LA MOLECOLA DEL DNA

Il DNA (Acido DesossiriboNucleico) è un acido nucleico, composto chimico di grande importanza,

presente in tutti gli organismi viventi, portatore dell'informazione genetica e depositario dei caratteri

ereditari. Da esso ha origine l'importantissima sintesi proteica, alla quale partecipa un altro acido

nucleico, l' RNA (Acido RiboNucleico).

Esistono tre principali tipi di RNA: RNA messaggero o mRNA, RNA ribosomico o rRNA, e l'RNA

di trasporto o tRNA. I tre tipi di acido ribonucleico interagiscono tra di loro provvedendo alle

sintesi proteiche della cellula.

Gli acidi nucleici sono lunghi polinucleotidi, ossia polimeri lineari, formati dall'unione di molte

unità denominate nucleotidi.

I nucleotidi sono a loro volta costituiti da tre componenti molecolari: una molecola di zucchero a

cinque atomi di carbonio, un gruppo fosfato e una molecola appartenente ad una gruppo di cinque

basi che definiscono cinque tipi diversi di nucleotidi: due basi puriniche, adenina e guanina e tre

basi pirimidiniche, timina, uracile e citosina. Nel DNA lo zucchero è il desossiribosio e le due basi

pirimidiniche sono solo timina e citosina . Nell'RNA sono presenti invece uracile e citosina.

Una lunga serie di nucleotidi si associa per formare una catena polinucleotidica che è costituita da

uno scheletro di gruppi fosfato e zuccheri alternati dal quale si irradiano lateralmente le basi

puriniche e pirimidiniche.

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STRUTTURA DEL DNA

La definizione della struttura a doppia elica del DNA è da attribuirsi a J.D. Watson e F.H.C. Crick

che nel 1953 pubblicarono sulla rivista Nature il loro modello strutturale, modello che rappresenta

una delle più importanti scoperte scientifiche del ventesimo secolo e che di fatto costituisce la pietra

miliare della moderna biologia molecolare.

Secondo questo modello, il DNA è composto da due catene polinucleotidiche che decorrono in

direzione opposta e sono avvolte a spirale a formare una doppia elica. Le due catene sono legate fra

loro mediante ponti idrogeno fra le basi.

La molecola è quindi formata da due assi laterali costituiti dai residui fosforici e di desossiribosio

alternati e da una porzione interna costituita dall' accoppiamento delle basi. Le due catene sono di

polarità opposta, cioé le posizioni 3' e 5' delle molecole di desossiribosio in una catena sono

orientate in direzione opposta a quella delle molecole della catena complementare.

L' accoppiamento delle basi sulle due catene è altamente specifico, nel senso che l'adenina di una

catena può appaiarsi soltanto con la timina della catena opposta mediante un doppio ponte idrogeno.

La guanina di una catena si appaia con la citosina della catena opposta mediante tre ponti idrogeno.

Questa proprietà delle due catene affrontate prende il nome di complementarità e le due catene sono

dette complementari.

Nonostante la relativa fragilità dei ponti idrogeno che legano ciascuna coppia di basi, ogni molecola

di DNA contiene un numero tale di coppie di basi, da impedire che la catena possa separarsi

spontaneamente in condizioni fisiologiche.

Le due catene della doppia elica possono essere considerate come una coppia di modelli, positivo e

negativo, ognuno dei quali specifica il rispettivo complemento per la sintesi di una catena

complementare che quindi sarà identica alla catena opposta. In tal modo le due molecole di DNA

figlie prodotte risultano identiche alla doppia elica madre. Il meccanismo di duplicazione del DNA

risulta così essere semiconservativo, in quanto delle due catene originarie una è conservata in

ciascuna delle due cellule figlie e l'altra è di nuova sintesi

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MECCANISMO MOLECOLARE DI DUPLICAZIONE

Il DNA è costituito da due catene polinucleotidiche avvolte a spirale a formare una doppia elica.

