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La struttura molecolare del DNA Una molecola di DNA è formata da due catene polinucleotiche, formate da nucleotidi, complementari ed anti parallele, che formano una doppia elica. I legami tra nucleotidi all’interno di ciascuna catena sono legami covalenti, mentre quelli che uniscono le due catene so...

La struttura molecolare del DNA Una molecola di DNA è formata da due catene polinucleotiche, formate da nucleotidi, complementari ed anti parallele, che formano una doppia elica. I legami tra nucleotidi all’interno di ciascuna catena sono legami covalenti, mentre quelli che uniscono le due catene sono legami ad idrogeno. I legami fra nucleotidi della stessa catena avvengono tramite il gruppo fosfato che si lega al carbonio 5’ di un nucleotide e al carbonio 3’ del nucleotide precedente. Le due catene, complementari, sono tenute assieme dei legami a idrogeno che avvengono fra le basi. Trascrizione e traduzione Per spiegare come l’informazione passa dal nucleo al citoplasma, si propose che da un filamento di DNA di un particolare gene si formasse una copia complementare di RNA. L’RNA messaggero si sposta dal nucleo al citoplasma, dove serve da stampo per la creazione di proteine. Per spiegare come una sequenza di DNA si trasforma nella sequenza dí amminoacidi di un polipeptide, Crick ipotizzò l’esistenza di una molecola adattatrice capace di legarsi in modo specifico ad un amminoacido e di riconoscere una sequenza di nucleotidi, la immaginò provvista di due regioni, una che svolge la funzione di legame e un’altra che svolge la funzione di riconoscimento. tRNA RNA L’intermediario fondamentale fra il DNA di un particolare gene e il polipeptide è l’RNA, acido ribonucleico. Differisce dal DNA per tre aspetti. 1. L’RNA è formato, generalmente, da un singolo filamento 2. La molecola di zucchero presente nel RNA è il ribosio, invece del desossiribosio 3. La Timina è sostituita dal Uracile L’RNA pur essendo un singolo filamento può ripiegarsi su se stesso e assumere varie forme diverse RNA messaggero, l’intermediario che porta le le informazioni genetiche dal DNA ai ribosomi RNA transfert, è l’adattatore che porta gli amminoacidi ai ribosomi, e li colloca nella posizione corretta RNA ribosomiale, entra a far parte dei ribosomi e permette di realizzare la sintesi proteica, quindi ha ruolo di struttura funzionale. La trascrizione Al interno di ciascun gene viene trascritto solo uno dei due filamenti di DNA, il filamento stampo. Il processo di trascrizione è diviso in tre stadi: inizio, allungamento e terminazione. L’inizio richiede un promotore, una speciale sequenza di DNA alla quale si lega saldamente la RNA polimerasi. I promotori sono importanti perché dicono alla RNA polimerasi tre cose: da dove iniziare, quale filamento trascrivere e verso dove procedere, non tutti i promotori sono uguali, alcuni sono più efficaci di altri a dare inizio alla trascrizione. Ed esistono differenze fra promotori eucarioti e procarioti. Un promotore procariote possiede due sequenza fondamentali, la sequenza di riconoscimento e la tata box Nei promotori eucarioti l’RNA polimerasi non è in grado di legarsi semplicemente al promotore e di iniziare a trascrivere, infatti essa si lega al DNA soltanto dopo che sul cromosoma vengono associate varie proteine regolatrici dette fattori di trascrizione. Il primo si lega alla tata box, inducendo un cambiamento di forma sia di sé che del DNA, favorendo così il legame di altri fattori, che andranno a formare il complesso di trascrizione. Alcune sequenze, come la tata box, si trovano facilmente nei promotori invece altre sequenze sono specifiche di particolari geni e vengono riconosciute da fattori di trascrizione presenti in particolari tessuti, che svolgono un ruolo importante nel differenziamento, la specializzazione, delle cellule durante lo sviluppo. Dopo che l’RNA polimerasi si è legata al promotore, comincia la seconda fase, l’allungamento: La RNA polimerasi apre il DNA, legge il filamento stampo e aggiunge nuovi nucleotidi, senza aver bisogno di un primer d’inizio, il nuovo RNA si allunga in modo antiparallelo al filamento stampo del DNA. Infine l’RNA polimerasi smette di aggiungere nucleotidi al trascritto una volta trovata una particolare sequenza che ne stabilizza la terminazione. Negli eucarioti il primo prodotto della trascrizione, il trascritto primario, è più lungo del mRNA ed a esso spetterà un lungo processo di trasformazione. Il codice genetico Il linguaggio del codice genetico consiste nelle sequenze di nucleotidi che compone l’RNA, che contiene le informazioni necessarie per reclutare e mettere n ordine gli amminoacidi. Ogni sequenza di tre basi lungo la catena polinucleotidica dell’RNA è un unità di codice, codone, che ha il compito di specificare un particolare amminoacido. Ciascun clone è