Le basi molecolari dell'informazione ereditaria: DNA, trascrizione e traduzione

Le basi molecolari dell'informazione ereditaria

Il DNA come Archivio dell'Informazione Genetica

Il DNA (acido desossiribonucleico) è la molecola responsabile di immagazzinare e trasmettere l'informazione genetica. Esso è composto da una lunga sequenza di nucleotidi. Ogni nucleotide è costituito da:

• Un gruppo fosfato
• Uno zucchero (desossiribosio)
• Una base azotata: esistono quattro tipi di basi azotate, che si combinano in coppie specifiche:
• Adenina (A) si lega sempre con Timina (T)
• Citosina (C) si lega sempre con Guanina (G)

La sua struttura a doppia elica permette di compattarsi, occupando uno spazio contenuto nella cellula e facilitando la trasmissione e la replicazione del materiale genetico.

Trascrizione e Traduzione dell'Informazione Genetica

TRASCRIZIONE: Dal DNA all'mRNA

La trascrizione è il processo che avviene nel nucleo e serve a creare una copia dell'informazione genetica presente nel DNA sotto forma di RNA messaggero (mRNA). Questo mRNA sarà poi usato per produrre una proteina.

Fasi della trascrizione

1. Inizio (Initiation)

• La trascrizione inizia in un punto specifico del DNA chiamato promotore, che è una sequenza di nucleotidi posta prima del gene.
• Un enzima fondamentale chiamato RNA polimerasi si lega al promotore con l'aiuto di proteine speciali, i fattori di trascrizione.
• Negli eucarioti, una parte del promotore è la TATA box, che segnala dove la RNA polimerasi deve iniziare.
• Dopo essersi legata, la RNA polimerasi separa i due filamenti di DNA creando una "bolla di trascrizione". e usa uno dei 2 filamenti di DNA come stampo per costruire un nuovo filamento di RNA

1. Allungamento (Elongation)

• La RNA polimerasi si sposta lungo il filamento stampo di DNA, leggendo la sequenza dei nucleotidi e costruendo il filamento di RNA complementare.
• I nucleotidi vengono aggiunti uno alla volta secondo le regole di complementarietà:
• Adenina (A) nel DNA -> Uracile (U) nell'RNA.
• Timina (T) -> Adenina (A).
• Guanina (G) ++ Citosina (C).
• L'RNA viene sintetizzato in direzione 5' -> 3', mentre il DNA viene letto in direzione 3' -> 5'.
• Durante questa fase, I'mRNA nascente si allunga e rimane temporaneamente legato al DNA stampo.

1. Terminazione (Termination)

• La trascrizione si ferma quando la RNA polimerasi incontra una sequenza di terminazione.
• Negli eucarioti, un segnale specifico sull'RNA, chiamato segnale di poliadenilazione (AAUAAA), indica alla RNA polimerasi di smettere di trascrivere.
• L'RNA appena formato si stacca dal DNA. Questo prodotto iniziale si chiama pre-mRNA.

Modifiche post-trascrizionali

Negli eucarioti, il pre-mRNA deve essere modificato per diventare un mRNA maturo e pronto per la traduzione. Queste modifiche avvengono nel nucleo e includono:

1. Capping (5'):

• All'inizio del pre-mRNA viene aggiunto un "cappuccio" speciale, chiamato cap 5' (una molecola di 7-metilguanosina).
• Questo cappuccio protegge I'mRNA dalla degradazione e aiuta a farlo riconoscere dai ribosomi.

1. Splicing:

• Gli introni (sequenze non codificanti) vengono eliminati e gli esoni (sequenze utili per la codifica della proteina) vengono uniti.
• Questo processo è svolto dallo spliceosoma, un complesso di proteine e RNA.

1. Polyadenilazione (3'):

• All'estremità 3' del pre-mRNA viene aggiunta una lunga sequenza di adenine, chiamata coda poli-A.
• La coda poli-A protegge I'mRNA dalla degradazione e regola la sua stabilità.