Le due catene sono collegate tra loro mediante ponti idrogeno tra le basi appaiate, sono

complementari e antiparallele, cioè le posizioni 3' e 5' delle molecole di desossiribosio in una catena

sono orientate in direzione opposta a quella delle molecole della catena complementare. Nella

terminologia corrente, un'estremità di ciascuna catena è comunemente indicata come terminazione

5' e quella opposta come terminazione 3'.

Il processo di duplicazione o replicazione del DNA è stato postulato da Watson e Crick nel 1953 e

successivamente confermato sperimentalmente con metodi biochimici. Secondo il modello

semiconservativo la duplicazione comporta le seguenti fasi:

Progressivo svolgimento delle due catene polinucleotidiche avvolte a spirale

Separazione delle catene per apertura dei ponti idrogeno tra basi complementari appaiate,

che le rende quindi libere di interagire con quelle dei nucleotidi presenti nell'ambiente

Sintesi, ad opera dell'enzima DNA polimerasi, su ogni catena separata di una catena nuova

complementare. Ognuna delle due catene parentali funziona da modello o stampo per la

sintesi di una catena nuova mediante appaiamento di nucleotidi complementari ai propri.

La DNA polimerasi può agire in una sola direzione, polimerizzando la molecola neoformata

dall'estremità 5' a quella 3'. Dato che le due catene del DNA sono antiparallele, la catena che

termina con 5' si replica con la formazione di piccoli frammenti nella direzione 5' 3' che si

riuniscono fra loro in un tempo successivo ad opera di un altro enzima, la polinucleotide ligasi

SINTESI PROTEICA

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Ogni cellula, ogni organismo, ogni specie è caratterizzata dalle proprie proteine: durante la sintesi

ogni cellula costruisce, infatti, delle proteine specifiche, che sono diverse da specie a specie, da

individuo a individuo (il trapianto di un organo da un individuo all’altro riesce difficile proprio per

questo motivo) e, spesso, nello stesso individuo sono diverse da un tipo di cellula all ’altra. In altre

parole, ogni cellula manifesta nella sintesi delle proteine un’individualità propria.

La sostanza che presiede alla sintesi delle proteine, è il DNA; mentre le proteine vengono

sintetizzate sui ribosomi presenti sul reticolo endoplasmatico e nel citoplasma.

Il codice viene trascritto: la sintesi dell’RNA

Sebbene le differenze strutturali fra DNA e RNA siano modeste, le funzioni espletate dai due acidi

nucleici sono notevolmente diverse: il DNA è il depositario dell’informazione genetica, l’RNA è

l’intermediario mediante il quale l’informazione, presente nel DNA, viene utilizzata per la

costruzione di proteine.

Il processo di sintesi delle proteine inizia con l’apertura della doppia elica del DNA; a mano a mano

che la doppia catena del DNA si apre, le basi di uno dei filamenti agiscono come uno stampo per la

sintesi della molecola di RNA: ad esse aderiscono i nucleotidi complementari a quelli del DNA, che

grazie alla presenza di enzimi specifici si legano tra loro. La molecola del RNA è dunque costituita

da una singola catena di nucleotidi, disposti secondo una sequenza di basi complementare alla

sequenza esistente sulla molecola di DNA che ha funzionato da stampo.

La molecola dell’RNA formatasi sullo stampo del DNA è detta RNA messaggero, o mRNA;

terminata la trascrizione, essa si stacca dal filamento del DNA, che riassume la forma di doppia

elica.

La proteina e' realizzata

Per arrivare alla sintesi di una proteina, quella voluta dalla sequenza scritta in codice sulla molecola

del DNA, la molecola dell’RNA messaggero deve ora essere tradotta.

Il processo di traduzione coinvolge altri due tipi di RNA: l’RNA ribosomiale (RNAr), che

costituisce quelle microstrutture cellulari che già riconosciamo con il nome di ribosomi, e l’RNA di

trasporto (RNAt).

