DNA, RNA, duplicazione e sintesi proteica, Appunti di Biologia. Liceo Scientifico N. Copernico
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DNA, RNA, duplicazione e sintesi proteica, Appunti di Biologia. Liceo Scientifico N. Copernico

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Appunti sul DNA, RNA, duplicazione del DNA, codice genetico e sintesi proteica (trascrizione e traduzione). Integrati con gli appunti dell'insegnante.
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2. DNA, RNA, DUPLICAZIONE E SINTESI PROTEICA  Nel 1953 Watson e Crick individuarono la molecola del DNA che ha una struttura a doppia elica  costituita da due filamenti polinucleotidici avvolti a spirale attorno a un asse centrale. Ciò fu  particolarmente vantaggioso nelle ricerche scientifiche perchè:  1. E’ una struttura molto stabile che impedisce il deterioramento delle informazioni.  2. Implica una duplicazione molto facile.  3. E’ un grande contenitore di informazioni sia per gli organismi unicellulari sia per quelli  pluricellulari.  4. Possono avvenire mutazioni, cioè variazioni di informazioni di solito del tutto casuali che, se  positive, la natura fa in modo che rimangano stabili nel corredo cromosomico dell’individuo. 

 

L’ossatura di ogni filamento è data dall’alternarsi di zucchero,  gruppo fosfato, zucchero.. Mentre l’interno è dato  dall’appaiamento di 2 basi azotate: l’adenina con la timina (in  corrispondenza dei quali si formano 2 legami idrogeno) e citosina  con la guanina (si formano 3 legami idrogeno in posizioni fisse).  Inoltre adenina e guanina sono formate da un doppio anello,  citosina e guanina da uno solo, in modo tale che l’anello singolo si  unisca con quello doppio.    Ogni nucleotide è costituito da uno zucchero chiamato  deossiribosio a 5 atomi di carbonio. Le due catene di nucleotidi  sono antiparallele, ossia hanno un orientamento opposto: da  un’estremità si trova il nucleotide con il carbonio 5’ libero, all’altra  estremità rimarrà libero il carbonio 3’.   

Duplicazione DNA  Ciascuno dei due filamenti fa da stampo per la nuova elica:è definita ​semiconservativa​, in quanto  ogni nuova molecola conserva a metà la struttura vecchia e a metà un nuovo filamento che si  formerà su stampo del primo.  Questa duplicazione avviene solo una volta per generazione cellulare. Negli eucarioti è coordinata  con il ciclo cellulare e si verifica in una fase specifica detta ​fase S​. I punti di inizio della  replicazione si trovano in corrispondenza di sequenze specifiche di DNA, chiamate ​origini di  duplicazione​ (nei batteri è solo una, negli eucarioti di più).  Grazie a specifiche proteine che si legano al DNA, avviene l’apertura della doppia elica, formando  così ​la bolla di duplicazione​, un tratto in cui i 2 frammenti complementari sono separati. Aperta la  doppia elica, gli enzimi possono iniziare a leggere le sequenze scoperte. Ogni bolla alle sue  estremità presenta due ​forcelle di duplicazione​, assomiglianti ad una Y dove le due braccia  corrispondono ai filamenti separati mentre il gambo è il tratto di una ancora avvolto a elica.  Queste estendono il processo duplicativo in entrambe le direzioni (​bidirezionale​).    Il meccanismo di duplicazione del DNA avviene coinvolgendo una serie di enzimi:   

In corrispondenza delle forcelle di duplicazione si trova  la ​DNA-elicasi​ che si occupa di aprire l’elica e separare  i due filamenti, rompendo i legami idrogeno  Nel frattempo, la ​DNA-polimerasi​ rende possibile la  formazione di legami tra i nucleotidi adiacenti seguendo  le regole della complementarietà tra le basi. Inoltre, fa  in modo che la duplicazione proceda in un unica 

