Gene

Unità ereditaria del materiale genetico, che determina la trasmissione di una particolare caratteristica, o gruppo di caratteristiche, da una generazione alla successiva. I geni si trovano disposti linearmente lungo i cromosomi, che negli organismi eucariotici (con cellule dotate di nucleo circondato da membrana) sono conservati all'interno del nucleo della cellula. Sul cromosoma, ciascun gene occupa una posizione precisa, detta locus; per questo motivo, a volte, il termine locus viene usato in modo intercambiabile con il termine gene. Il materiale genetico è costituito dall'acido desossiribonucleico o DNA (Vedi Acidi nucleici), che forma lo 'scheletro' del cromosoma. Il DNA di ciascun cromosoma è una molecola continua, lunga e sottile, formata da una catena di quattro subunità, chiamate nucleotidi. Ciascun nucleotide è formato dall'unione di uno zucchero (desossiribosio), un gruppo fosfato a una di quattro basi azotate (adenina, guanina, citosina o timina). La sequenza in cui i diversi nucleotidi sono disposti sul filamento di DNA determina le proprietà dei diversi geni. I geni esercitano i loro effetti attraverso le molecole che producono. I prodotti immediati di un gene sono le molecole di acido ribonucleico (RNA); queste sono copie del DNA, tranne per il fatto che nell'RNA la timina viene sostituita da un'altra base azotata, detta uracile. Le molecole dell'RNA, a loro volta, dirigono la sintesi delle proteine: catene di subunità, chiamate amminoacidi, la cui sequenza è determinata, a mezzo del codice genetico dalla sequenza delle basi dell'RNA e quindi del DNA. La sequenza degli amminoacidi determina la funzione delle diverse proteine, che possono essere molecole strutturali, enzimi responsabili della catalisi delle reazioni chimiche dell'organismo, ormoni e molte altre importanti sostanze. Vista l'importanza del ruolo delle proteine nell'organismo, le modificazioni del DNA, che si riflettono in un'alterazione delle proteine, possono produrre variazioni nel funzionamento generale di un organismo. La parte di un gene che codifica per l'RNA e, di conseguenza, per una proteina è di solito affiancata da sequenze di basi a funzione regolatoria, che determinano in quali modalità e quantità un gene dev'essere copiato in una molecola di RNA e, quindi, tradotto in una nuova proteina. Oltre che da queste sequenze, il materiale genetico degli organismi superiori (animali e piante, contrapposti a batteri e virus ) è occupato per circa il 90% da porzioni di DNA non codificanti a funzione ancora sconosciuta.

Duplicazione del DNA

La duplicazione del DNA avviene prima di ogni divisione cellulare, in modo che le cellule figlie ricevano ciascuna una copia fedele del patrimonio genetico parentale. Per costruire una copia della molecola di DNA, i due filamenti della doppia elica si despiralizzano e si separano a livello dei legami tra le basi; a questo punto ciascun filamento funziona da stampo per l'assemblaggio di due nuovi filamenti complementari. Si formano, così, due nuove doppie eliche, ciascuna costituita da un filamento vecchio e da uno nuovo (per questo motivo la reazione di duplicazione viene detta semiconservativa). Ciascun filamento di DNA è circa 100.000 volte più lungo del cromosoma che lo contiene. Ciò è dovuto alla condensazione della molecola di DNA, che si avvolge su particelle proteiche, chiamate nucleosomi, appena visibili con i più potenti microscopi elettronici. A sua volta, la struttura formata dal DNA e dai nucleosomi si avvolge ulteriormente su se stessa più volte, fino a raggiungere lo stato di condensazione tipico del cromosoma.

Il codice genetico

Dal momento che si era dimostrato che le proteine sono determinate dai geni e che ciascun gene è composto da porzioni di filamenti di DNA, i ricercatori pensarono che dovesse esistere una corrispondenza tra la sequenza delle 4 basi azotate nel DNA e la sequenza dei 20 amminoacidi nelle catene polipeptidiche. In altre parole, doveva esistere un processo per trasferire l'informazione contenuta nei geni alle strutture cellulari responsabili della sintesi proteica. Siccome nel DNA compaiono solo 4 tipi di basi azotate diverse, mentre nelle proteine vi sono 20 amminoacidi, chiaramente non può valere la corrispondenza una base-un amminoacido (così le proteine potrebbero essere composte da soli 4 amminoacidi), né quella di una sequenza di due basi per amminoacido (così verrebbero specificati solo 16 amminoacidi). La sequenza minima che garantisce la determinazione di tutti gli amminoacidi presenti nelle proteine è data da combinazioni di 3 basi azotate, dette triplette o codoni, che costituiscono la base del codice genetico.

