IL DNA - LA SCOPERTA DI WATSON E CRICK, LA STRUTTURA DEL DNA, LA DUPLICAZIONE DEL DNA, TRASCRIZIONE, IL DNA VIENE COPIATO NELL'RNA, LA COSTRUZIONE DI

IL DNA

LA SCOPERTA DI WATSON E CRICK

All'inizio degli anni 50, James D. Watson e Francis Crick si incontrarono a Cambridge e iniziarono delle ricerche per scoprire la struttura del DNA. Grazie a lavori scientifici pubblicati su alcune riviste, i due ricercatori sapevano che il DNA è una catena di nucleotidi; esso inoltre ha 4 tipi di nucleotidi identici tra loro eccetto per le basi azotate che contengono: l'adenina, la citosina, la guanina e la timida. In qualsiasi molecola di DNA le basi azotate adenina e timida compaiono in quantità uguali così come la citosina e la guanina. Watson e Crick erano ansiosi di costruire un modello della molecola di DNA, ma non poterono farlo finchè non ebbero l'ultima informazione, data da Rosalind Franklin.

Nel tentativo di capire come fossero disposte le quattro subunità(A, T, C,G) la Franklin ottenne delle ure nitide del Dna usando la diffrazione a raggi X che permise di riprodurre delle immagini del DNA su pellicole fotografiche. Quando watson e Crick osservarono le fotografie a raggi X notarono una simmetria che indicava che la molecola poteva essere formata da due filamenti di DNA. Inoltre scoprirono che il DNA era una molecola a elica, simile a una scala piramidale. I due ricercatori scelsero di provare le loro ipotesi sulla struttura a elica costruendo dei modelli. Dopo aver costruito diverse strutture scorrette, riuscirono a capire che la struttura molecolare era una doppia elica.

Nel 1962 Watson e Crick ottennero il premio Nobel per questa loro scoperta.

LA STRUTTURA DEL DNA

Dall'immagine sopra riportata possiamo individuare 3 caratteristiche del DNA:

una molecola di DNA è formata da due catene nucleotidiche, orientate in direzione opposta

le due catene zucchero-fosfato formano l'esterno della molecola. Le basi attaccate alle strutture invece, sono rivolte verso l'interno e si uniscono al centro come i pioli di una scala

le basi A e T si accoppiano tra loro, mentre le basi G e C si accoppiano tra loro. Le basi sono tenute insieme da legami idrogeno che si formano tra una base azotata A e una T  o tra una base C e una G.

LA DUPLICAZIONE DEL DNA

La duplicazione del DNA si verifica nel nucleo cellulare. Il processo di duplicazione può essere suddiviso in tre fasi:

la separazione dei filamenti

l'accoppiamento delle basi complementari

l'unione

Poiché si avvii la duplicazione, i due filamenti della doppia elica del DNA devo prima srotolarsi e poi separarsi l'uno dall'altro. La separazione dei filamenti è catalizzata da degli enzimi che rompono le basi azotate legate tra loro.

Le basi disaccoppiate formano nuovi legami idrogeno con i nucleotidi liberi nel nucleo. Una base azotata A si accoppia solo con una base azotata libera T e una C si lega solo con una G libera, dunque, la sequenza di basi nel filamento originale specifica la sequenza del nuovo filamento in base alle regole dell'accoppiamento complementare.

L'unione delle basi azotate appena accoppiate dà origine a un nuovo filamento complementare al filamento iniziale, formando due nuove coppie eliche identiche alla doppia elica originale. L'unione delle nuove doppie eliche viene catalizzata da un enzima detto DNA- polimerasi.

Le tre fasi della duplicazione del DNA si ripetono su tutta la lunghezza della molecola di DNA e producono due molecole di DNA a doppia elica identiche alla molecola originaria. Ciascun nuovo DNA ha una sequenza di basi azotate identiche alla sequenza di basi dell'origine.

Nella duplicazione possiamo trovare due elementi fondamentali:

una molecola detta iniziatore, che definisce il punto nel quale avrà inizio la sintesi. L'iniziatore è un tratto di RNA o DNA a filamento singolo che si lega a una specifica regione.

I due filamenti di Dna formati hanno certe differenze poiché l'enzima polimerasi può sintetizzare il DNA solo in una direzione. Un filamento viene sintetizzato continuamente in una direzione,mentre l'altro verrà prodotto in modo discontinuo.