direzione e che la polimerizzazione non avvenga in modo autonomo, ma che intervenga l’enzima  primasi.  1. Unica direzione - ​Le DNA-polimerasi lavorano solo in direzione 5’ -> 3’. Quindi uno solo dei due  filamenti è orientato in modo corretto (detto continuo) e può essere duplicato in modo continuo.  Sull’altro filamento invece, il discontinuo, il processo prevede la ricorrente costruzione di certi  frammenti in direzione opposta a quella di avanzamento della forcella, detti ​frammenti di Okazaki​,  che poi dovranno essere uniti tra loro tramite la ​DNA-ligasi​ per costruire il nuovo filamento.  2. Polimerizzazione non autonoma - ​Siccome le DNA polimerasi non sono in grado di iniziare il  loro lavoro di polimerizzazione, interviene l’enzima ​primasi​, che costruisce una catena di  nucleotidi (primer) a cui poi si lega il lavoro della DNA polimerasi. Sul filamento discontinuo il  lavoro della primasi è richiesto ogni volta che si forma un nuovo frammento di Okazaki. I primer  essendo fatti di RNA dovranno poi essere “smontati” e sostituiti da DNA.  3. Correggere - ​Le DNA-polimerasi sono in grado di tornare sui loro passi per verificare la  correttezza degli appaiamenti complementari. Quando sbagliano, gli appaiamenti scorretti danno  orgine a delle ​mutazioni. 

  Sintesi proteica  I biologi attraverso i loro studi scoprirono che le informazioni contenute nei geni sono soprattutto  istruzioni per costruire le proteine che a loro volt “costruiscono” un organismo. Quindi la  disposizione delle basi azotate lungo i filamenti poteva fornire istruzioni per disporre nella giusta  sequenza gli amminoacidi durante il processo di costruzione (sintesi) di una proteina.  In tutte le cellule la sequenza sul DNA non è convertita direttamente in proteina:  1. Trascrizione -​ processo con cui viene prima prodotta una molecola di RNA complementare a  quella del gene. Questa porta le informazioni nel luogo in cui le proteine sono assemblate. Lo  studioso Crick formulò che l’informazione codificata nel DNA viene trasferita ad altre molecole di  DNA tramite duplicazione o nell’RNA, per poi passare alle proteine.  2. Traduzione -​ dopo la trascrizione del messaggio si passa alla sua traduzione in una sequenza di  amminoacidi, cioè si utilizza l’informazione trascritta per costruire una proteina.  L’informazione per ogni amminoacido non è contenuta in una sola base (altrimenti non si  spiegherebbe come da 4 nucleotidi si possano comporre 20 amminoacidi diversi) ma da una  tripletta di 3 basi consecutive (come una parola) detta ​codone​.    RNA  L’RNA differisce dal DNA per 3 aspetti:  1. E’ costituito da un singolo filamento ripiegabile su sè stesso  2. I suoi nucleotidi contengono lo zucchero ribosio e non deossiribosio  3. La base azotata uracile sostiuisce la timina.  In ogni cellula esistono diverse molecole di RNA che svolgono compiti diversi:  - RNA messaggeri (mRNA): ricalcano le informazioni contenute nei geni e le portano nel luogo in  cui le proteine vengono montate.  - RNA di traporto (tRNA): trasportano gli amminoacidi nel posto giusto e leggono i codoni sul  RNA-messaggero con un’apposita sequenza complementare detta anticodone  - RNA ribosomiale (rRNA): entrano a far parte dei ribosomi, organuli cellulari in cui avviene la  traduzione  - Piccoli RNA: svolgono ruoli minori durante i processi di traduzione e trascrizione    Codice Genetico  Dopo aver scoperto la molecola di DNA, gli studiosi tentarono di decifrare il codice genetico, cioè  la corrispondenza tra codoni e amminoacidi.   Il codice genetico venne decifrato dallo statunitense Nirmberg attraverso l’utilizzo di una provetta in cui aveva inserito tutto il necessario per la sintesi proteica e aveva prodotto poi una molecola di RNA con un unico tipo di nucleotide, scoprendo che questo polipeptide aveva un unico significato (fenilanina).

