Dna-Rna-Genoma Umano

Materie:	Appunti
Categoria:	Scienze
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Data:	26.06.2006
Numero di pagine:	10
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DNA
L'acido desossiribonucleico o deossiribonucleico (DNA) è, dal punto di vista della biochimica, un polimero organico i cui monomeri sono i desossiribonucleotidi. È presente in tutti gli organismi viventi. Lo si trova nei cromosomi degli eucarioti, dei procarioti, oltre che nei plasmidi, nei mitocondri e in molti virus. È una molecola molto importante perché trasporta l' informazione genetica necessaria alla trasmissione dei caratteri ereditari. Ogni proteina presente negli organismi viventi deriva da un processo di sintesi che trae origine dall'informazione immagazzinata nel DNA.
Ogni nucleotide è formato da tre parti: una molecola di desossiribosio (uno zucchero semplice, appartenente ai pentosi), un gruppo fosfato e una base azotata (citosina, guanina, adenina o timina). L'atomo di carbonio in 3’ sull'anello del desossiribosio è legato ad un gruppo -OH di un residuo fosforico che, a sua volta, lega in posizione 5' l'anello di ribosio appartenente al monomero adiacente. Abbiamo quindi uno scheletro fosfato-zucchero-fosfato... , mentre agli zuccheri sono legate le diverse basi azotate, che determinano la sequenza specifica.
Di solito il DNA è a doppio filamento: è formato da due catene orientate in verso opposto, unite da legami idrogeno tra le basi azotate. Ogni sequenza è determinata dall'altra, in quanto la regola di appaiamento A-T, G-C è imposta dalla dimensione delle basi e dal numero e dalla disposizione dei legami idrogeno che esse possono formare. Si dice anche che i due filamenti sono complementari.
I due filamenti sono avvolti l'uno attorno all'altro in una doppia elica, struttura che corrisponde ad un minimo di energia. Quelle di DNA sono molecole molto lunghe: un cromosoma umano medio contiene un doppio filamento di DNA lungo 8 centimetri! Le cellule devono quindi utilizzare meccanismi molto sofisticati per riuscire a comprimere tutto il loro DNA nell'esiguo spazio del volume nucleare (vedi istoni).
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Replicazione
Per approfondire, vedi la voce Replicazione del DNA.
La replicazione del DNA è una reazione di polimerizzazione che ha come reagenti i quattro tipi di desossiribonucleosidi trifosfati (dNTP: dATP, dCTP, dGTP, dTTP). Benché nel filamento venga incorporato solo un fosfato, i nucleotidi di partenza devono essere trifosfati, solo così posseggono infatti l'energia necessaria per la reazione. È necessaria la presenza di un DNA a filamento singolo che funge da stampo, che determina la sequenza del filamento da costruire.
La reazione è catalizzata dalle DNA polimerasi, enzimi capaci di costruire una nuova catena nel verso 5'-3' individuati da Arthur Kornberg nel 1958 tramite un famoso esperimento [1]. Esse non sono in grado di iniziare un filamento ex novo, possono solo allungare un filamento polinucleotidico preesistente. È necessario quindi un innesco. Questo consiste di solito in un breve frammento di RNA appaiato allo stampo, prodotto da una RNA polimerasi detta primasi.
Per iniziare la replicazione, il DNA a doppia elica deve essere parzialmente denaturato da particolari proteine. Queste sono le elicasi, enzimi che separano attivamente i due filamenti usando l'energia dell'ATP, e le proteine denaturanti, o proteine destabilizzatrici dell'elica, non enzimatiche, che possono denaturare il DNA legandosi selettivamente alle porzioni a singolo filamento e stabilizzandole. Queste attività producono una forca replicativa, che migra esponendo progressivamente filamenti non appaiati, che possono essere replicati.

Forca replicativa
Poiché le polimerasi lavorano solo in senso 5'-3', un filamento (chiamato Filamento a replicazione progressiva) può essere replicato in modo quasi continuo, man mano che viene esposto, l'altro (Filamento a replicazione regressiva) risulta disseminato da brevi filamenti di DNA di nuova sintesi (i frammenti di Okazaki), ognuno dei quali reca all'inizio l'innesco di RNA. I nuovi filamenti devono essere quindi completati mediante la rimozione degli inneschi da parte di endonucleasi e il riempimento degli spazi rimasti ad opera di polimerasi di riparazione. Successivamente tutti questi frammenti di DNA di nuova sintesi del filamento in ritardo vengono legati dalla DNA-ligasi.
