DNA(acido desossiribonucleico) è il materiale genetico di tutta la vita conosciuta, dal più semplice batterio unicellulare al più magnifico elefante di cinque tonnellate della pianura africana. "Materiale genetico" si riferisce alle molecole che contengono due importanti serie di istruzioni: una per fare proteine per le esigenze attuali della cellula, e l'altro per fare copie di se stessi, o replicandosi, in modo che lo stesso identico codice genetico possa essere utilizzato dalle future generazioni di cellule.
Mantenere la cellula in vita abbastanza a lungo da riprodursi richiede molti di questi prodotti proteici, che il DNA ordina tramite il mRNA (acido ribonucleico messaggero) crea come inviato ai ribosomi, dove vengono effettivamente sintetizzate le proteine.
La codifica dell'informazione genetica da parte del DNA in RNA messaggero è chiamata trascrizione, mentre la produzione di proteine sulla base di direzioni da mRNA è chiamata traduzione.
La traduzione implica l'unione di proteine
tramite legami peptidici per formare lunghe catene di aminoacidi o i monomeri in questo schema. Esistono 20 diversi amminoacidi e il corpo umano ha bisogno di alcuni di ciascuno di questi per sopravvivere.La sintesi proteica nella traduzione comporta un incontro coordinato di mRNA, complessi aminoacil-tRNA e una coppia di subunità ribosomiali, tra gli altri attori.
Acidi nucleici: una panoramica
Gli acidi nucleici sono costituiti da subunità ripetute, o monomeri, chiamate nucleotidi. Ogni nucleotide è costituito da tre componenti distinti a sé stante: a ribosio zucchero (a cinque atomi di carbonio), da uno a tre gruppi fosfato e un base azotata.
Ogni acido nucleico ha uno di quattro possibili basi in ogni nucleotide, di cui due purine e due pirimidine. Le differenze nelle basi tra i nucleotidi sono ciò che conferisce ai diversi nucleotidi il loro carattere essenziale.
I nucleotidi possono esistere al di fuori degli acidi nucleici e, in effetti, alcuni di questi nucleotidi sono centrali per tutto il metabolismo. I nucleotidi adenosina difosfato (ADP) e adenosina trifosfato (ATP) sono al centro delle equazioni in cui l'energia per uso cellulare viene estratta dai legami chimici dei nutrienti.
I nucleotidi in acidi nucleici, tuttavia, hanno un solo fosfato, che è condiviso con il successivo nucleotide nel filamento di acido nucleico.
Differenze di base tra DNA e RNA
A livello molecolare, il DNA differisce dall'RNA in due modi. Uno è che lo zucchero nel DNA è desossiribosio, mentre nell'RNA è ribosio (da cui i rispettivi nomi). Il desossiribosio differisce dal ribosio in quanto, invece di avere un gruppo ossidrile (-OH) nella posizione del carbonio numero 2, ha un atomo di idrogeno (-H). Quindi il desossiribosio è un atomo di ossigeno a corto di ribosio, quindi "desossi".
La seconda differenza strutturale tra gli acidi nucleici risiede nella composizione del loro basi azotate. Sia il DNA che l'RNA contengono le due basi puriniche adenina (A) e guanina (G), nonché la base pirimidinica citosina (C). Ma mentre la seconda base pirimidinica nel DNA è la timina (T) nell'RNA, questa base è l'uracile (U).
Si dà il caso che negli acidi nucleici A si lega a e solo a T (o U, se la molecola è RNA), e C si lega a e solo a G. Questo specifico e unico accoppiamento di basi complementari disposizione è necessaria per la corretta trasmissione delle informazioni del DNA alle informazioni dell'mRNA nella trascrizione e delle informazioni dell'mRNA alle informazioni del tRNA durante la traduzione.
Altre differenze tra DNA e RNA
A un livello più macro, il DNA è a doppio filamento mentre l'RNA è a singolo filamento. Nello specifico, il DNA assume la forma di una doppia elica, che è come una scala attorcigliata in direzioni diverse ad entrambe le estremità.
I filamenti sono legati a ciascun nucleotide dalle rispettive basi azotate. Ciò significa che un nucleotide recante "A" può avere solo un nucleotide recante "T" sul suo nucleotide "partner". Ciò significa che, in sintesi, i due filamenti di DNA sono complementare l'uno all'altro.