TRASCRIZIONE, TRADUZIONE .

Un gene è un tratto di DNA che specifica una determinata proteina.

Nelle cellule le informazioni fluiscono in genere dal DNA all'RNA e poi da quest'ultimo passano alle proteine. Nella prima fase del percorso, chiamata trascrizione, il DNA codifica per l'RNA. Nella seconda fase chiamata traduzione l'RNA codifica per la struttura di una specifica proteina.

Nella trascrizione gli enzimi copiano una porzione di una molecola di DNA producendo una molecola di RNA. L'RNA è una molecola che conserva le informazioni e ha un struttura molto simile al DNA.  La parola trascrizione indica che le informazioni in un certo linguaggio (sequenza di basi del DNA) vengono copiate in un linguaggio simile (sequenza di basi complementari dell'RNA).

Nel processo di traduzione il contenuto informativo di una molecola di RNA (messaggero) viene tradotto dai ribosomi in sequenza specifiche di amminoacidi. Si chiama traduzione poiché l'informazione viene tradotta dal linguaggio degli acidi nucleici a quello delle proteine.

La trascrizione, poiché copia il DNA in RNA avviene nel nucleo, dove risiede il DNA; allo stesso modo la traduzione avviene nel citoplasma, cioè dove risiedono i ribosomi. Dopo essere stato trascritto nel nucleo, l'RNA attraversa i pori della membrana nucleare ed entra nel citoplasma. Qui si lega ai ribosomi che lo traducono in molecole proteiche.

TRASCRIZIONE: IL DNA VIENE COPIATO NELL'RNA

Un gene è una porzione di una molecola di DNA che viene copiato in una molecola di RNA insieme a una sequenza che regola dove e quando le cellule usano quel gene.

La trascrizione è invece la sintesi di un RNA a filamento singolo in base alle indicazioni del DNA.

Anche l'RNA come il DNA è formato da una lunga stringa di nucleotidi collegati da strutture di sostegno di zuccheri e fosfati. Tuttavia l'RNA:

può spostarsi dal nucleo al citoplasma per svolgere il suo compito di sintesi delle proteine;

contiene lo zucchero ribosio invece del deossiribosio (un atomo di zucchero in più);

l'RNA contiene la base azotata Uracile invece della Timida, che si accoppia con l'Adenina;

in genere l'RNA è formato da un solo filamento di nucleotidi mentre il DNA è formato da un doppio filamento; vi sono però eccezioni;

le molecole di RNA sono molto più corte di quelle di DNA; infatti ciascuna molecola di DNA trasporta migliaia di geni mentre ciascuna molecola di RNA trasporta le informazioni relative a un solo gene.

Comprende tre fasi fondamentali: la separazione dei filamenti di DNA, l'accoppiamento delle basi complementari, l'unione dei nucleotidi.

All'inizio della trascrizione gli enzimi srotolano e separano porzioni della doppia elica di DNA vicino a un'estremità del gene. Per ciascun gene solo uno dei due filamenti separati serve da modello per la formazione di un filamento complementare di RNA (l'altro si fa da parte). Una certa sequenza di nucleotidi chiamata promotore definisce il punto in cui l'RNA polimerasi (enzima di copiatura dell'RNA) si lega al DNA e quindi dove comincia una nuova copia.

I nucleotidi contenenti il ribosio si dispongono intorno al DNA separato e si accoppiano con i nucleotidi complementari su quel filamento.

L'enzima RNA polimerasi unisce tra loro i nucleotidi adiacenti mentre altri nucleotidi di RNA si accoppiano con le loro basi complementari nel filamento del DNA e l'enzima li unisce formando il filamento di RNA. Una molecola completa di RNA contiene circa 1400 nucleotidi e il meccanismo enzimatico riesce ad assemblare circa 30 nucleotidi al secondo. L'RNA polimerasi smette di trascrivere quando incontra un segnale di stop, una specifica sequenza di nucleotidi del DNA. A trascrizione completata il DNA si riavvolge ed è disponibile per produrre altre copie di RNA.

durante la duplicazione viene copiato tutto il DNA mentre durante la trascrizione se ne copia solo una porzione;

durante la duplicazione vengono copiati entrambi i filamenti, mentre durante la trascrizione ne viene trascritto solo uno;

durante la duplicazione viene eseguita una sola copia di ciascun gene mentre durante la trascrizione lo stesso gene può essere copiato migliaia di volte;

la duplicazione avviene solo nella fase S del ciclo cellulare, mentre la trascrizione si verifica in qualsiasi momento del ciclo.