Il risultato della replicazione sono due doppie eliche identiche (salvo errori avvenuti durante il processo, che portano alla comparsa di mutazioni) costituite da un filamento preesistente e uno neoformato: per questa ragione la replicazione si dice semiconservativa.
Nelle molecole di DNA circolari dei Procarioti si ha una sola regione di Origine della replicazione dal quale partono due forche replicative (la struttura prende il nome di bolla di replicazione). Quando le due forche si incontrano dal lato opposto la replicazione è completata.
Negli Eucarioti la replicazione di ogni cromosoma inizia in più punti.
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Alfabeto di quattro lettere

Animazione di un frammento di DNA
Le basi azotate (adenina A, citosina C, guanina G, timina T), possono essere immaginate come le quattro lettere dell'alfabeto delle informazioni genetiche della cellula. Utilizzando gruppi di tre lettere si possono avere fino a 64 combinazioni diverse (43), che vanno a coprire i venti diversi amminoacidi esistenti.
Ad esempio l'adenina ripetuta in una serie di tre ("AAA") rappresenta un particolare amminoacido: la fenilalanina. Poiché esistono 64 triplette possibili e 20 amminoacidi, il codice genetico è degenerato (ridondante), ovvero alcuni amminoacidi possono essere codificati da più triplette diverse, non ci sarà però mai un'ambiguità, ad ogni tripletta corrisponderà un solo amminoacido. Esistono infine triplette che non codificano per amminoacidi ma per codoni di stop, ovvero indicano il punto in cui in un gene termina la parte che codifica per la proteina corrispondente.
Nell'RNA la timina si lega all'uracile (contraddistinto dalla lettera U) che rappresenta la quinta base della complessa struttura dell'elica del DNA/RNA
L'uracile particolare fu la prima base scoperta negli studi sul DNA, per cui introducendo la molecola nel filamento, la cellula produceva timina. Questo sorprese i ricercatori.
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Scoperta
Nel 1953 il biochimico statunitense James Watson e il biofisico britannico Francis Crick, in base ai risultati di esperimenti di cristallizzazione e di diffrazione ai raggi X, elaborarono un modello tridimensionale del DNA a doppia elica. Tale scoperta avvenne presso il Cavendish Laboratory dell'Università di Cambridge, grazie anche al contributo di Maurice Wilkins e Rosalind Franklin. La scoperta valse ai primi tre il Premio Nobel per la medicina nel 1962, Rosalind Franklin morì nel 1958 di cancro, probabilmente a causa delle radiazioni assorbite nel corso dei suoi esperimenti sul DNA.

Il Progetto Genoma Umano è un progetto internazionale di ricerca. Lo scopo del progetto è di mappare il genoma umano, ovvero descrivere la struttura, la posizione e la funzione dei circa 30.000 geni (25.000 secondo le ultime ricerche) che caratterizzano la specie umana.
Lo studio del genoma implica il sequenziamento del DNA, cioè l’identificazione della sequenza dei 3 miliardi di coppie di basi azotate che ne compongono la molecola.
La comprensione della funzione dei geni e di quali malattie possono derivare dalle loro alterazioni costituisce l’obiettivo finale del progetto.
Per portar a termine la ricerca si è lavorato sul DNA offerto da un certo numero di donatori selezionati con criteri di rappresentatività statistica.
Rispetto alle aspettative, i risultati del Progetto Genoma, pur avendo un'eco mediatico formidabile, non hanno confermato le certezze della biologia molecolare e gli obiettivi originari della ricerca.
Si pensava infatti che la specie umana avesse centinaia di migliaia di geni. Ne sono stati invece contati circa 30.000, da confrontarsi con i circa 28.000 di una pianta e i 18.000 di un verme. Per alcuni questa differenza non è abbastanza marcata per spiegare, unicamente attraverso i geni, la complessità dell'organismo umano rispetto a forme di vita più semplici.
Inoltre nel genoma mappato sono stati rilevati, oltre ai geni che costituiscono solo il 3% del totale, una quantità di materiale di cui non conosciamo ancora funzionamento e scopo ("junk DNA").