complementare alla tripletta corrispondente di DNA da cui viene trascritto. Sono presenti 64 combinazioni di codoni, che specificano 20 amminoacidi. In particolare vediamo la metionina, il codone d’inizio(AUG) che ha il compito di avviare la traduzione, possiamo anche individuare tre codoni di stop che determinano la terminazione della traduzione (UAA, UAG, UGA). Il codice genetico ha due caratteristici principali: È degenerato ma non ambiguo, ciò significa che è degenerato perché più codoni sintetizzano lo stesso amminoacidi e non è ambiguo perché un codone non sintetizza più amminoacidi. Il codice genetico è universale, un codone sintetizza lo stesso amminoacido in quasi tutte le specie, ciò sta a significare che il codice genetico deve essersi affermato in un tempo remoto ed è restato immutato nel evoluzione. Una delle eccezioni che conosciamo è presente nei mitocondri dei cloroplasti che con i codoni UAA e UAG codificano la glutammina anziché funionare da codoni di stop. tRNA Il compito del tRNA è quello di mettere in relazione l’informazione contenuta nei codoni di mRNA con specifici amminoacidi delle roteine. Per legare correttamente i codoni dell’mRNA il tRNA svolge tre funzioni: 1. Si carica di un amminoacido 2. Sì associa alle molecole di mRNA 3. Interaffisce con i ribosomi Per ognuno dei 20 ammino acidi è presente una molecola specifica di tRNA, ognuno contiene circa 75-80 nucleotidi e presenta una configurazione che è mantenuta a da legami a idrogeno fra i tratti che contengono le basi. Ogni molecola di tRNA contiene un sito d’attacco chiamato anticodone, che contiene le basi complementari al codone “letto” Gli enzimi attivanti Il caricamento di ciascun tRNA con l’ amminoacido corrispondente è realizzato fa una famiglia di enzimi noti come amminoacial-tRNA-sintetasi. Ogni enzima è corrispondente ad un amminoacido e all suo tRNA corrispondente, grazie alla sua struttura tridimensionale il tRNA viene riconosciuto con un tassi di errore molto basso, ciò vale anche per l’amminoacido circa 1 su 1000. L’amminoacido si attacca all’ estremità 3’ del tRNA con un legame ricco d’energia che permette l tRNA di caricarsi a sufficienza per la formazione del legame peptidico che manterrà uniti gli amminoacidi adiacenti. I Ribosomi nella traduzione I ribosomi hanno un ruolo determinate nella sintesi proteica, sono strutture complesse riescono ad assemblare correttamente una catena polipeptidica trattenendo nel posto giusto mRNA e tRNA, pur nn essendo dei veri organuli. I ribosomi non sono specifici per la sintesi di un polipeptide ma di tutta la sequenza, che viene specificata solo nella sequenza lineare dei codoni di mRNA. Ogni ribosoma è costituito da una subunità maggiore ed una minore. Quella maggiore è composta da tre molecole di RNA ribosomiale e 45 molecole proteiche differenti, quella minore da una sola molecola di rRNA e 33 molecole proteiche. Nei procarioti sono un po' più piccolo e contendono proteine ed RNA diversi. Sulla subinità maggiore si trovavano tre siti di legame ed il tRNA; Nel sito A (amminoacilico) l’antico donne del tRNA carico si lega al codone del mRNA, allineando l’amminoacido che va aggiunto alla catena polipeptidica. Nel sito P (peptidico) i tRNA cede il proprio amminoacido alla catena Nel sito E (exit) viene a trovarsi il tRNA che ormai ha consegnato il proprio amminoacido, che tornerà nel citosol per raccogliere un altro amminoacido. Inizio della traduzione La traduzione avviene in tre fasi: inizio, allungamento e terminazione. Al codone d’inizio del mRNA (AUG) si lega l’anti codone del tRNA, caricato con la metionina che spesso si è rimossa dopo la traduzione da un enzima. La traduzione inizi con la formazione del complesso d’inizio, costituito da tRNA carico con la metionina e da una subunità ribosomiale minore, entrambi legati al mRNA. Dopo che il tRNA, carico di metionina, si è legato al mRNA la subinità maggiore si unisce al complesso. A questo punto il tRNA caricato i metionina scorre i nel sito P del ribosoma, mentre il sito A si allinea al secondo codone dell’ mRNA. Tutte queste componenti sono tenute assieme da un gruppo di proteine dette fattori d’inizio. L’allungamento Nel sito A rimasto libero entra un altro tRNA carico, di cui anti codone complementare col codone del mRNA. Nel sito P la subunità rompe il legame tra tRNA e il suo amminoacido Catalizza la formazione di un legame peptidico fra questo ammminoacido e quello attaccato nel sito A Dopo aver consegnato la propria metionina il primo tRNA si posta nel ito E, quindi si stacca dal ribosoma e viaggia nel citosol dove si caricherà di un’altra metionina. Il secondo tRNA prterà con se un dipeptide e slitterà nel sito P mentre il ribosoma si sposta di un codone di mRNA. Il processo continua seguendo queste tappe: Il successivo tRNA entra nel sito A L’amminoacido appena portato dal tRNA formerà