La struttura del DNA

Il DNA (acido desossiribonucleico) è il depositario delle informazioni genetiche di tutti gli organismi. È formato da lunghe catene di desossiribonucleotidi di quattro tipi: dAMP, dGMP, dTMP e dCMP, collegati tra loro mediante legami fosfodiestere.

Ogni catena polinucleotidica ha un orientamento preciso: un'estremità 5' (con un gruppo fosfato libero) e un'estremità 3' (con un gruppo OH libero). La sequenza di un filamento di DNA è la successione delle basi azotate letta nella direzione 5'→3'.

Nel 1953, Watson e Crick, basandosi sui dati di cristallografia a raggi X di Franklin e Wilkins, proposero il modello della doppia elica. Il DNA è composto da due filamenti antiparalleli che si avvolgono l'uno sull'altro. All'interno dell'elica, le basi azotate si appaiano secondo regole precise: l'adenina (A) si lega sempre alla timina (T) e la guanina (G) alla citosina (C).

💡 Questa struttura a doppia elica è fondamentale per la replicazione del DNA: i due filamenti possono separarsi e fungere da stampo per creare nuove copie identiche dell'informazione genetica.

I nucleotidi sono le unità fondamentali del DNA, ciascuno composto da un gruppo fosfato, uno zucchero (desossiribosio) e una base azotata. Questa organizzazione consente al DNA di conservare e trasmettere l'informazione genetica con precisione.

La replicazione del DNA

La replicazione è il processo mediante il quale il DNA si duplica prima della divisione cellulare, garantendo che l'informazione genetica venga trasmessa correttamente alle cellule figlie. Questo processo deve essere rapido e accurato.

Il meccanismo è detto semiconservativo perché ogni nuova molecola di DNA contiene un filamento originale e uno neosintetizzato. Il processo inizia con la formazione di una bolla replicativa da cui si originano due forcelle replicative che procedono in direzioni opposte.

La replicazione richiede l'azione coordinata di diversi enzimi:

• La DNA elicasi separa i due filamenti della doppia elica
• La DNA topoisomerasi aiuta a srotolare il DNA davanti alla forcella replicativa
• La primasi sintetizza brevi primer di RNA che fungono da innesco
• La DNA polimerasi aggiunge nucleotidi al primer, procedendo sempre in direzione 5'→3'
• La DNA ligasi unisce i frammenti di DNA

💡 Poiché la DNA polimerasi può aggiungere nucleotidi solo all'estremità 3' e i filamenti di DNA sono antiparalleli, la sintesi avviene in modo diverso sui due filamenti: continua sul filamento veloce e discontinua sul filamento lento (con i frammenti di Okazaki).

La replicazione del DNA è un processo altamente coordinato che garantisce la corretta trasmissione dell'informazione genetica e rappresenta uno dei meccanismi fondamentali per la continuità della vita.

Replicazione e struttura dell'RNA

Negli eucarioti, il completamento della replicazione alle estremità dei cromosomi avviene grazie alla telomerasi, un enzima che aggiunge sequenze ripetitive (telomeri) per evitare l'accorciamento dei cromosomi. I procarioti, con il loro DNA circolare, non necessitano di questo meccanismo.

La replicazione inizia in specifiche sequenze chiamate origini di replicazione. I procarioti possiedono poche origini di replicazione, mentre gli eucarioti, con genomi più grandi, ne hanno numerose distribuite lungo i cromosomi.

L'RNA (acido ribonucleico) rappresenta l'anello di collegamento tra il DNA e le proteine. A differenza del DNA, l'RNA:

• Contiene ribosio invece del desossiribosio
• Utilizza uracile al posto della timina
• È formato generalmente da un singolo filamento (che può ripiegarsi su se stesso formando strutture secondarie)
• Ha catene più brevi rispetto al DNA

💡 Mentre il DNA conserva l'informazione genetica, l'RNA svolge molteplici funzioni nella cellula, dalla trasmissione dell'informazione alla sintesi proteica.

L'RNA, pur non essendo il materiale genetico nelle cellule (con l'eccezione di alcuni virus), è fondamentale per l'espressione genica. La sua struttura flessibile e le diverse forme che può assumere gli permettono di svolgere vari ruoli nel metabolismo cellulare.

I tipi di RNA

Il ribosio e il desossiribosio differiscono solo per un gruppo OH in posizione 2', ma questa piccola differenza rende l'RNA più suscettibile all'idrolisi spontanea rispetto al DNA.

Esistono diversi tipi di RNA con funzioni specifiche:

L'RNA messaggero (mRNA) trasporta l'informazione genetica dal DNA ai ribosomi. Nelle cellule eucariotiche, l'mRNA ha caratteristiche particolari:

• Un cappuccio di 7-metilguanosina all'estremità 5', che protegge dalla degradazione
• Una coda di poli-A all'estremità 3', che aumenta la stabilità della molecola

L'RNA ribosomiale (rRNA) è il componente principale dei ribosomi, gli organelli che sintetizzano le proteine. Rappresenta la maggior parte dell'RNA cellulare e viene sintetizzato nel nucleolo. I ribosomi procariotici contengono tre tipi di rRNA (23S, 16S e 5S), mentre quelli eucariotici ne hanno quattro (28S, 18S, 5,8S e 5S).

