Mitosi e meiosi e Gametogenesi | Appunti di Biologia

IL DNA E LA SINTESI PROTEICA

Il primo ad isolare il DNA fu il biochimico svizzero Miescher che, nel 1869, individuò una

sostanza microscopica contenuta nel pus di bende chirurgiche utilizzate, che chiamò

nucleina.

Qualche anno dopo, nel 1919, Levene individuò la struttura del nucleotide, composta da

base azotata, zucchero e fosfato.

Gli esperimenti di Fredrick Griffith nel 1928 su Streptococcus pneumoniae hanno

dimostrato la presenza di un «principio trasformante» ereditabile.

Nel 1953 Alfred Hershey e Martha Chase scelsero un virus, il batteriofago T2, per

determinare quale dei componenti virali (DNA o proteine) sarebbe penetrato nel batterio

Escherichia coli.

Tali scienziati, grazie alla diversa composizione di proteine (ricce di zolfo) e DNA (ricco di

fosforo), dimostrarono che il materiale con ruolo ereditario è il DNA; esso penetra nelle

cellule batteriche e trasmette ai batteri infettati le informazioni genetiche necessarie a

produrre nuovi virus.

Inoltre, sempre nel 1953, grazie agli studi Franklin,Watson eCrick venne presentato il

primo modello della struttura del DNA, ossia il modello a doppia elica come lo conosciamo

oggi.

Il DNA, ad oggi, si presenta con una struttura a doppia elica poiché le basi azotate di

CATENE POLINUCLEOTIDICHE differenti si appaiano in maniera complementare mediante

legami idrogeno.

Inoltre, la molecola di DNA riesce a stare in spazi così ristretti grazie ad un complesso

meccanismo di ripiegamenti e avvolgimenti che prende il nome di spiralizzazione. La

spiralizzazione del DNA è possibile grazie alla presenza di proteine chiamate ISTONI che

interagiscono con il DNA formando un complesso detto NUCLEOSOMA. I nucleosomi si

compattano formando avvolgimenti sempre più ampi, che progressivamente si organizzano

a dare le fibre superavvolte della CROMATINA. Le fibre di cromatina si ripiegano con

andamento a spirale; le anse della spirale si compattano ulteriormente formando un

CROMOSOMA il quale è formato da un CROMATIDIO. I cromosomi possono essere

evidenziati solo durante la fase di mitosi della divisione cellulare. I cromatidi si duplicano

dopo la sottofase S della duplicazione del DNA diventando cromatidi fratelli, uniti in un punto

centrale detto CENTROMERO.

La molecola presenta tre importanti caratteristiche:

1. Le due catene sono complementari e antiparallele: infatti in ogni catena

polinucleotidica lo scheletro zuchchero-fosfato che forma le catene esterne della

doppia elica, ogni gruppo fosfato fa da ponte tra due zuccheri legandosi

rispettivamente al terzo carbonio e al quinto carbonio. Questo comporta che il legami

siano asimmetrici e antiparalleli: in una doppia elica l’estremità 5’ di un filamento

corrisponde all’estremità 3’ dell’altro filamento.

2. I legami tra i nucleotidi all’interno di ciascuna catena sono legami covalenti, più

precisamente legami fosfodiesterici, mentre quelli che uniscono due filamenti

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IL DNA E LA SINTESI PROTEICA

Il primo ad isolare il DNA fu il biochimico svizzero Miescher che, nel 1869, individuò una sostanza microscopica contenuta nel pus di bende chirurgiche utilizzate, che chiamò nucleina. Qualche anno dopo, nel 1919, Levene individuò la struttura del nucleotide, composta da base azotata, zucchero e fosfato. Gli esperimenti di Fredrick Griffith nel 1928 su Streptococcus pneumoniae hanno dimostrato la presenza di un «principio trasformante» ereditabile. Nel 1953 Alfred Hershey e Martha Chase scelsero un virus, il batteriofago T2, per determinare quale dei componenti virali (DNA o proteine) sarebbe penetrato nel batterio Escherichia coli. Tali scienziati, grazie alla diversa composizione di proteine (ricce di zolfo) e DNA (ricco di fosforo), dimostrarono che il materiale con ruolo ereditario è il DNA; esso penetra nelle cellule batteriche e trasmette ai batteri infettati le informazioni genetiche necessarie a produrre nuovi virus. Inoltre, sempre nel 1953, grazie agli studi Franklin , Watson e Crick venne presentato il primo modello della struttura del DNA , ossia il modello a doppia elica come lo conosciamo oggi. Il DNA, ad oggi, si presenta con una struttura a doppia elica poiché le basi azotate di CATENE POLINUCLEOTIDICHE differenti si appaiano in maniera complementare mediante legami idrogeno. Inoltre, la molecola di DNA riesce a stare in spazi così ristretti grazie ad un complesso meccanismo di ripiegamenti e avvolgimenti che prende il nome di spiralizzazione. La spiralizzazione del DNA è possibile grazie alla presenza di proteine chiamate ISTONI che interagiscono con il DNA formando un complesso detto NUCLEOSOMA. I nucleosomi si compattano formando avvolgimenti sempre più ampi, che progressivamente si organizzano a dare le fibre superavvolte della CROMATINA. Le fibre di cromatina si ripiegano con andamento a spirale; le anse della spirale si compattano ulteriormente formando un CROMOSOMA il quale è formato da un CROMATIDIO. I cromosomi possono essere evidenziati solo durante la fase di mitosi della divisione cellulare. I cromatidi si duplicano dopo la sottofase S della duplicazione del DNA diventando cromatidi fratelli, uniti in un punto centrale detto CENTROMERO. La molecola presenta tre importanti caratteristiche:

Le due catene sono complementari e antiparallele: infatti in ogni catena polinucleotidica lo scheletro zuchchero-fosfato che forma le catene esterne della doppia elica, ogni gruppo fosfato fa da ponte tra due zuccheri legandosi rispettivamente al terzo carbonio e al quinto carbonio. Questo comporta che il legami siano asimmetrici e antiparalleli: in una doppia elica l’estremità 5’ di un filamento corrisponde all’estremità 3’ dell’altro filamento.
I legami tra i nucleotidi all’interno di ciascuna catena sono legami covalenti, più precisamente legami fosfodiesterici, mentre quelli che uniscono due filamenti

appaiati sono legami a idrogeno, doppi nel caso delle basi puriniche e tripli nel caso delle basi pirimidiniche.

L’elica ha diametro costante e avvolgimento destrogiro. Il materiale genetico nei procarioti è costituito da un'unica molecola circolare di DNA, sparsa nel citoplasma e compattata su sè stessa. Il DNA infatti nei batteri può raggiungere anche 1 mm di lunghezza, quindi deve essere avvolto e compattato per stare rinchiuso in uno spazio mille volte più ristretto. Il DNA si trova connesso alla membrana cellulare in alcune introflessioni della stessa, dette mesosomi. Il mesosoma fornisce l'ATP necessario per l'apertura della doppia elica all'inizio della duplicazione del DNA. A volte oltre il DNA troviamo anche dei piccoli DNA circolari, detti PLASMIDI. I plasmidi possono conferire alla cellula ulteriori caratteristiche (come la resistenza a antibiotici) e si replicano in maniera autonoma. Probabilmente sono il residuo preistorico di inglobamento di cellule più piccole da parte dei batteri. Il DNA è l’unica biomolecola in grado di autoreplicarsi. Tale processo che porta alla formazione di due molecole identiche è fondamentale. Deve avvenire prima che ogni cellula dia origine a due cellule figlie per far sì che il patrimonio genetico della cellula raddoppi e possa essere così suddiviso equamente ( eredità biologica ). Il processo di replicazione porta alla separazione dei due filamenti di DNA. Ognuno diventa uno stampo su cui costruire un nuovo filamento complementare. Le due nuove molecole saranno così formate da un vecchio e da un nuovo filamento. Da qui il nome di REPLICAZIONE SEMICONSERVATIVA. Il processo di replicazione però è molto più complesso e delicato di quello che può sembrare apparentemente perché richiede numerosi enzimi ed è quindi soggetto ad errori. Per fortuna esistono meccanismi di controllo multipli che assicurano che ogni filamento neoformato sia una copia fedele di quello originario, salvo rarissime eccezioni. La replicazione del DNA inizia sempre da specifiche sequenze di basi che sono particolarmente ricche di timina e adenina, basi azotate legate tra di loro solo da due legami a idrogeno. Quindi più facilmente scindibili rispetto alle tre che legano la guanina con la citosina. Tali sequenze di basi sono chiamate origini di replicazione e nel genoma umano ne esistono circa 10.000. Sarebbe impossibile per il DNA umano avere una sola origine di replicazione considerato che abbiamo 46 cromosomi, cioè 46 molecole di acido desossiribonucleico per un totale di 3,2 miliardi di coppie di basi azotate. Esistono quindi diverse origini di replicazione distanziate da migliaia o centinaia di migliaia di sequenze di basi azotate e sono distribuite nei vari cromosomi. Durante la replicazione se ne attivano contemporaneamente a batterie di 20 - 80 alla volta. Vediamo ora l’intero processo:
Attivazione delle origini di replicazione grazie a proteine specifiche;
Il DNA si srotola grazie all’intervento dell’enzima topoisomerasi ;
L’enzima ELICASI scinde i legami idrogeno tra basi azotate e da origine alla forcella di replicazione dove le due eliche si separano;
Avviene la sintesi dei nuovi filamenti; vengono dapprima sintetizzati dei corti segmenti di RNA ( PRIMER ) che avviano l’attività della DNA POLIMERASI ; quest’ultima però lavora solo in direzione 5’-3’ quindi il neo filamento formato si

complementare una molecola di mRNA. Il processo con cui si forma questo RNA si chiama TRASCRIZIONE , e coincide dunque con la sintesi del RNA. All’interno di ciascun gene viene trascritto uno solo dei due filamenti del DNA, il filamento stampo. La trascrizione si articola in tre fasi:

Inizio: il primo stadio, che dà inizio alla trascrizione, richiede un PROMOTORE , cioè una particolare zona del DNA; ciascun promotore è composto da diverse sequenza, tra le quali la TATA box ricca di adenina e timina, basi azotate legate da due legami a idrogeno, dunque facilmente scindibili. Dalla TATA box ha inzio la trascrizione con l’intervento dei fattori generali di trascrizione, proteine regolatrici che inducono dei cambiamenti conformazionali nel DNA e a cui si lega l’RNA polimerasi. I promotori «dicono» all'RNA polimerasi tre cose: da dove far partire la trascrizione, quale filamento del DNA trascrivere e in quale direzione procedere. Uno dei fattori di trascrizione, poi, apre la molecola di DNA e l’RNA polimerasi inizia a unire i nucleotidi formando il nuovo filamento di RNA usando il DNA come stampo.
Allungamento: dopo che I'RNA polimerasi si è legata al promotore, incomincia il processo dell'allungamento. La RNA polimerasi apre il DNA a circa 10 basi per volta e legge il filamento di stampo in direzione 3'-5';
Terminazione: si verifica quando la RNA polimerasi, scorrendo lungo il DNA, incontra delle particolari sequenze dette terminatrici. A questo punto il filamento di RNA viene rilasciato e va incoronato a modifiche che lo trasformano in mRNA mentre la RNA polimerasi si dissocia dal complesso. Terminata la trascrizione molecola di pre-mRNAsi presenterà cosi modificata: all’estremità 5’ è stato aggiunto un cappuccio (mediante capping) cioè un nucleotide modificato nel quale all’adenina è legato un gruppo metile, mentre all’estremità 3’ la Poli-A polimerasi sintetizza una catena lunga circa 200 nucleotidi contenente la base adenina con la funzione di conferire stabilità alla molecola soprattutto nell’ambiente citoplasmatico. Le cellule eucariote, a questo punto, vanno incontro a ulteriori modificazioni; infatti, la catena di RNA è costituita da sequenze alternate chiamate introni ed esoni, di cui solo questi ultimi sintetizzano le proteine. Avviene quindi lo SPLICING che elimina le sequenze di introni e unisce quelle di esoni. Il processo continua con la TRADUZIONE che permette di tradurre l’mRNA in catene polipeptidiche. La traduzione delle informazioni portate dall'mRNA avviene nei ribosomi formati da due unità composte da rRNA e proteine. La traduzione richiede anche la presenza di tRNA che ha la funzione di garantire che la proteina fabbricata sia quella specificata dall'mRNA. Il tRNA presenta su un'estremità il sito di attacco dell’ amminoacido specifico mentre dalla parte opposto è presente un anticodone, cioè tre nucleotidi che si associando in maniera complementare a tre nucleotidici presenti sull’mRNA. Il legame tra tRNA e amminoacido è realizzato da una famiglia di enzimi attivanti noti come amminoacil-tRNA-sintetasi. Ogni enzima attivante è specifico per un solo amminoacido e per il suo tRNA corrispondente. Grazie alla sua struttura tridimensionale, il tRNA viene riconosciuto dall'enzima attivante in modo assolutamente specifico, con un tasso di errore molto basso. La traduzione ha inizio con un fattore di inzio che si lega alla subunità minore del ribosoma; insieme si legano all’estremità 5’ del mRNA. La subunità scorre in direzione 5’-3’ fino a

quando non incontra un particolare cordone detto di inizio (AUG) al quale si lega un tRNA iniziatore con basi UAC e che lega sempre all’amminoacido metionina, mentre un’altra proteina completa la formazione del complesso. Dopo che è avvenuto il riconoscimento i fattori di inzio si dissociano e si associa la subunità maggiore del ribosoma. A questo punto inizia la fase di allungamento: il tRNA iniziatore si trova in una regione del ribosoma detto sito P, affiancato dal sito A che è il punto di arrivo del successivo tRNA. I due amminoacidi legati ai tRNA si trovano vicini e si legano mediante legame peptidico. Il secondo tRNA con i due amminoacidi si sposta dunque al sito P mentre l’altro tRNA ormai scarico si sposta al sito E; quest’ultimo da qui esce dal ribosoma e torna nel citoplasma dove un enzima lo lega a una nuova metionina. Il ciclo si ripete e la catena polipeptidica si allunga progressivamente fino alla fase di terminazione che avviene quando il ribosoma incontra i codoni di stop; quando un cordone di stop si trova nel sito P al ribosoma si legano alcune proteine note come fattori di rilascio. Questo legame modifica l’attività del ribosoma che separa la catena polipeptidica dal tRNA. Le due subunità del ribosoma e il tRNA si dissociano e parteciperanno a un altro ciclo proteico.

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