Genetica molecolare

    I cromosomi, come tutte le altre parti di una cellula vivente, sono formati da atomi disposti in molecole.  Alcuni scienziati, tra cui personalità eminenti nel campo della genetica, pensavano che sarebbe stato impossibile capire la complessità dei meccanismi ereditari sulla base della struttura di sostanze chimiche «inanimate».  Altri ritenevano che, una volta chiarita la struttura chimica dei cromosomi, sarebbe stato possibile capire il loro ruolo come portatori delle informazioni genetiche; questa intuizione segnò l'inizio di un fruttuoso campo di ricerche, la genetica molecolare.
Le prime analisi chimiche del materiale ereditario rivelarono che il cromosoma eucariote è costituito da acido deossiribonucleico (DNA) e da proteine, sostanze presenti più o meno in uguale quantità; perciò entrambe avrebbero potuto avere il ruolo di materiale genetico.
Le proteine sembravano essere la soluzione più probabile a causa della loro maggiore complessità chimica; le proteine infatti sono polimeri di amminoacidi di cui nelle cellule, se ne conoscono 20 diversi tipi. Il DNA, invece, è un polimero formato solamente da quattro differenti tipi di nucleotidi.

ALLA SCOPERTA DEL DNA

LA NATURA DEL DNA
Il DNA era stato isolato per la prima volta dal medico tedesco Friedrick Miescher nel 1869, nello stesso importante decennio in cui Darwin pubblicava L'Origine delle Specie e Mendel comunicava i suoi risultati alla Società di Storia Naturale di Brùnn.  La sostanza isolata da Miescher era bianca, zuccherina, leggermente acida e conteneva fosforo.  Poiché era stata trovata soltanto nei nuclei delle cellule, venne chiamata acido nucleico.  Tale nome fu in seguito modificato in acido deossiribonucleico (DNA) per distinguere questa sostanza da una simile, l'acido ribonucleico (RNA).
Ogni nucleotide è formato da una base azotata, dallo zucchero deossiribosio e da una base azotate e un gruppo fosfato. Vi sono due tipi di basi azotate: le purine, che presentano una struttura a due anelli e le pirimidine che hanno un solo anello. Nel DNA vi sono due tipi di purine, l'adenina (A) e la guanina (G) e due tipi di pirimidine, la citosina (C) e la timina (T). Così il DNA è costituito da quattro tipi di nucleotidi che differiscono soltanto per tipo di purine o di pirimidine contenenti azoto.

Gli esperimenti sui batteriofagi Nel 1940 ebbe inizio una serie di esperimenti fondamentali che utilizzavano un altro «materiale adatto», destinato a diventare tanto importante nella ricerca quanto la pianta di pisello e il moscerino della frutta.  Tale materiale era un gruppo di virus che attaccano i batteri e sono pertanto detti batteriofagi. («mangiatori di batteri»).  I batteriofagi scelti inizialmente per questi studi furono quelli che attaccano Escherichia coli uno tra i più comuni batteri dell'intestino umano.
L'analisi clinica dei batteriofagi rivelò che essi sono costituiti quasi esclusivamente da DNA e proteine, le due sostanze che negli anni '40 erano i principali concorrenti al ruolo di materiale genetico.  La questione su quale dei due tipi di molecola contenga i geni virali, cioè il materiale ereditario che dirige la sintesi di nuovi virus all'interno della cellula batterica, fu risolta nel 1952 da Alfred D. Hershey e da Martha Chase. Osservando la figura tenete presente che, mentre le proteine contengono zolfo (negli amminoacidi metionina e cisteina), ma non fosforo, il DNA contiene fosforo ma non zolfo.  Grazie a questi esperimenti è stato possibile dimostrare che solamente il DNA dei batteriofagi era coinvolto nel processo di duplicazione e che le proteine non potevano costituire il materiale genetico.

