintesi proteica.

L'informazione passa dal DNA alle proteine

L'RNA è un intermediario fondamentale tra il DNA e la sintesi del polipeptide. Rispetto al DNA, l'RNA è formato da un singolo filamento, contiene il ribosio invece del desossiribosio, e ha l'uracile (U) al posto della timina (T). L'RNA si appaia con il DNA seguendo regole di complementarietà, con adenina che si lega all'uracile. Esistono diverse classi di RNA: - *mRNA (RNA messaggero)*: porta una copia delle informazioni dal DNA ai ribosomi per la sintesi proteica. - *tRNA (RNA transfer)*: trasporta gli amminoacidi ai ribosomi e li posiziona correttamente. - *rRNA (RNA ribosomiale)*: fa parte dei ribosomi e aiuta nella sintesi proteica. Negli eucarioti esistono anche altri tipi di RNA, come *hnRNA* e *snRNA*, che sono coinvolti nella maturazione dell'RNA.

Simili ma non uguali

Durante la trascrizione, solo uno dei due filamenti di DNA, il filamento stampo, viene copiato in RNA. La trascrizione avviene in tre fasi: inizio, allungamento e terminazione. Il processo inizia quando l'RNA polimerasi si lega al promotore, una sequenza di DNA che indica dove partire, quale filamento trascrivere e in quale direzione. Nei procarioti, il promotore contiene il TATA box, che aiuta l'RNA polimerasi a legarsi al DNA. Negli eucarioti, l'RNA polimerasi si lega al promotore solo dopo che i fattori di trascrizione si sono associati al DNA. Durante l'allungamento, l'RNA polimerasi legge il filamento stampo in direzione 3'→5' e aggiunge nucleotidi in direzione 5'→3'. La trascrizione termina quando l'RNA polimerasi raggiunge sequenze specifiche di DNA che segnano la fine. Negli eucarioti, il trascritto primario è più lungo dell'mRNA maturo e deve essere modificato prima della traduzione.

La trascrizione

Il codice genetico è un linguaggio che traduce la sequenza di nucleotidi dell'RNA in amminoacidi per formare proteine. Ogni codone, composto da tre basi nucleotidiche, specifica un amminoacido. Poiché ci sono 64 codoni e solo 20 amminoacidi, il codice è definito "degenere", poiché molti amminoacidi sono codificati da più codoni. Tuttavia, il codice non è ambiguo, poiché ogni codone corrisponde a un solo amminoacido. Il codice genetico è anche quasi universale, con poche eccezioni, come quelle nei mitocondri e nei cloroplasti. Il codone di inizio è AUG (metionina), mentre tre codoni (UAA, UAG, UGA) segnano la fine della traduzione.

Codice genetico

La traduzione dell'mRNA in proteine richiede il tRNA, che mette in relazione i codoni dell'mRNA con gli amminoacidi. Il tRNA svolge tre funzioni principali: carica l'amminoacido, si associa all'mRNA e interagisce con i ribosomi. Ogni tRNA, che contiene circa 75-80 nucleotidi, ha una struttura che gli permette di legarsi specificamente ai ribosomi e di trasportare un amminoacido. All'estremità 3' si lega l'amminoacido, mentre l'anticodone, un gruppo di tre basi, si appaia con i codoni dell'mRNA. Ogni tRNA è specifico per uno dei 20 amminoacidi.

La traduzione

I ribosomi sono strutture complesse che svolgono un ruolo fondamentale nella sintesi delle proteine. Non sono organuli veri e propri, ma assemblano le catene polipeptidiche utilizzando l'mRNA e il tRNA carico. Ogni ribosoma può leggere qualsiasi mRNA e usare tutti i tRNA carichi. È composto da due subunità (maggiore e minore), che si uniscono solo durante la traduzione. Nei ribosomi, ci sono tre siti per i tRNA: il sito A (dove il tRNA si lega al codone dell'mRNA), il sito P (dove l'amminoacido viene aggiunto alla catena) e il sito E (dove il tRNA scarica l'amminoacido e si stacca).

Servono i ribosomi

La terminazione della traduzione avviene quando un codone di stop (UAA, UAG, UGA) entra nel sito A. Questi codoni si legano a un fattore di rilascio che fa rompere il legame tra il polipeptide e il tRNA nel sito P. Il polipeptide si stacca dal ribosoma, con la metionina all'inizio (N-terminale), che può essere rimossa in seguito. Dopo la sintesi, la proteina subisce modificazioni che ne determinano la funzione e la destinazione nella cellula.

Durante l'allungamento, un tRNA carico entra nel sito A del ribosoma e il suo anticodone si lega al codone dell'mRNA. La subunità maggiore del ribosoma compie due reazioni: separa il tRNA dal suo amminoacido nel sito P e forma un legame peptidico tra l'amminoacido nel sito A e quello nel sito P. Il tRNA che ha ceduto la metionina si sposta nel sito E e poi si stacca. Un nuovo tRNA entra nel sito A e il processo continua, con il ribosoma che si sposta lungo l'mRNA.

Il processo inizia quando il tRNA, che trasporta la metionina, si lega al codone di inizio dell'mRNA. La metionina è sempre il primo amminoacido, ma può essere rimossa in seguito. Si forma un complesso di inizio con il tRNA e una subunità ribosomiale minore, che si lega all'mRNA. Poi, la subunità maggiore si unisce e il tRNA entra nel sito P del ribosoma, mentre il sito A si allinea con il secondo codone.

TERMINAZIONE

ALLUNGAMENTO

INIZIO

Le tappe

GRAZIE