Scoperta e Struttura del DNA

Tutto inizia con Hershey e Chase che negli anni '50 dimostrarono una volta per tutte che il DNA è il vero responsabile della trasmissione genetica, non le proteine come pensavano molti. Usarono dei virus marcati radioattivamente e scoprirono che solo il DNA entrava nei batteri infetti.

La struttura del DNA è come una scala a chiocciola: due filamenti antiparalleli (vanno in direzioni opposte 5'→3') tenuti insieme da legami a idrogeno tra le basi azotate. Le coppie A-T formano 2 legami, mentre G-C ne formano 3, rendendo queste ultime più stabili.

Durante la replicazione (fase S del ciclo cellulare), il DNA si "srotola" grazie alla girasi e all'elicasi. Poi la DNA polimerasi aggiunge nuovi nucleotidi, ma c'è un problema: può lavorare solo in direzione 5'→3'! Per questo uno dei due filamenti (quello "in ritardo") viene sintetizzato a pezzi chiamati frammenti di Okazaki.

Ricorda: La replicazione è semiconservativa - ogni nuovo DNA contiene un filamento "vecchio" e uno "nuovo"!

RNA e Trascrizione

Esistono tre tipi principali di RNA: l'mRNA che porta le istruzioni dal nucleo ai ribosomi, l'rRNA che forma i ribosomi stessi, e il tRNA che traduce il codice genetico in amminoacidi. Tutti sono a filamento singolo e contengono uracile al posto della timina.

La trascrizione è il processo che crea l'RNA dal DNA e si divide in tre fasi. Nell'inizio, i fattori di trascrizione si legano al promotore (soprattutto alla TATA box) e reclutano la RNA polimerasi. Durante l'allungamento, la polimerasi scorre lungo il DNA sintetizzando RNA e aggiungendo il capping quando la catena raggiunge 20 nucleotidi.

Nella terminazione, la polimerasi incontra sequenze di stop e rilascia l'RNA. Ma non è finita! L'RNA deve maturare attraverso il capping (già fatto), la poliadenilazione (coda di adenine) e lo splicing che elimina gli introni lasciando solo gli esoni.

Attenzione: Solo dopo queste modificazioni l'RNA diventa mRNA maturo e può uscire dal nucleo!

Traduzione e Sintesi Proteica

La traduzione avviene sui ribosomi nel citoplasma e trasforma l'mRNA in catene di amminoacidi. Il segreto sta nel codice genetico: ogni gruppo di tre nucleotidi (codone) corrisponde a un amminoacido specifico. Con 64 combinazioni possibili per 20 amminoacidi, il codice è ridondante - più codoni possono codificare lo stesso amminoacido.

I tRNA sono i traduttori del processo: portano amminoacidi e hanno un anticodone complementare al codone dell'mRNA. Gli enzimi amminoacil-tRNA-sintetasi si assicurano che ogni tRNA porti l'amminoacido giusto - è come avere 20 chiavi diverse per 20 serrature!

Il processo inizia quando il ribosoma trova il codone di inizio AUG (sempre metionina). Durante l'allungamento, i tRNA si muovono tra i siti A, P ed E del ribosoma mentre si formano i legami peptidici. Tutto finisce quando si incontra un codone di stop - nessun tRNA lo riconosce, quindi arrivano i fattori di rilascio.

Curiosità: Nei procarioti traduzione e trascrizione possono avvenire contemporaneamente, mentre negli eucarioti sono separate!

Struttura dei Cromosomi

Nei procarioti il DNA è un cromosoma circolare nel nucleoide, mentre negli eucarioti abbiamo cromosomi lineari nel nucleo protetto da membrana. La differenza è enorme: molto più DNA, associazione con proteine e maggiore complessità organizzativa.

Il DNA eucariotico si associa agli istoni (proteine basiche cariche positivamente) formando la cromatina. Esistono 5 tipi di istoni (H1, H2A, H2B, H3, H4) incredibilmente conservati tra le specie - segno della loro importanza evolutiva!

L'unità base sono i nucleosomi (diametro 11nm): un ottamero di istoni attorno cui si avvolge il DNA per 1,75 volte. Il DNA core è quello avvolto, il DNA linker collega i nucleosomi, e l'istone H1 stabilizza tutto. Questa organizzazione riduce la lunghezza del DNA di sei volte!

Ma non basta: i nucleosomi si compattano in fibre da 30nm, poi in domini ad ansa (300nm), fino ai cromosomi metafasici super-condensati (1400nm). È un processo di compattamento incredibile!

Pensa: Senza questo sistema di "imballaggio", il DNA di una cellula umana sarebbe lungo 2 metri!

Eucromatina ed Eterocromatina

La cromatina si divide in due tipi con funzioni opposte. L'eucromatina si condensa e decondensa durante il ciclo cellulare, contiene geni attivi che vengono trascritti durante l'interfase - qui avviene l'intensa sintesi proteica. L'eterocromatina invece resta sempre condensata e ha funzioni strutturali.

L'eterocromatina si suddivide in costitutiva (sempre condensata, mai accessibile alla RNA polimerasi) e facoltativa (può cambiare stato in base allo sviluppo o al tipo cellulare). È un sistema elegante per controllare quali geni sono "leggibili"!