💡 Gli rRNA non solo danno struttura ai ribosomi, ma partecipano attivamente alla sintesi proteica, facilitando l'interazione tra mRNA e tRNA.

L'RNA transfer (tRNA) è costituito da piccole molecole di 75-90 nucleotidi che trasportano gli amminoacidi ai ribosomi. Ogni tRNA:

• Ha una struttura tridimensionale compatta
• Contiene un anticodone che si lega al codone complementare sull'mRNA
• Trasporta uno specifico amminoacido all'estremità opposta all'anticodone

RNA non codificanti e flusso dell'informazione genetica

Oltre agli RNA coinvolti nella sintesi proteica, esistono gli RNA non codificanti (ncRNA) che non vengono tradotti in proteine. Questi RNA, di lunghezza variabile, svolgono importanti ruoli regolatori nell'espressione genica. Alcuni ncRNA, chiamati ribozimi, possiedono attività catalitica e partecipano a processi come la rimozione degli introni dagli mRNA eucariotici.

Il flusso dell'informazione genetica segue un percorso specifico: il DNA contiene le istruzioni per sintetizzare tutte le proteine di un organismo. La porzione di DNA che specifica un prodotto proteico è chiamata gene.

Nel 1958, Francis Crick formulò il "dogma centrale della biologia": l'informazione genetica fluisce dal DNA all'RNA e infine alle proteine. Questo processo è generalmente unidirezionale, anche se è stato scoperto che l'informazione può passare dall'RNA al DNA mediante la trascrizione inversa.

💡 Oggi definiamo un gene come un segmento di DNA che dirige la sintesi di uno specifico RNA, poiché non tutti gli RNA codificano per proteine.

Il codice genetico si basa su triplette di nucleotidi (codoni): ogni tripletta specifica un amminoacido. Con quattro possibili nucleotidi, esistono 64 diverse triplette, ma solo 20 amminoacidi nelle proteine. Questo significa che più codoni possono specificare lo stesso amminoacido, rendendo il codice genetico ridondante.

Trascrizione e traduzione

Il flusso dell'informazione genetica dal DNA alle proteine avviene attraverso due processi chiave: la trascrizione e la traduzione.

Nella trascrizione, l'informazione contenuta nel DNA viene copiata in una molecola di RNA. Il DNA ha due filamenti:

• Il filamento "senso" (codificante), la cui sequenza corrisponde alla proteina da sintetizzare
• Il filamento "antisenso", complementare al primo, usato come stampo per l'RNA polimerasi

L'enzima RNA polimerasi sintetizza un filamento di RNA complementare al filamento antisenso del DNA, creando così una copia fedele del filamento senso (con uracile al posto della timina). La trascrizione comprende tre fasi:

• Inizio: l'RNA polimerasi si lega al promotore del gene
• Allungamento: l'enzima aggiunge nucleotidi in direzione 5'→3'
• Terminazione: l'enzima raggiunge il sito di terminazione e rilascia l'mRNA

💡 Negli eucarioti, l'mRNA deve essere modificato prima di lasciare il nucleo, mentre nei procarioti la trascrizione e la traduzione avvengono simultaneamente.

La traduzione è il processo mediante il quale la sequenza di nucleotidi dell'mRNA viene convertita nella sequenza di amminoacidi di una proteina. Avviene nei ribosomi e coinvolge i tRNA, che associano ogni codone al corrispondente amminoacido. La traduzione inizia sempre con il codone AUG (metionina) e si articola in:

• Inizio: formazione del complesso d'inizio sul codone AUG
• Allungamento: aggiunta sequenziale degli amminoacidi alla catena
• Terminazione: il ribosoma incontra un codone di stop e rilascia il polipeptide

Organizzazione ed espressione genica

La trascrizione e la traduzione fanno parte del processo più ampio chiamato espressione genica. Nei geni eucariotici, le sequenze codificanti (esoni) sono intervallate da sequenze non codificanti (introni). Gli esoni possono essere combinati in modi diversi, generando proteine differenti da un singolo gene.

L'espressione genica è altamente regolata: non tutti i geni sono attivi contemporaneamente in ogni cellula. La regolazione dell'espressione genica permette alle cellule di rispondere all'ambiente e di specializzarsi in funzioni specifiche.

Negli organismi pluricellulari, ogni cellula contiene lo stesso DNA, ma esprime geni diversi a seconda della sua funzione. Questo fenomeno, chiamato differenziamento cellulare, è possibile grazie alla regolazione dell'espressione genica.

💡 Anche nei procarioti, che sono organismi unicellulari, la regolazione dell'espressione genica è importante per adattare il metabolismo alle condizioni ambientali.