un legame peptidico con la catena amminoacida precedente e si sposterà nel sito P Il tRNA nel sito P si sposterà nel sito E da dove verrà lasciato e il ribosoma avanza di un codone Terminazione La terminazione avviene quando nel sito A entra uno dei codoni di stop, che non si legano ad un tRNA ma ad un fattore di rilascio che consente l’idrolisi del legame fra il polipeptide e il tRNA del sito P. La catena polinucleotica rilasciata dal ribosoma a non è necessariamente già funzionale, avverranno una serie di modificazioni traduzionali. Mutazioni I mutageni possono essere sia naturali sia artificiali. Esempi di mutageni artificiali includono i nitriti, utilizzati come conservanti, che nei mammiferi possono trasformarsi in nitrosammine, composti fortemente mutageni. Tra i mutageni naturali vi è l’aflatossina, prodotta dalla muffa Aspergillus, che può causare mutazioni quando ingerita. Le radiazioni, sia artificiali che naturali, sono un’altra fonte di mutazioni, come dimostrato dagli effetti delle bombe atomiche in Giappone e anche la radiazione ultravioletta della luce solare può causare mutazioni. Molte sostanze cancerogene sono anche mutagene, come il benzopirene presente nel fumo di sigaretta e nel cibo cotto alla brace. Per migliorare la salute pubblica, sono stati implementati accordi internazionali come Il Protocollo di Montreal è l’unico accordo ambientale firmato da tutti i membri delle Nazioni Unite. Esso vieta l’uso dei clorofluorocarburi (CFC) e di altre sostanze che causano l’assottigliamento dello strato di ozono nell’alta atmosfera terrestre. La riduzione dello strato di ozono comporta un aumento della radiazione ultravioletta, che può provocare mutazioni somatiche e aumentare il rischio di cancro alla pelle.E leggi anti-fumo che limitano l’esposizione a sostanze cancerogene come il benzopirene. Malattie genetiche PKU Nel 1934 dalle urine di due fratelli con ritardo mentale fu trovato un eccesso di acido fenilpiruvico, un sotto prodotto inusuale dell’amminoacido fenilalanina. Solo due decenni dopo fu tracciata la causa molecolare che produceva la patologia che affliggeva i due bambini, fenilchetaurina(PKU). La malattia era dovuta a un’enzima, la fenilalanina idrolasi (PAH), che converte la Fenilalanina in Tirosona. L’enzima non è attivo da affetti di PKU, ciò porta un eccesso di Fenilalanina nel sangue. Questo cumulo può portatore a danni cerebrali e neurologici, poiché i livelli elevati di fenilalanina sono tossici per il sistema nervoso centrale. Da allora sono stati trovarti più di 400 mutazioni nella sequenza nucleotidica del gene PAH. Anemia falciforme L’anemica falciforme è causata da una mutazione di senso recessiva, un disoridine sanguinoso che infligge persone con antenati nei tropici e nel mediterraneo. Circa 1 su 655 afro americani è omozigote e porta la malattia. Nell’anemia falciforme uno dei 146 amminoacidi della beta globina è anormale, l’acido glutammico è sostituito da una valina. Ciò cambia la carica della proteina dato che l’acido glutammico è negativo e la valina positiva, fa assumere al emoglobina la forma di un aggregato lungo a forma di ago che produce globuli rossi falciforme, incapaci di trasportare ossigeno e com la tendenza a bloccassi nei capillari sanguigni, danneggiandoli e portando alla morte per collasso degli organi. Mutazioni somatiche e i tumori Nelle cellule tumorali si trovano spesso mutazioni che coinvolgono oncogeni o i geni soppressori dei tumori , che alterano la divisione cellulare portando l’espansione incontrollata del tumore. Il tumore del colon si sviluppa lentamente, il che ha permesso ai ricercatori di identificare le mutazioni che caratterizzano ciascuna fase della sua progressione. Perché questo tipo di tumore si manifesti, devono verificarsi almeno tre mutazioni ai geni soppressori e una ad un onogene. Anche se sembra improbabile che tutte queste mutazioni avvengano nella stessa cellula, bisogna considerare che il colon è rivestito da milioni di cellule che derivano da cellule staminali in costante divisione. Queste mutazioni possono accumularsi nel corso di molti anni a causa dell’esposizione a sostanze presenti negli alimenti, sia naturali sia sintetiche, che agiscono come mutageni. Di conseguenza, con il tempo, è possibile che una cellula accumuli tutte le mutazioni necessarie per trasformarsi in una cellula tumorale. Mutazioni, ambiente e malattie L’esempio del rumore al colon ci dice come molti fenotipi comuni siano multi fattoriali, cioè causati dall’interazione di molti geni e proteine con uno. O più fattori ambientali. Quando si studia la genetica si tende a dividere gli individui in anormali e normali, ma in realtà ogni individuo contiene milioni di variazioni genetiche che insorgono per mutazione, alcune stime indicano che il 60% della popolazione umana si affetta da malattie influenzate geneticamente.