L’anima delle cellule.

Riagganciamo un momento la nostra macromolecola. La doppia elica, le basi azotate, lo zucchero, i gruppi fosfato, i legami idrogeno fra purine e pirimidine…

È la struttura stessa della molecola, la sua organizzazione chimica che permette la trasmissione fedele dell’informazione genetica attraverso le generazioni. Nella complementarietà fra le basi impilate all’interno della doppia elica risiede la capacità del DNA di duplicarsi, fornire copie esatte di se stesso. La duplicazione avviene a ogni divisione cellulare, in modo tale che le cellule figlie vengono ad avere una copia del patrimonio genetico parentale. In una fase iniziale i due filamenti si despiralizzano e si separano a livello dei legami idrogeno fra le basi, quindi la molecola si apre come una cerniera lampo, ogni filamento funziona ora come stampo per la sintesi di due nuovi, seguendo la regola della complementarietà fra le basi. Se sul vecchio filamento è presente per esempio una T sul nuovo potrà esserci solo una A, lo stesso vale per la G e la C.

Come la maggior parte delle reazioni biochimiche anche la duplicazione del DNA richiede l’intervento di un gran numero di enzimi (proteine che catalizzano le reazioni), ognuno dei quali interviene in un particolare momento.

Innanzitutto il punto di origine della replicazione richiede l’ausilio di alcune proteine che denaturano parzialmente la doppia elica e ne mantengono la denaturazione. Quindi abbiamo le elicasi che separano i due filamenti e le SSBP (single strand binding proteins) che si legano ad essi mantenendoli separati. Una volta separati inizia la vera fase di sintesi di ogni filamento ad opera della DNA-polimerasi. La molecola viene ad assumere una forma ad Y, nota come forcella di replicazione, dalla quale parte la sintesi nelle due direzioni opposte. La DNA-polimerasi è in grado di catalizzare la sintesi solo in direzione 5′-3′ e dal momento che la polarità dei due filamenti è opposta un filamento viene ad essere copiato in maniera continua, il filamento veloce, mentre l’altro, quello lento, genera dei corti filamenti, i cosiddetti frammenti di Okazaki, i quali vengono successivamente legati ad opera della DNA ligasi. Un’ultima precisazione, la DNA-polimerasi richiede degli inneschi detti primer, ossia piccoli segmenti di RNA (acido ribonucleico) complementari allo stampo, da cui iniziare l’incorporazione.

Alla fine del processo avremo due molecole di DNA uguali a quella di origine, ognuna delle quali sarà composta da un filamento parentale ed uno di nuova sintesi, per cui la replicazione è definita semiconservativa. Una caratteristica della DNA-polimerasi è la sua attività di correzione delle bozze, ossia questo enzima è in grado di rilevare un errore di appaiamento, un nucleotide sbagliato e di rimuoverlo inserendo quello corretto.

Il DNA rappresenta il codice genetico le cui informazioni dirigono, regolano le varie strutture e funzioni biologiche attraverso l’attività delle proteine. Le proteine sono costituite da una sequenza lineare di subunità chiamate aminoacidi, di cui ne esistono 20 diversi tipi, uniti fra loro a formare una o più catene polipeptidiche. Il numero e il tipo di aminoacidi, la sequenza determinano la struttura e la funzione della proteina stessa. La successione delle basi azotate nel DNA determina la sequenza degli aminoacidi in una catena polipeptidica, ossia l’informazione genetica viene tradotta in un processo chiamato sintesi proteica grazie alla presenza di una molecola intermedia, l’acido ribonucleico, l’RNA.

 Si tratta di una molecola simile al DNA dal punto di vista chimico, dalla quale si differenzia per lo zucchero, che è il ribosio al posto del desossiribosio; l’uracile al posto della timina e la maggior parte è a singolo filamento. Esistono tre tipi di RNA, che differiscono per struttura e funzione, il messaggero mRNA, il ribosomale rRNA, quello di trasporto tRNA.