Le molecole di DNA possono essere migliaia di basi (o più propriamente, coppie di basi) lungo. In effetti, un essere umano cromosoma non è altro che un singolo filamento molto lungo di DNA accoppiato con una buona quantità di proteine. Le molecole di RNA di tutti i tipi, d'altra parte, tendono ad essere relativamente piccole.
Inoltre, il DNA si trova principalmente nei nuclei degli eucarioti ma anche nei mitocondri e nei cloroplasti. La maggior parte dell'RNA, invece, si trova nel nucleo e nel citoplasma. Inoltre, come vedrai presto, l'RNA è disponibile in vari tipi.
Tipi di RNA
L'RNA è disponibile in tre tipi principali. Il primo è mRNA, che è costituito da un modello di DNA durante la trascrizione nel nucleo. Una volta completato, il filamento di mRNA esce dal nucleo attraverso un poro nell'involucro nucleare e finisce per dirigere lo spettacolo al ribosoma, il sito di traduzione di proteine.
Il secondo tipo di RNA è trasferire RNA (tRNA). Questa è una molecola di acido nucleico più piccola ed è disponibile in 20 sottotipi, uno per ogni amminoacido. Il suo scopo è di trasportare il suo amminoacido "assegnato" al sito di traduzione sul ribosoma in modo che possa essere aggiunto alla catena polipeptidica in crescita (piccola proteina, spesso in corso).
Il terzo tipo di RNA è RNA ribosomiale (rRNA). Questo tipo di RNA costituisce una frazione significativa della massa dei ribosomi con proteine specifiche dei ribosomi che costituiscono il resto della massa.
Prima della traduzione: creazione di un modello di mRNA
Il "dogma centrale" spesso citato della biologia molecolare è Da DNA a RNA a proteine. Detto in modo ancora più succinto, potrebbe essere messo trascrizione in traduzione. Trascrizione è il primo passo definitivo verso la sintesi proteica ed è una delle necessità continue di qualsiasi cellula.
Questo processo inizia con lo svolgimento della molecola di DNA in singoli filamenti in modo che gli enzimi e i nucleotidi che partecipano alla trascrizione abbiano spazio per spostarsi sulla scena.
Quindi, lungo uno dei filamenti di DNA, viene assemblato un filamento di mRNA con l'aiuto dell'enzima RNA polimerasi. Questo filamento di mRNA ha una sequenza di basi complementare a quella del filamento stampo, salvo per il fatto che U appare ovunque T apparirebbe nel DNA.
- Ad esempio, se la sequenza di DNA in fase di trascrizione è ATTCGCGGTATGTC, il filamento di mRNA risultante presenterà la sequenza UAAGCGCCAUACAG.
Quando un filamento di mRNA viene sintetizzato, alcune lunghezze di DNA, chiamate introni, vengono infine separate dalla sequenza di mRNA perché non codificano per alcun prodotto proteico. Solo le porzioni del filamento di DNA che codificano effettivamente per qualcosa, chiamate esoni, contribuiscono alla molecola di mRNA finale.
Cosa è coinvolto nella traduzione
Sono necessarie varie strutture nel sito della sintesi proteica per una traduzione di successo.
Il ribosoma: Ogni ribosoma è costituito da una subunità ribosomiale piccola e da una subunità ribosomiale grande. Questi esistono solo in coppia una volta iniziata la traduzione. Contengono una grande quantità di rRNA e proteine. Questi sono uno dei pochi componenti cellulari che esistono sia nei procarioti che negli eucarioti.
mRNA: Questa molecola trasporta istruzioni dirette dal DNA della cellula per produrre una proteina specifica. Se il DNA può essere pensato come il progetto dell'intero organismo, un filamento di mRNA contiene informazioni appena sufficienti per creare un componente decisivo di quell'organismo.
tRNA: Questo acido nucleico forma legami con gli amminoacidi su base uno a uno per formare i cosiddetti complessi amminoacil-tRNA. Questo significa solo che il taxi (il tRNA) sta attualmente trasportando il suo unico tipo di passeggero (l'aminoacido specifico) tra i 20 "tipi" di persone nelle vicinanze.
Aminoacidi: Questi sono piccoli acidi con un amino (-NH2), un gruppo acido carbossilico (-COOH) e una catena laterale legata a un atomo di carbonio centrale insieme a un atomo di idrogeno. È importante sottolineare che i codici per ciascuno dei 20 amminoacidi sono trasportati in gruppi di tre basi di mRNA chiamati codoni di tripletta.