TRADUZIONE: LA COSTRUZIONE DI UN POLIPEPTIDE .

Ci sono tre tipi di RNA:

- RNA messaggero: trasporta le informazioni genetiche dal DNA del nucleo ai ribosomi nel citoplasma dove dirige la sintesi proteica. L'RNA diventa mRNA quando vengono eliminati gli introni. Esso trasporta le stesse informazioni del gene ma in forma complementare.

- RNA transfer: raccoglie gli amminoacidi del citoplasma e li allinea su un ribosoma nell'ordine esatto specificato dal mRNA. Queste funzioni di raccolta e di riordino si verificano ai poli opposti della molecola di RNA. A un'estremità uno specifico enzima catalizza una reazione che attacca il tRNA a uno dei 20 amminoacidi, mentre all'altra estremità un gruppo di nucleotidi unisce il tRNA a una specifica posizione nell'RNA. Ciascuna molecola di RNA trasporta un solo tipo di amminoacidi; devono esserci quindi almeno 20 diversi RNA (alcuni AA possono essere trasportati da più di un tipo di tRNA). Le catene di tRNA sono lunghe circa 75 nucleotidi.

Durante la sintesi proteica la sequenza di tre basi adiacenti sull'mRNA specificano l'inserimento di un particolare amminoacido. Una serie di tre nucleotidi nell'mRNA che specifica la posizione di un amminoacido in una proteina si chiama codone.

Poiché il tRNA riconosce un codone dell'mRNA deve avere una sequenza complementare ad esso. Questa porzione si chiama anticodone ed è formata da tre nucleotidi adiacenti nel tRNA che si legano a un codone dell' mRNA.

L'accoppiamento di codone e anticodone è il meccanismo grazie a cui gli amminoacidi si allineano nella sequenza giusta durante la sintesi proteica. L'ordine dei codoni dell'mRNA specifica l'ordine in cui i tRNA porteranno e allineeranno gli amminoacidi; una volta allineati verranno uniti l'uno all'altro dall'RNA ribosomiale.

- RNA Ribosomiale: lavora insieme agli altri due tipi di RNA per tradurre le informazioni genetiche in proteine. I ribosomi sono costituiti per metà da proteine e per metà da rRNA. I ribosomi aiutano il collegamento degli amminoacidi tra loro, formando una catena polipeptidica sempre più lunga.

La costruzione di una catena polipeptidica comprende quattro fasi: l'innesco, l'allungamento, la terminazione e il rilascio.

Durante l'innesco Le strutture necessarie per la sintesi delle proteine si assemblano per formare il banco di lavoro, cioè il ribosoma. Le due subunità ribosomiali si uniscono sull' mRNA, quindi il primo tRNA si sposta sull'mRNA e vi si lega.

Durante l'allungamento entra in scena il successivo tRNA allineando il suo AA con il precedente, e il ribosoma unisce tra loro gli AA con legami peptidici. Intanto il primo tRNA viene espulso mentre il ribosoma si sposta di un codone lungo l'mRNA e l'allungamento continua.

La terminazione della catena avviene quando il ribosoma raggiunge un codone di arresto. a questo punto una proteina detta fattore di arresto si lega al complesso ribosoma-mRNA bloccando in un punto preciso il processo.

Infine nella fase del rilascio il polipeptide si stacca dal ribosoma e il banco di lavoro si dissembla

IL CODICE GENETICO .

Tramite la creazione di DNA sintetico, è stato scoperto il codice genetico ovvero l'insieme di 64 triplette (4alla terza) diverse ognuna delle quali da l'informazione per un amminoacido. Anche se 64 è diverso da 20, alcuni AA possono essere codificati da più triplette (2,4,6 . ) diverse.

Alcune triplette non danno informazione per niente, ma danno il segnale di stop, ovvero bloccano la trascrizione del gene.  L'unica amminoacido che viene codificato solo da una tripletta è la metionina che segna l'inizio della trascrizione.

Se per errore si inserisce una base la proteina può cambiare; ma vi sono molte possibilità che rimanga identica poiché il fatto che lo stesso AA sia codificato da più triplette riduce la possibilità che un errore modifichi la sequenza proteica. (codice genetico ridondante, ripetitivo, ed è universale, ovvero in ogni genere la stessa sequenza indica la stessa proteina).