Traduzione

Mentre sta ancora avvenendo la trascrizione, l'mRNA inizia a staccarsi dal DNA. Al termine di questo processo, un'estremità del filamento della nuova molecola si inserisce, come il filo di una collana nella perla, in una struttura chiamata ribosoma. A mano a mano che il ribosoma scorre lungo l'mRNA, l'estremità del filamento si inserisce in un secondo ribosoma, poi in un terzo e così via. I ribosomi sono strutture di RNA e materiale proteico, deputate alla sintesi delle proteine. Con l'uso di microscopi elettronici ad altissima risoluzione è possibile fotografare le molecole di mRNA attaccate ai ribosomi. Un insieme di ribosomi legato a una molecola di mRNA è detto poliribosoma o polisoma. Scorrendo lungo la molecola di mRNA, il ribosoma 'legge' la sequenza delle basi azotate sull'mRNA. Questo processo prende il nome di traduzione e coinvolge un terzo tipo di molecola di RNA, chiamata RNA transfer (tRNA), che da una parte porta una tripletta di nucleotidi e dall'altra un amminoacido specifico, corrispondente alla tripletta. La tripletta di ciascun tRNA aderisce alla molecola di mRNA quando vi trova una tripletta complementare. Ad esempio, la sequenza uracile-citosina-uracile (UCU) sul filamento dell'mRNA viene occupata dal tRNA contenente la tripletta adenina-guanina-adenina (AGA). In contrapposizione alla tripletta dell'mRNA, che si chiama codone, quella del tRNA prende il nome di anticodone. Gli amminoacidi portati dal tRNA nella sequenza specificata dall'mRNA vengono, quindi, legati l'uno all'altro sui ribosomi, a formare una nuova catena polipeptidica. Una volta terminata, la catena polipeptidica si libera dal ribosoma e assume la sua forma tridimensionale specifica, determinata dalla sequenza degli amminoacidi. La forma di un polipeptide e le sue proprietà chimico-fisiche, entrambe determinate dalla sequenza amminoacidica, sono responsabili dell'eventuale unione di questa molecola ad altre catene polipeptidiche, nonché della funzione della proteina nell'organismo.

Differenze tra procarioti ed eucarioti

Nei procarioti, in cui il cromosoma è libero nel citoplasma, la traduzione può iniziare anche prima che la trascrizione sia terminata. Negli eucarioti, invece, i cromosomi sono isolati nel nucleo, mentre i ribosomi si trovano nel citoplasma, così la traduzione dell'mRNA nella proteina corrispondente può iniziare solo una volta che l'mRNA prodotto nel nucleo viene trasferito nel citoplasma. Un'altra peculiarità dei geni degli eucarioti è la presenza di sequenze di nucleotidi codificanti (esoni), interrotte da sequenze non codificanti (introni) che in alcuni casi possono essere anche cinquanta o più. Durante la trascrizione, gli introni vengono copiati insieme agli esoni su una molecola di mRNA molto grande; poi vengono eliminati da speciali enzimi nucleari e gli esoni vengono uniti l'uno all'altro in una sequenza continua, prima che l'mRNA passi nel citoplasma.Sebbene il significato della presenza degli introni nei geni degli eucarioti non sia ancora del tutto chiaro, alcuni ricercatori ritengono che la loro esistenza permetta una serie di combinazioni di frammenti genici che andrebbe ad aumentare il numero delle possibili proteine prodotte dall'organismo. Secondo questa ipotesi, cioè, i geni degli eucarioti sarebbero costituiti da un numero relativamente basso di strutture modulari, gli esoni, in grado di combinarsi in modi diversi per dare luogo a una vastissima gamma di geni e, di conseguenza, a una grandissima varietà di strutture proteiche. Inoltre gli introni e altre sequenze non codificanti sono probabilmente coinvolti nella regolazione della quantità di polipeptidi prodotti dai geni. La scoperta degli introni fu resa possibile dai metodi di determinazione della sequenza dei nucleotidi nelle molecole di DNA e RNA, sviluppati dal biologo molecolare Frederick Sanger. Studi sulle molecole del DNA hanno anche dimostrato la presenza, sempre negli eucarioti, di sequenze ripetute numerose volte nel materiale genetico. Alcune di queste codificano per l'RNA ribosomale, mentre altre non hanno alcuna funzione nota. Fra queste vi sono sequenze, detti trasposoni o elementi trasponibili, che sembrano in grado di saltare da una posizione all'altra di uno stesso cromosoma o dell'intero genoma.

Regolazione genica

Quasi tutte le cellule di un organismo derivano per divisione cellulare da un unico zigote e contengono un identico corredo genetico. Ciononostante, le proteine sintetizzate, ad esempio, dalle cellule del tessuto muscolare non sono necessariamente le stesse di quelle prodotte nel tessuto nervoso o in quello osseo. In altre parole, non tutti i geni del patrimonio genetico vengono espressi in tutti i tessuti dell'organismo. Quest'espressione differenziale è regolata in modo complesso da processi descritti per la prima volta da Jacques Monod e François Jacob nei batteri. Questi processi coinvolgono la presenza di sequenze regolatorie in prossimità o all'interno dei geni, le quali vengono riconosciute da specifiche molecole proteiche, con funzioni di inibizione o di attivazione della trascrizione dell'mRNA e dunque dell'espressione genica.