Come funziona la traduzione?
Traduzione si basa su un codice tripletta relativamente semplice. Considera che qualsiasi gruppo di tre basi consecutive può includere una delle 64 combinazioni possibili (ad esempio AAG, CGU, ecc.), perché quattro elevate alla terza potenza sono 64.
Ciò significa che ci sono più che sufficienti combinazioni per generare 20 amminoacidi. Infatti, sarebbe possibile che più di un codone codifichi per lo stesso amminoacido.
Questo è, infatti, il caso. Alcuni amminoacidi sono sintetizzati da più di un codone. Ad esempio, la leucina è associata a sei sequenze di codoni distinte. Il codice della tripletta è questo "degenerato".
È importante notare, tuttavia, che non lo è ridondante. Questo è il stesso codone mRNA non può codice per più di una amminoacido.
Meccanica della traduzione
Il sito fisico della traduzione in tutti gli organismi è il ribosoma. Alcune porzioni del ribosoma hanno anche proprietà enzimatiche.
La traduzione nei procarioti inizia con iniziazione tramite un segnale del fattore di iniziazione da un codone opportunamente chiamato codone START. Questo è assente negli eucarioti, e invece il primo amminoacido selezionato è la metionina, codificata da AUG, che funziona come una sorta di codone di START.
Mentre ogni ulteriore striscia di mRNA a tre segmenti è esposta sulla superficie del ribosoma, un tRNA contenente l'aminoacido richiesto vaga nella scena e lascia cadere il suo passeggero. Questo sito di legame è chiamato il sito "A" del ribosoma.
Questa interazione avviene a livello molecolare perché queste molecole di tRNA hanno sequenze di basi complementari all'mRNA in entrata e quindi si legano prontamente all'mRNA.
Costruire la catena polipeptidica
Nel allungamento fase di traduzione, il ribosoma si muove su tre basi, un processo chiamato traduzione. Questo espone di nuovo il sito "A" e porta il polipeptide, qualunque sia la sua lunghezza in questo esperimento mentale, a essere spostato nel sito "P".
Quando un nuovo complesso aminoacil-tRNA arriva al sito "A", l'intera catena polipeptidica viene rimossa da il sito "P" e attaccato all'amminoacido che è stato appena depositato nel sito "A", tramite un peptide legame. Pertanto, quando si verifica nuovamente la traslocazione del ribosoma lungo la "traccia" della molecola di mRNA, un ciclo sarà completato e la catena polipeptidica in crescita è ora più lunga di un amminoacido.
Nel terminazione fase, il ribosoma incontra uno dei tre codoni di terminazione, o codoni STOP, che sono incorporati nell'mRNA (UAG, UGA e UAA). Questo fa sì che non tRNA ma sostanze chiamate fattori di rilascio si accalcano nel sito e questo porta al rilascio della catena polipeptidica. I ribosomi si separano nelle loro subunità costituenti e la traduzione è completa.
Cosa succede dopo la traduzione
Il processo di traduzione crea una catena polipeptidica che deve ancora essere modificata prima che possa funzionare correttamente come nuova proteina. La struttura primaria di a proteina, la sua sequenza amminoacidica, rappresenta solo una piccola parte della sua eventuale funzione.
La proteina viene modificata dopo la traduzione piegandola in forme specifiche, un processo che si verifica spesso spontaneamente a causa di interazioni elettrostatiche tra amminoacidi in punti non adiacenti lungo il catena polipeptidica.
Come le mutazioni genetiche influenzano la traduzione
I ribosomi sono ottimi lavoratori, ma non sono ingegneri del controllo qualità. Possono solo creare proteine dal modello di mRNA che ricevono. Non sono in grado di rilevare errori in quel modello. Pertanto, errori di traduzione sarebbero inevitabili anche in un mondo di ribosomi perfettamente funzionanti.
mutazioni che modificano un singolo ammino può interrompere la funzione proteica, come la mutazione che causa l'anemia falciforme. Le mutazioni che aggiungono o eliminano una coppia di basi possono eliminare l'intero codice della tripletta in modo che anche la maggior parte o tutti gli amminoacidi successivi siano sbagliati.
Le mutazioni potrebbero creare un codone di STOP precoce, il che significa che solo una parte della proteina viene sintetizzata. Tutte queste condizioni possono essere debilitanti in vari gradi e tentare di superare errori innati come questi rappresenta una sfida continua e complessa per i ricercatori medici.