L'espressione genica è controllata da sequenze di DNA regolatrici e da proteine chiamate fattori di trascrizione, che possono legarsi al DNA e modulare l'attività dell'RNA polimerasi. I fattori trascrizionali possono:

• Attivare la trascrizione di un gene (induzione)
• Bloccare la trascrizione di un gene (repressione)

Questa regolazione precisa dell'espressione genica è fondamentale per il corretto sviluppo e funzionamento di tutti gli organismi.

Regolazione dell'espressione genica

La trascrizione avviene grazie alla RNA polimerasi, che riconosce specifiche sequenze sul DNA: i promotori (punto d'inizio) e i terminatori (punto di fine). La sequenza di DNA tra un promotore e un terminatore è detta unità trascrizionale.

La regolazione dell'espressione genica è diversa tra procarioti ed eucarioti.

Nei procarioti, i geni con funzioni correlate sono organizzati in operoni. Un operone comprende:

• Un promotore
• Un operatore (che lega un fattore di trascrizione)
• Diversi geni strutturali

Gli operoni possono essere:

• Inducibili: come l'operone lac, normalmente inattivo ma attivato in presenza di lattosio
• Reprimibili: come l'operone trp, normalmente attivo ma disattivato quando il triptofano è abbondante

💡 Gli operoni permettono ai batteri di regolare contemporaneamente l'espressione di più geni correlati, risparmiando energia cellulare.

Negli eucarioti, la regolazione dell'espressione genica è più complessa e avviene a diversi livelli:

1. Pre-trascrizionale: regolazione dell'accessibilità del DNA attraverso la struttura della cromatina
2. Trascrizionale: controllo dell'inizio e della velocità della trascrizione tramite fattori di trascrizione
3. Post-trascrizionale: modifiche dell'RNA, come lo splicing che rimuove gli introni
4. Post-traduzionale: modifiche chimiche delle proteine che ne regolano attività e localizzazione

Questa regolazione multilivello permette un controllo fine dell'espressione genica negli organismi più complessi.

Cromatina ed epigenetica

Negli eucarioti, il DNA è organizzato in cromatina, un complesso di DNA e proteine (principalmente istoni). La cromatina può assumere due stati principali:

• Eucromatina: forma aperta, accessibile alla trascrizione
• Eterocromatina: forma condensata, in cui la trascrizione è repressa

La transizione tra questi due stati è regolata da modificazioni chimiche degli istoni, come:

• Acetilazione: l'aggiunta di gruppi acetile alle lisine degli istoni favorisce la forma aperta e attiva della cromatina
• Metilazione: l'aggiunta di gruppi metile generalmente reprime la trascrizione

💡 Le diverse combinazioni di modificazioni istoniche formano un vero e proprio "codice istonico" che si sovrappone all'informazione genetica contenuta nella sequenza del DNA.

L'epigenetica studia le modificazioni ereditabili che influenzano l'espressione genica senza alterare la sequenza del DNA. Queste modificazioni possono essere trasmesse alla progenie, un fenomeno noto come imprinting.

Il genoma non è statico, ma dinamico: l'informazione genetica può essere scambiata tra organismi diversi attraverso il flusso genico orizzontale, mediato da elementi genetici mobili come:

1. Virus: che inseriscono il loro materiale genetico nella cellula ospite
2. Plasmidi: elementi genetici extracromosomici che si trasferiscono tra batteri
3. Trasposoni: sequenze di DNA che possono spostarsi all'interno del genoma

Questi meccanismi contribuiscono all'evoluzione e alla diversità genetica degli organismi.

Virus e trasferimento genico

I virus sono parassiti endocellulari obbligati costituiti da un capside proteico che contiene un genoma di DNA o RNA. A differenza delle cellule, i virus:

• Non hanno struttura cellulare
• Hanno dimensioni molto piccole $50-100 nm$
• Possiedono un genoma ridotto
• Dipendono dalla cellula ospite per riprodursi

Il ciclo vitale di un virus comprende cinque fasi: adesione alla cellula ospite, penetrazione, espressione genica e replicazione del genoma, assemblaggio dei nuovi virioni e rilascio.

💡 Alcuni virus alternano un ciclo litico (produzione di nuovi virioni e lisi cellulare) a un ciclo lisogeno (il genoma virale rimane latente nella cellula ospite).

I virus possono mediare il trasferimento di geni tra cellule attraverso la trasduzione, uno dei meccanismi di trasferimento genico nei batteri. Gli altri meccanismi sono:

• Trasformazione: acquisizione di DNA esterno, spesso plasmidico. I plasmidi sono molecole di DNA circolare extracromosomico che contengono geni accessori e possono replicarsi autonomamente.

• Coniugazione: trasferimento diretto di DNA tra due batteri connessi da un pilo sessuale. In questo processo, un batterio donatore $F+$ trasferisce DNA a un batterio ricevente $F-$.

Questi meccanismi di trasferimento orizzontale di geni contribuiscono significativamente alla diversità genetica e all'evoluzione dei microrganismi.