Trascrizione

L'esistenza e il ruolo biologico del codice genetico furono dimostrati dieci anni dopo la pubblicazione del modello del DNA di Watson e Crick. La specificazione di un polipeptide da parte di una molecola di DNA avviene indirettamente, attraverso l'intermediazione di una molecola nota come RNA messaggero (mRNA). L'mRNA è una replica di una porzione di DNA, la quale si despiralizza e serve da stampo per la sintesi di questa molecola. Questo processo, chiamato trascrizione, è molto simile alla duplicazione del DNA, con la differenza che l'RNA come base complementare all'adenina (A) contiene uracile (U) al posto della timina (T).

Trascrizione

La trascrizione è il processo di sintesi di un filamento di RNA messaggero, transfer o ribosomale a partire da un tratto di DNA, che viene usato come stampo. La doppia elica di quest'ultimo si srotola, rendendo accessibile uno dei due filamenti agli enzimi che controllano la reazione di sintesi. I nucleotidi necessari per costruire la nuova molecola di RNA vengono aggiunti uno per uno, in una sequenza complementare a quella dello stampo: la guanina (G) dell'RNA si lega alla citosina (C) del DNA, la citosina (C) alla guanina (G), l'adenina (A) alla timina (T) e l'uracile (U) all'adenina (A).

Mutazioni

Sebbene la duplicazione del DNA sia molto accurata, essa non è sempre perfetta. Raramente capitano, infatti, degli errori, per cui il nuovo frammento di DNA contiene uno o più nucleotidi diversi dall'originale. Questi errori, o mutazioni, possono avvenire in qualunque punto del DNA: se avvengono in una sequenza di DNA codificante per un particolare polipeptide, nella catena polipeptidica si può avere la variazione di un singolo amminoacido o anche un'alterazione più grave della proteina risultante. L'anemia falcemica è, ad esempio, causata da una mutazione genetica che determina la sintesi di una molecola di emoglobina mutante, la quale differisce dalla forma normale per un singolo amminoacido. Quando una mutazione avviene nel patrimonio genetico dei gameti, essa può essere trasmessa alle generazioni successive. Il primo a parlare di mutazioni fu, nel 1901, il botanico olandese Hugo De Vries, che insieme ad altri ebbe anche il merito di riportare alla luce il lavoro di Mendel. Nel 1929 il biologo statunitense Hermann Joseph Muller osservò che i raggi X possono fare aumentare grandemente la frequenza delle mutazioni. In seguito, la lista delle sostanze mutagene si allargò ad altre forme di radiazioni, alle alte temperature e a un gran numero di composti chimici. La frequenza di mutazione aumenta, inoltre, quando alcuni geni che codificano per fattori proteici responsabili della fedeltà della duplicazione del DNA o della correzione degli errori sono a loro volta mutati. Altri fattori che possono causare mutazioni sono i trasposoni (vedi sopra).

Il DNA e la sintesi delle proteine

Dopo le scoperte di Beadle e Tatum e di Watson e Crick, rimaneva ancora da chiarire come il DNA potesse dirigere la costruzione delle proteine, i componenti principali della maggior parte delle strutture della cellula e le molecole fondamentali per lo svolgimento e la regolazione di quasi tutte le reazioni chimiche dell'organismo. La capacità di una proteina di essere parte di una struttura cellulare, o di agire come un enzima che catalizza una particolare reazione chimica, dipende dalla sua forma molecolare e, dunque, dalla sua composizione. Ciascuna proteina è costituita dall'unione di subunità, chiamate amminoacidi, in una o più catene polipeptidiche. Nelle cellule sono presenti venti tipi diversi di amminoacidi. Il numero, il tipo e la sequenza degli amminoacidi nella catena determinano la struttura e la funzione della proteina e sono a loro volta determinati dal gene codificante per quella specifica catena.

Sintesi delle proteine

La sintesi proteica avviene nel citoplasma, presso piccoli organelli cellulari detti ribosomi. Nella prima fase (a sinistra) gli aminoacidi, le unità elementari delle proteine, convergono nella sede della sintesi. Quindi vengono uniti in una lunga catena la cui sequenza è imposta dall'RNA messaggero (mRNA), una copia molecolare precedentamente trascritta della porzione di DNA relativa alla proteina da sintetizzare. Il processo termina (a destra) con l'intervento del fattore di rilascio che si lega all'mRNA in corrispondenza di uno o più codoni di arresto, rompendo il complesso. La catena così rilasciata costituisce la struttura primaria della proteina.