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Il riconoscimento di un amminoacido da parte del suo RNA di trasporto, è un compito che viene

svolto con la massima precisione. Un enzima specifico per ogni amminoacido, infatti, attiva

l’amminoacido stesso, sia per farlo combinare con il proprio RNA di trasporto, sia per renderlo

disponibile per la sintesi proteica.

La sintesi di una molecola proteica avviene quando i ribosomi, scorrendo sull’RNA messaggero,

leggono il codice nella sequenza richiesta dal codice stesso e accolgono gli RNA di trasporto.

Gli RNA di trasporto, una volta portati a destinazione gli amminoacidi, tornano liberi e possono di

nuovo prendere dal citoplasma altri amminoacidi specifici richiesti da ulteriori procesi di sintesi.

La sintesi procede in tre fasi: inizio, crescita e termine del polipeptide.

L'inizio della sintesi vede i ribosomi legarsi al codone di inizio dell'mRNA, che indica il punto in

cui l'mRNA comincia a codificare la proteina. Questo codone è generalmente AUG (adenina-

uracile-guanina), ma codoni diversi sono frequenti nei procarioti. Negli eucarioti l'amminoacido

corrispondente al codone di inizio è la metionina.

Il tRNA iniziatore accoppia le sue basi con quelle del codone di avvio e si lega al sito P del

ribosoma. La subunità maggiore forma quindi un complesso con quella minore. A questo punto

avviene la crescita. Un nuovo tRNA entra sul sito A del ribosoma ed accoppia le sue basi con

quelle dell'mRNA. L'enzima peptidil transferasi crea un legame peptidico tra gli amminoacidi

vicini. Appena questo accade, l'amminoacido sul sito P si stacca dal suo tRNA e si lega al tRNA sul

sito A. Il ribosoma quindi si muove lungo l'mRNA spostando il tRNA dal sito A al sito P liberando

nel contempo il tRNA vuoto. Questo processo è noto come traslocazione.

Questo processo continua finché il ribosoma non incontra uno dei tre possibili codoni di arresto

(stop), dove avviene il termine. La crescita della proteina si interrompe e la proteina viene liberata

nel citoplasma.

La sintesi delle proteine può avvenire molto rapidamente. Questo avviene perché più ribosomi

possono legarsi ad un filamento di mRNA consentendo quindi la costruzione simultanea di più

proteine.

Negli eucarioti la traduzione avviene nel citoplasma mentre la trascrizione avviene nel nucleo

cellulare.

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CODICE GENETICO

È un sistema di corrispondenza tra basi azotate del DNA e amminoacidi.

Tale sistema nel corso della sintesi proteica permette l'interpretazione delle informazioni contenute

nella molecola di acido nucleico e la loro trasformazione in un precisa indicazione della sequenza

che gli amminoacidi devono avere nella proteina che è in via di formazione.

In particolare, il codice genetico è formato da 64 triplette (o codoni), ossia da 64 combinazioni di

tre basi azotate, ad esempio AAC, ATA, TCG e così via.

A ogni tripletta corrisponde un amminoacido: considerando le triplette degli esempi citati, gli

amminoacidi corrispondenti sono la leucina, la tirosina e la serina. Poiché gli amminoacidi sono

venti, e le possibili triplette sono 64, ne deriva che diverse triplette devono corrispondere a uno

stesso amminoacido.

Vi sono tre triplette non-senso, che cioè non corrispondono ad alcun amminoacido e che pongono

termine alla sintesi proteica, e una tripletta che costituisce un segnale di inizio della sintesi.

Il codice genetico viene definito universale, in quanto è comune a tutti i viventi, dagli animali alle

piante, ai batteri; tale sistema di decodificazione delle istruzioni contenute nel genoma è presente

anche nei virus; esso è anche detto ridondante, per il fatto che a un solo amminoacido possono

corrispondere diverse triplette.

Ricapitoliamo le caratteristiche del codice genetico:

È a triplette

Viene letto in modo continuo

È degenerato

Ha segnali di inizio e fine

È universale

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