Queste considerazioni e le recenti ricerche sembrano, secondi alcuni (tra cui Evelyn Fox Keller nel suo libro Il secolo del gene), poter mettere in profonda crisi la classica concezione del gene come di una molecola stabile soggetta ad errori casuali e la correttezza stessa della teoria darwiniana intesa come un processo che agisce a posteriori sulle mutazioni grazie alla selezione naturale.
Ricavato da "http://it.wikipedia.org/wiki/Progetto_Genoma_Umano"

RNA
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L'acido ribonucleico (RNA o ARN) è un polimero organico, risultante dalla polimerizzazione di ribonucleotidi.
Chimicamente l’RNA è molto simile al DNA. Anch’esso è una catena polinucleotidica contenente quattro nucleotidi diversi. Le molecole di RNA differiscono da quelle di DNA perché:
• contengono lo zucchero ribosio (con un gruppo OH legato al carbonio 2') anziché il deossiribosio (da qui il nome)
• una delle basi, la timina, e' sostituita dall'uracile (U). In questo caso è l’uracile a legarsi all’adenina, mentre la guanina si lega sempre alla citosina;
• sono di solito a singolo filamento, anziché a filamento doppio.
Le molecole di RNA vengono sintetizzate attraverso un processo, conosciuto come trascrizione del DNA, dove un filamento di DNA viene ricopiato nel corrispondente filamento di RNA
Vi sono tre tipi di RNA comuni a tutti gli organismi cellulari:
• mRNA (messaggero) che contiene l'informazione per la sintesi delle proteine;
• rRNA (RNA ribosomale), che entra nella struttura dei ribosomi;
• tRNA (RNA transfer) necessario per la traduzione nei ribosomi.
Negli eucarioti abbiamo anche:
• HnRNA (RNA eterogeneo) che deve subire una maturazione per divenire mRNA;
• snRNA (piccolo RNA nucleare) necessario per la maturazione dell'HnRna.
La sintesi dell'RNA è molto simile a quella del DNA. La RNA polimerasi non richiede però un innesco. La trascrizione può iniziare solo presso una sequenza detta promotore e termina in presenza di altre sequenze particolari.
È stata avanzata l'ipotesi che l'RNA abbia assunto un ruolo chiave negli organismi primitivi prima del DNA. A favore di tale ipotesi c'è la capacità catalitica di alcune molecole di RNA (ribozimi).
mRNA su questo viene trascritta l'informazione genetica che poi verra utilizzata per svariati usi.
Indice
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• 1 Sintesi
o 1.1 Anomalie dell’RNA
o 1.2 Processamento dell’RNA
o 1.3 Splicing dell’RNA
o 1.4 L'RNA transfer (tRNA)
o 1.5 L'RNA messaggero (mRNA)
o 1.6 L'RNA ribosomiale (rRNA)
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Sintesi
Questo processo è molto diverso tra procarioti ed eucarioti. Negli eucarioti la sintesi avviene nel nucleo attraverso tre diverse molecole dette RNA polimerasi (nei procarioti ce n’è solo una). Sono parzialmente diverse tra loro, infatti hanno alcune subunità in comune e altre uniche per la loro specie. Ciò è anche dovuto al fatto che esse codificano anche per tre tipi diversi di RNA.
• La RNA polimerasi I codifica per rRNA
• La RNA polimerasi II codifica per mRNA e piccoli RNA stabili che servono a formare gli snRNP
• La RNA polimerasi III codifica per piccoli RNA stabili e l’RNA 5S.
La RNA polimerasi più conosciuta è la RNA polimerasi II perché codifica per quel trascritto che servirà poi ai ribosomi per sintetizzare le proteine.
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Anomalie dell’RNA
Durante il corso degli anni i ricercatori si sono accorti che gran parte dell’RNA sintetizzato dalle polimerasi veniva scartato e solo una piccola parte veniva inviata sotto forma di mRNA per la sintesi proteica. Infatti per una proteina media di circa 400 a.a. (quindi 1200 nucleotidi) venivano sintetizzati anche più del doppio dei nucleotidi realmente necessari.