Risultato finale della trascrizione

L'mRNA maturo, con cappuccio 5', coda poli-A e solo esoni, lascia il nucleo attraverso i complessi del poro nucleare e si dirige verso i ribosomi nel citoplasma, dove avverrà la traduzione.TRADUZIONE: Dall'mRNA alla proteina La traduzione è il processo in cui I'mRNA viene "letto" dai ribosomi per costruire una proteina. Questo avviene nel citoplasma, sui ribosomi.

Fasi della traduzione

1. Inizio (Initiation)

• La traduzione inizia quando il ribosoma si lega all'estremità 5' dell'mRNA, riconoscendo il cappuccio 5' e trovando il primo codone di inizio (AUG). Aug per ammm mietonina
• Questo codone di inizio segnala il punto in cui deve cominciare la sintesi della proteina.
• Un tRNA speciale, chiamato tRNA iniziatore, si lega al codone AUG. Questo tRNA trasporta un amminoacido chiamato me tionina, che sarà sempre il primo amminoacido della proteina.
• La subunità grande del ribosoma (60S) si unisce alla subunità piccola (40S), formando il ribosoma completo.

1. Allungamento (Elongation)

• L'mRNA viene letto dai ribosomi in gruppi di tre nucleotidi, chiamati codoni.
• Ogni codone corrisponde a uno specifico amminoacido, trasportato da molecole di tRNA.
• Il ribosoma ha tre siti principali:
1. Sito A: Qui si lega un tRNA con il suo amminoacido.
2. Sito P: Qui si trova il tRNA che porta la catena polipeptidica in crescita.
3. Sito E: Da qui il tRNA vuoto (senza amminoacido) viene rilasciato.

Formazione della proteina:

• Ogni volta che un nuovo tRNA porta un amminoacido, il ribosoma forma un legame peptidico tra l'amminoacido appena arrivato e la catena in crescita.
• Il ribosoma si sposta lungo I'mRNA, leggendo i codoni uno alla volta e allungando la catena polipeptidica.
1. Terminazione (Termination)
• La traduzione si ferma quando il ribosoma incontra un codone di stop sull'mRNA (UAA, UAG o UGA).
• Questi codoni non codificano per nessun amminoacido e segnalano la fine della proteina.
• La catena polipeptidica viene rilasciata e il ribosoma si dissocia dall'mRNA.Dopo la sintesi, la proteina si ripiega e viene indirizzata alla sua destinazione cellulare tramite sequenze segnale. Le modificazioni post-traduzionali, come fosforilazione, glicosilazione e ubiquitinazione, regolano la sua funzione, stabilità e interazioni, rendendola pienamente operativa.

Trasmissione dell'Informazione Ereditaria

L'informazione genetica viene trasmessa da una generazione all'altra attraverso la replicazione del DNA e la riproduzione cellulare. Durante la riproduzione sessuata. l'informazione genetica viene trasmessa dai genitori ai figli attraverso i gameti (spermatozoi e ovociti), che contengono ciascuno metà del patrimonio genetico. La combinazione di gameti durante la fertilizzazione dà origine a un nuovo individuo con un set completo di cromosomi (metà proveniente da ciascun genitore).

Regolazione dell'Espressione Genica

Non tutti i geni sono attivi in tutte le cellule o in ogni momento. La regolazione genica controlla quali geni vengono attivati o disattivati in risposta a segnali esterni o interni. Questo processo è essenziale per la differenziazione cellulare che dipende dalla selezione di specifici geni da disattivare o attivare. Per esempio una cellula staminale può differenziarsi in un neurone, muscolo o cellule della pelle in base a quali geni .psono espressi . "Lo splicing alternativo è un processo che permette a un singolo gene di generare diverse varianti di mRNA, producendo così proteine diverse. Durante lo splicing, gli introni vengono rimossi e gli esoni uniti, ma lo splicing alternativo modifica questa unione, escludendo o includendo diversi esoni. Questo processo aumenta la diversità proteica, permettendo alle cellule di produrre proteine con funzioni diverse a partire da un solo gene."