Ogni codice genetico ha le sue caratteristiche:  1. E’ ​ridondante​, in quanto un amminoacido può essere specificato da uno o più codoni ma allo  stesso tempo ad ogni codone corrisponde un solo amminoacido  2. E’ ​arbitrario​, in quanto non esiste una legge che stabilisce una corrispondenza obbligata tra  codone e amminoacido corrispondente.  3. E’ ​universale​, in quanto ogni codone ha lo stesso significato in organismi diversi (cellule diverse  leggono allo stesso modo una certa sequenza di DNA - unitarietà storica dei viventi)    La Trascrizione  E’ il processo con cui viene “copiata” una parte specifica di DNA per creare una proteina; viene  prodotta una molecola di ​RNA complementare​ a uno dei due filamenti di DNA; come la  duplicazione, anche la traduzione apre la doppia elica in corrispondenza di sequenze specifiche,  dette promotori. Ma, a differenza della duplicazione, la traduzione non coinvolge l’intera molecola  di DNA ma solo un gene, cioè un breve tratto della molecola in cui si trovano le istruzioni per  costruire una singola proteina o una della molecole di RNA.  La trascrizione è divida in 3 momenti:  1. Inizio: l’enzima RNA polimerasi individua il promotore, collocato in testa ad ogni gene, e vi si  lega per essere guidata; a volte il legame con il promotore richiede l’intervento di altre proteine  dette fattori di trascrizione.  2. Allungamento: si forma un polimero di ribonucleotidi identico al tratto di DNA. Si procede  sempre in direzione 5’ - 3’. Quando si forma il legame zucchero-fosfato si staccano 2 gruppi  fosfato.  3. Terminazione: a livello di specifiche ​sequenze di terminazione​ la molecola di RNA appena  formata viene rilasciata, l’RNA polimerasi si stacca e la doppia elica si richiude.    Il prodotto finale della trascrizione è detto trascritto primario e dopo una serie di trasformazioni  diventa un RNA messaggero. Nella trascrizione il ruolo dell’RNA è quindi di intermediario tra DNA  e proteine, ponendo in comunicazione i geni con i polipeptidi.    La traduzione  E’ il processo con cui avviene la vera e propria sintesi proteica; esso avviene nel citoplasma  attraverso i ribosomi. Le molecole di tRNA svolgono un ruolo essenziale: ognuna di esse è  ripiegata su se stessa grazie agli appaiamenti tra basi azotate e presenta due estremità essenziali  per la decodificazione delle informazioni:  - ​L’anticodone​: tripletta che riconosce il codone corrispondente sul mRNA  - ​Sito di legame per l’amminoacido​, che lega i monomeri alle proteine  Esistono 61 tRNA e ognuno di essi ha una struttura tale da poter leggere uno specifico codone da  una parte e legare il corrispondente amminoacido dall’altra.  1. Inizio: l’inizio del messaggio viene trovato dai ribosomi, strutture cellulari formate da due  subunità, costituite di rRNA e proteine. La subunità maggiore del ribosoma si unisce a quella  minore, formando una struttura capace di alloggiare due tRNA (carichi del loro amminoacidi), nei  due siti chiamati sito P e sito A.  2. Allungamento: forma un legame peptidico tra i due amminoacidi adiacenti. Il primo  amminoacido si stacca dal suo tRNA per legarsi al secondo amminoacido (legato al suo tRNA). Il  tRNA scarico si sposta in un terzo sito, detto sito E (exit), dove lascerà il ribosoma per andare a  ricaricarsi. Il tRNA carico, invece, si sposta nel sito P e il ribosoma avanza da un codone sul  mRNA. Nel sito A entra invece un nuovo tRNA carico del suo amminoacido.   Ogni mRNA forma quindi un poliribosoma, dove lavorano più ribosomi per costruire le proteine.  3. Terminazione: avviene quando nel sito A entra uno dei 3 codoni di stop, a cui si associa un  fattore di rilascio, perchè a questi codoni non corrisponde nessun tRNA. A questo punto il  polipeptide si sgancia anche dall’ultimo tRNA, e la sintesi della proteina sarà completata. 

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