L’mRNA è così chiamato perché deputato a trasportare il messaggio, l’informazione genetica dal DNA, che nelle cellule eucariote si trova nel nucleo, nel luogo in cui verrà decodificato, ossia nel citoplasma, il sito della sintesi proteica. Le cellule eucariote sono cellule con nucleo ben definito e isolato dal resto della cellula tramite l’involucro nucleare. Le molecole di messaggero sono sintetizzate a partire da uno dei due filamenti del DNA con lo stesso principio dell’appaiamento fra le basi, in un processo chiamato trascrizione. Questa reazione è catalizzata da un enzima chiamato RNA-polimerasi che si muove in direzione 3′-5′ lungo lo stampo, catalizzando l’incorporazione dei nucleotidi e sintetizzando un filamento complementare in direzione 5′-3′. In tal modo l’RNA-polimerasi copia l’informazione contenuta nel DNA.

Tranne casi rari, solo una delle due eliche del DNA viene trascritta; inoltre l’RNA-polimerasi ha la capacità di iniziare la sintesi ex-novo, senza necessità di alcun innesco.

Gli RNA di traferimento sono molecole piccole (70-90 nucleotidi) con una caratteristica configurazione a trifoglio,

con zone e ripiegamenti a doppia elica e anse. Ogni cellula possiede diversi tRNA che differiscono per sequenza nucleotidica, almeno uno per ciascuno dei diversi tipi di aminoacidi. All’estremità 3′ vi è il sito di attacco per l’aminoacido specifico, nella parte opposta abbiamo un sito costituito da tre nucleotidi che formano un anticodone, complementare ad uno specifico codone dell’mRNA. Un’ultima regione funziona come sito di riconoscimento per un enzima, l’amminoacil-tRNA-sintetasi , di cui ne esistono almeno 20, uno o più per aminoacido, che hanno due siti di legame specifici, uno per un dato aminoacido e l’altro per la relativa molecola di tRNA.

Gli rRNA sono componenti essenziali dei ribosomi, che rappresentano i siti della sintesi proteica, costituiti per un terzo da proteine e per due terzi da RNA. Ogni ribosoma è formato da due subunità, la più piccola che ha un sito di legame per l’mRNA e la più grande che ha due siti di legame per i tRNA.

Le proteine contengono 20 diversi aminoacidi, DNA ed RNA solo 4 nucleotidi, chiaramente non può valere la corrispondenza una base un aminoacido (altrimenti le proteine risulterebbero composte solo da 4 aminoacidi), né quella due basi per un aminoacido (ne verrebbero specificati solo 16, 4²). Una sequenza di tre basi dà 64 (4³) possibilità; 64 combinazioni possibili o codoni sono sufficienti, anzi più che sufficienti a specificare per tutti gli aminoacidi. Essendovi un eccesso di codoni, ad ogni aminoacido corrispondono più triplette. Si dice perciò che il codice genetico è “degenerato”.

Inoltre è identico in tutti gli organismi, tranne alcune eccezioni.

Chiudiamo ora con la sintesi proteica.

Ricapitolando velocemente: le sequenze nucleotidiche contenute nel DNA rappresentano le istruzioni per la sintesi delle proteine, vengono trascritte in una molecola di mRNA ad opera della RNA-polimerasi che riconosce particolari sequenze sul DNA, i promotori, e vi si lega iniziando la sintesi. Esistono altre sequenze di terminazione sul DNA che rappresentano i segnali di arresto della sintesi dell’RNA stesso.

Come già detto la traduzione o sintesi proteica avviene nel citoplasma e tale processo può essere suddiviso in tre momenti successivi: inizio, allungamento e terminazione.

L’inizio consiste nella formazione di un complesso fra la subunità ribosomale più piccola e il filamento di mRNA, a questo complesso si associa il tRNA iniziatore della sintesi, il tRNA per la metionina. Il codone di inizio è AUG. Una volta formato questo complesso si associa la subunità più grande del ribosoma, inizia quindi la fase di allungamento, l’aggiunta di un aminoacido per volta alla catena polipeptidica nascente seguendo lo schema riportato dai codoni presenti nell’mRNA. Man mano che vengono aggiunti aminoacidi si formano fra loro i legami peptidici e lo spostamento del ribosoma lungo l’mRNA, in modo da poter leggere ogni volta il codone successivo. Il ciclo continua fino all’estremità della molecola di mRNA verso i siti di terminazione della catena, ossia una delle tre triplette UAA, UAG, UGA cui non corrisponde alcun tRNA. Aggiunto un codone di terminazione la traduzione cessa, la catena polipeptidica si libera dal ribosoma e le due subunità si separano.