Codice genetico e sue proprietà, cromatina e cromosomi

Il codice genetico è il sistema che associa le sequenze di nucleotidi nel DNA (o RNA) alle sequenze di amminoacidi che formano le proteine. È universale nella maggior parte degli organismi, con poche eccezioni. Questo codice è essenziale per la traduzione dell'informazione genetica in proteine, che sono cruciali per le funzioni cellulari.

Proprietà principali del codice genetico:

Il codice genetico possiede cinque caratteristiche fondamentali. La universalità fa sì che sia condiviso da quasi tutti gli organismi. La degenerazione permette a un amminoacido di essere codificato da più codoni, limitando l'effetto delle mutazioni. La specificità garantisce che ogni codone corrisponda a un solo amminoacido. La non sovrapposizione stabilisce che i codoni vengano letti tre basi alla volta, senza sovrapposizioni. Infine, la continuità assicura che la lettura del codice avvenga senza interruzioni.

Cromatina

La cromatina è una sostanza costituita da DNA, proteine (principalmente istoni) e piccole quantità di RNA, presente nel nucleo delle cellule eucariotiche. La cromatina si presenta in due forme:

-eucromatina, è la forma di cromatina decondensata, più "aperta" e attiva.Le regioni di eucromatina sono più accessibili ai meccanismi di trascrizione che permettono l'espressione di geni.-eterocromatina, altamente condensata, più compatta e in genere inattiva quindi meno accessibile . La cromatina si condensa per formare i cromosomi durante la divisione cellulare, facilitando la distribuzione del materiale genetico tra le cellule figlie.

Struttura della cromatina:

1. Nucleosoma: l'unità di base della cromatina costituito da 146 paia di basi di DNA che si avvolgono per circa due volte intorno a unottamero di piccole proteine altamente basiche cariche positivamente note come istoni
2. Fibra di cromatina: I nucleosomi si avvolgono ulteriormente formando una fibra di cromatina di circa 30 nm di diametro. Questa fibra può essere ulteriormente ripiegata per formare strutture più compatte.

Trasmissione dell'Informazione Ereditaria

L'informazione genetica viene trasmessa da una generazione all'altra attraverso la replicazione del DNA e la riproduzione cellulare. Durante la riproduzione sessuata. l'informazione genetica viene trasmessa dai genitori ai figli attraverso i gameti (spermatozoi e ovociti), che contengono ciascuno metà del patrimonio genetico. La combinazione di gameti durante la fertilizzazione dà origine a un nuovo individuo con un set completo di cromosomi (metà proveniente da ciascun genitore).

Struttura e caratteristiche dei cromosomi

I cromosomi sono strutture organizzate e condensate di DNA e proteine che diventano visibili durante la divisione cellulare. Sono essenziali per la distribuzione corretta del materiale genetico nelle cellule figlie.

STRUTTURA DEI CROMOSOMI

1. Cromatidi fratelli: Un cromosoma è costituito da due cromatidi fratelli, che sono copie identiche del DNA. I cromatidi sono legati insieme da una regione centrale chiamata centromero.
2. Centromero: È la regione del cromosoma dove i due cromatidi fratelli sono legati e serve come punto di attacco per le fibre del fuso mitotico durante la divisione cellulare.
3. Telomeri: Sono sequenze di DNA che si trovano alle estremità dei cromosomi e svolgono una funzione protettiva. I telomeri impediscono la perdita di informazioni genetiche durante la replicazione e impediscono che i cromosomi si attacchino l'uno all'altro.

TIPI DI CROMOSOMI:

1. Autosomi: Sono cromosomi non sessuali e sono presenti in numero uguale nei maschi e nelle femmine. Gli esseri umani hanno 22 coppie di autosomi.
2. Cromosomi sessuali: Determinano il sesso biologico dell'individuo. Nell'uomo, i cromosomi sessuali sono X e Y. Le femmine hanno due cromosomi X (XX), mentre i maschi hanno un cromosoma X e un cromosoma Y (XY).