Ciò è dovuto al fatto che nel DNA esistono delle sequenze non codificanti, la cui funzione è completamente sconosciuta. Queste sequenze di “DNA spazzatura” vengono comunque trascritte dalla polimerasi e vengono dette introni. Questo fatto implica che prima della traduzione, esse andranno tagliate.
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Processamento dell’RNA
Prima dell’eliminazione delle sequenze introniche l’RNA subisce delle ulteriori modificazioni. La prima di queste avviene quando la polimerasi ha trascritto circa i primi 30 nucleotidi. In posizione 5’ viene aggiunto un cappuccio di m7G (7-metil guanosina) il cui scopo è di far si che l’RNA non vada contro degradazione e inoltre giocherà un ruolo molto importante durante la traduzione.
Una seconda modificazione consiste in un taglio di una sequenza specifica che avviene circa 10-30 nucleotidi più a monte della porzione terminale 3’, esattamente dove si trova la sequenza AAUAAA. Dopodiché, dopo la porzione tagliata, un enzima chiamato poli-A-polimerasi, crea una sequenza di poli-A di circa 200 nucleotidi di adenina.
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Splicing dell’RNA
Ora abbiamo un filamento di RNA che viene detto hnRNA (heterogenic nuclear RNA). Il fenomeno di splicing, come detto in precedenza, consiste nell’eliminazione delle sequenze introniche per portare l’hnRNA a mRNA pronto alla traduzione.
L’hnRNA dopo essere stato creato non si trova sparso nel nucleo ma viene complessato in particolari strutture simili ai nucleosomi, create mediante proteine hnRNP (che in questo caso sostituiscono gli istoni). Queste strutture sono più grandi e avvolgono 500 nucleotidi per ogni snRNP. L’intera struttura complessata è chiamata spliceosoma.
Lo splicing vero e proprio avviene tramite delle molecole di snRNP che sono strutture molto simili ai ribosomi a cui sono attaccate piccole molecole di RNA e che entrano a far parte di molti importanti meccanismi. Esse vengono catalogate come snRNP U1, U2, U3,…
Gli introni non hanno alcuna funzione ma possiedono due piccole sequenze, una a monte e una a valle che rivestono due ruoli principali. In 3’ troviamo AG e in 5’ troviamo GU.
Una snRNP U1 si lega a GU mentre una snRNP U2 si lega ad una A più a valle. A questo punto entra un complesso di snRNP U4/U6 + U5. La snRNP U4 si stacca da U6 che a sua volta si sostituisce ad U1. Ora snRNP U5 attacca la porzione AG in 3’ tagliandola. A questo punto la porzione a monte in 5’ si lega alla A a cui è attaccata la snRNP U2 creando un legame AGU. Si forma quindi una particolare struttura a lazzo, a cui sono legate le snRNP, che andrà degradato nel nucleo.
A questo punto sono stati eliminati tutti gli introni e il filamento di mRNA è pronto per essere esportato e tradotto.
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L'RNA transfer (tRNA)
L'RNA transfer è costituito da un filamento di RNA di circa 80 basi azotate ripiegato a formare quattro lobi, che ricordano la caratteristica forma di un quadrifoglio. Un lobo riconosce tramite un anticodone la tripletta sull'RNA messaggero corrispondente all'amminoacido trasportato dal transfer; un altro riconosce l'enzima che attacca l'amminoacido al transfer; un terzo è il sito di riconoscimento del ribosoma. Trasferisce ai ribosomi i vari amminoacidi,che uniti formano fra loro un legame peptidico per poter formare le proteine.
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L'RNA messaggero (mRNA)
L'mRNA si occupa di trasportare le informazioni codificate nel DNA al citoplasma. L'mRNA si presenta sotto forma di filamento sul quale sono presenti triplette di nucleotidi (detti codoni). Il processo di formazione di un nuovo filamento è detto trascrizione. La sequenza base del filamento di mRNA è complementare a quella del filamento del DNA dal quale è stato copiato, e non identica. Quando l'mRNA ha trasmesso l'informazione si scompone nei nucleotidi che lo componevano.
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L'RNA ribosomiale (rRNA)
Nel citoplasma, forma con le proteine particolari organuli, i ribosomi, sui quali avviene la sintesi proteica.
Ricavato da "http://it.wikipedia.org/wiki/RNA"