MODELLO WATSON-CRICK
Nel 1953 lo scienziato americano James Watson ed il fisico francese Francis Crick proposero un modello di struttura per il DNA; essi non eseguirono veri e propri esperimenti, ma intrapresero, piuttosto, un esame razionale di tutti i dati allora noti sul DNA, cercando di organizzarli in modo logico.  Secondo il loro modello la molecola di DNA è un'elica a filamento doppio, dalla forma di una scala a spirale. I due «montanti» della scala sono costituiti da subunità ripetute di un gruppo fosfato e dello zucchero deossiribosio a 5 atomi di carbonio. I «pioli» sono costituiti da basi azotate appaiate (una purina si appaia con una pirimidina); A può appaiarsi solo con T e G solo con C, e si chiamano complementari. Le quattro basi sono le quattro «lettere» usate per scandire il messaggio genetico.  Le basi appaiate sono unite da legami a idrogeno.
Duplicazione
Quando la molecola di DNA si duplica, i due filamenti si separano in seguito alla rottura dei legami a idrogeno. Ogni filamento si comporta come uno stampo per la formazione di un nuovo filamento complementare, utilizzando i nucleotidi disponibili nella cellula. L'aggiunta di nucleotidi al nuovo filamento è catalizzata dagli enzimi DNA-polimerasi.  Nel processo di duplicazione molti altri enzimi giocano un ruolo importante.
La duplicazione del DNA inizia a livello di una particolare sequenza di nucleotidi sul cromosoma, che è il punto d'origine della duplicazione.  Questa procede in entrambe le direzioni, per mezzo delle due forcelle di duplicazione che si spostano nelle due direzioni opposte.  Durante la duplicazione del DNA avviene l'azione proofreading delle DNA-polimerasi, che fanno invertire la direzione di marcia quando si rende necessario rimuovere quei nucleotidi che non si sono appaiati in modo corretto a quelli del filamento stampo.
Grazie alle deduzioni sulla struttura a doppia elica del DNA elaborate da Watson e Crick, venne universalmente accettato il ruolo del DNA come la molecola che porta a trasmettere le informazioni genetiche.  Con la scoperta del complesso ed estremamente preciso meccanismo mediante il quale le cellule duplicano il loro DNA era finalmente risolto il problema di come l'informazione ereditaria venga fedelmente trasmessa da una cellula madre alla cellula figlia, generazione dopo generazione.

LA TRADUZIONE DEL CODICE GENETICO

Un gene-un enzima
Ritornando un po' indietro nella storia notiamo come già negli anni '40 il biologo Beadle notò l'importanza del legame che corre tra un gene ed il suo corrispondente enzima. Beadle, insieme al chimico Tatum, nel 1941 incominciò ad analizzare i mutanti di Neurospora (muffa rossa del pane) per dimostrare, attraverso studi di mappatura genica, che a una certa mutazione corrisponde la perdita di funzionalità di un certo enzima. Ma, visto che gli enzimi sono composti da proteine e le proteine da catene polipeptidiche, allora poterono dire che a un gene corrisponde una proteina o, più precisamente, una catena polipeptidica (riassumendo con la formula un gene-una catena polipeptidica).

DAL DNA ALLA PROTEINA: RUOLO DELL'RNA
Il problema successivo divenne quello della traduzione: come faceva la successione delle basi azotate a determinare la sequenza degli amminoacidi di una proteina? La ricerca di una risposta a questo quesito condusse alla scoperta dell'acido ribonucleico (RNA), una sostanza chimicamente simile al DNA.
Come poi risultò, non uno ma tre tipi di RNA agiscono come intermediari nei processi che, partendo dal DNA, portano alle proteine. Questi tre tipi si distinguono in forma e funzionalità, ed agiscono l'uno dopo l'altro nella traduzione.

RNA messaggero (mRNA) A questo punto della nostra spiegazione incominciamo a descrivere il primo: l'RNA messaggero (mRNA). Le molecole di RNA messaggero sono copie (trascrizioni) di sequenze nucleotidiche codificate del DNA. A differenza del DNA, tuttavia, le molecole di RNA hanno in genere un solo filamento. Ogni nuova molecola di mRNA viene copiata da uno dei due filamenti del DNA con lo stesso principio che regole la duplicazione del DNA. L'aver identificato l'mRNA come la copia di lavoro delle istruzioni genetiche non aveva ancora risolto il problema di fondo. Le proteine contengono 20 amminoacidi differenti, ma il DNA e l'RNA contengono ciascuno solo quattro diversi nucleotidi; in qualche modo questi nucleotidi costituivano un codice genetico per gli amminoacidi. Facendo un po' di calcoli su questi numeri si notò come l'unico modo in cui il DNA avrebbe potuto codificare per gli amminoacidi era che un singolo amminoacido dovesse essere determinato da tre nucleotidi in sequenza. Le 64 possibilità formate dalle composizioni dei nucleotidi vennero chiamate codoni.
Nirenberg e Matthaei fruttarono giusto l'RNA messaggero per decifrare il codice genetico. Provarono ad inserire parti di una cellula che permettessero di produrre proteine in una provetta dove inserirono degli RNA artificiali che ripetevano uno stesso codone più volte. Un certo tipo di codone, formato da tre nucleotidi, traduce per un certo tipo di amminoacidi che legati insieme formano una proteina.

Ribosomi
La sintesi proteica, o traduzione, avviene sui ribosomi. Un ribosoma è formato da due subunità, una grossa e una piccola, ognuna costituita da specifici RNA ribosomiali (rRNA) e da molecole proteiche specifiche. Nella sintesi proteica è necessario anche un altro tipo di molecole di RNA, cioè l'RNA di trasporto (tRNA) che ha forma di trifoglio. Queste piccole molecole possono portare su un'estremità un amminoacido e hanno una tripletta di basi, l'anticodone, sul «braccio» centrale all'estremità opposta della molecola. Durante la sintesi, il tRNA funziona da adattatore (quasi come un dizionario bilingue) mettendo in corrispondenza ciascun codone dell'mRNA col relativo amminoacido; esiste almeno un tipo di tRNA per ciascun tipo di amminoacido presente nella cellula.