Il genoma umano presenta sorprese: solo il 10% del DNA codifica proteine! Il resto include trasposoni (che possono causare malattie), pseudogeni (geni "rotti"), sequenze regolatorie come i promotori, e tantissime sequenze ripetute.

Le ripetizioni si dividono in microsatelliti (sequenze corte ripetute fino a 100 volte) e minisatelliti (sequenze lunghe ripetute migliaia di volte). I telomeri appartengono ai minisatelliti e proteggono le estremità dei cromosomi. Questa variabilità nelle ripetizioni è utilissima per il profiling del DNA!

Incredibile ma vero: Una salamandra ha 80 miliardi di coppie di basi - molto più di noi!

Regolazione Genica nei Procarioti

I batteri sono maestri di efficienza energetica: attivano i geni solo quando servono! La regolazione avviene principalmente durante la trascrizione tramite proteine che possono essere repressori (bloccano) o attivatori (favoriscono) la sintesi di mRNA.

Il sistema dell'operone è geniale: raggruppa geni con funzioni correlate sotto un unico controllo. Include il promotore (dove si attacca la RNA polimerasi), l'operatore (dove agiscono le proteine regolatrici) e i geni strutturali (che codificano le proteine).

Esistono due strategie principali: i geni inducibili si attivano quando serve la loro funzione (esempio: enzimi per digerire il lattosio quando è presente), mentre i geni reprimibili si spengono quando il loro prodotto è già abbondante (esempio: enzimi per sintetizzare triptofano quando ce n'è già abbastanza).

Il lattosio è un induttore: quando è presente, l'allolattosio disattiva il repressore dell'operone LAC permettendo la trascrizione. Il triptofano invece è un corepressore: quando è abbondante, attiva il repressore dell'operone TRP bloccando la sintesi degli enzimi non necessari.

Logica perfetta: Produci solo quello che ti serve, quando ti serve!

Regolazione negli Eucarioti

Negli eucarioti la situazione si complica: niente operoni, ogni gene viene controllato singolarmente! Questo permette maggiore flessibilità per riutilizzare geni in processi diversi e sintetizzare proteine più complesse.

Esistono geni costitutivi (housekeeping) sempre attivi in tutte le cellule per funzioni basilari (istoni, DNA polimerasi, ribosomi), e geni tessuto-specifici che si esprimono solo in certi tipi cellulari per la specializzazione.

Il differenziamento cellulare è il processo che porta dallo zigote a cellule specializzate. L'esperimento di Gurdon dimostrò che ogni cellula matura conserva tutto il genoma - la differenza sta nell'espressione genica! Stesso DNA, diverso proteoma.

L'espressione dipende dallo stato della cromatina: durante la divisione tutto si condensa (nessuna trascrizione), durante l'interfase l'eucromatina permette la trascrizione. Le modificazioni epigenetiche come metilazione (silenziamento) e acetilazione (attivazione) degli istoni controllano questo processo.

Epigenetica: Studio di come l'ambiente può influenzare l'espressione genica senza cambiare il DNA!

Controllo Trascrizionale e Post-Trascrizionale

Negli eucarioti la trascrizione è più sofisticata: ogni gene ha il proprio promotore con TATA box, servono fattori di trascrizione generali (GTF) per formare il complesso di pre-inizio, e esistono enhancer (amplificatori) e silencer che possono essere lontanissimi dal gene.

Gli enhancer sono specifici per ogni tipo cellulare - ecco perché certi geni si esprimono solo in certe cellule! Attivatori e repressori si legano rispettivamente a enhancer e silencer per controllare la trascrizione.

Dopo la trascrizione arrivano le modificazioni: capping (cappuccio protettivo), tailing $coda poli-A per stabilità$, splicing (rimozione introni) tramite lo spliceosoma, e splicing alternativo che permette a un gene di produrre proteine diverse usando combinazioni diverse di esoni.

Il controllo continua nel citoplasma: solo gli mRNA "perfetti" possono uscire dal nucleo grazie alle proteine hnRNP. Nel citoplasma, repressori traduzionali possono bloccare temporaneamente la traduzione quando la proteina non serve.

Splicing alternativo: Il 75% dei nostri geni lo usa - ecco come facciamo tante proteine con "pochi" geni!

Controllo Post-Traduzionale

Anche dopo la sintesi proteica il controllo continua! Le proteine possono essere modificate per regolare la loro funzione e durata nella cellula.

L'ubiquitinazione è il sistema di smaltimento cellulare: la proteina ubiquitina marca le proteine destinate alla demolizione, formando il complesso proteina-poliubiquitina. Il proteasoma (una "tritatutto" molecolare) riconosce questo segnale, stacca l'ubiquitina e distrugge la proteina.

Altre modificazioni importanti includono la fosforilazione (aggiunta di gruppi fosfato che cambiano la forma proteica), il taglio di proteine prodotte in forma inattiva per attivarle, e l'assemblaggio di subunità separate nella struttura finale quaternaria.

Questo sistema multi-livello di controllo $trascrizione → maturazione RNA → traduzione → modificazioni post-traduzionali$ permette alle cellule eucariotiche di essere incredibilmente precise nell'espressione genica e di rispondere rapidamente ai cambiamenti.

Sistema perfetto: Dal gene alla proteina funzionale, ogni passaggio è sotto controllo!