LA REGOLAZIONE GENICA

Per regolazione genica si intende la capacità delle cellule di controllare i propri geni, il quale avviene attivando/disattivando i geni a seconda della necessità. Cio' avviene anche a causa di "problemi di energia", dato che alcuni geni opererebbero a vuoto in alcuni processi vitali. Questo avviene, per esempio, nel batterio E. coli quando quest'ultimo assorbe lattosio per indurre il processo di demolizione
Negli eucarioti, invece, questo procedimento di regolazione puo' servire per eseguire funzioni molto piu' complesse, come per esempio il corretto sviluppo di un embrione: un organismo pluricellulare comincia il suo sviluppo da una cellula fecondata chiamata zigote, il quale si divide dando vita a molte cellule che, ad un certo punto, iniziano a dividersi in varie tipologie restando pero' accomunate dal genoma, ossia dal patrimonio genetico, e differenziandosi dal proteoma, il patrimonio proteico. Ovviamente tutte le informazioni genetiche dello zigote sono presenti in qualsiasi cellula dell'organismo. A dimostrare cio' fu il biologo britannico J.B. Gurdon. Nei procarioti questo procedimento con il legame dell'mRNA polimerasi ad un determinato sito di DNA (promotore),che apre la doppia elica; l'mRNA, quindi, si stacca. Durante la trascrizione sono presenti geni regolatori che agiscono mediante proteine dette fattori di regolazione della trascrizione; queste possono eseguire controllo positivo o negativo.
Un segmento di DNA codificante è noto come gene strutturale; questi ultimi lavorano in sequenza e possono includere catene polipeptidiche che costituiscono determinati enzimi. I geni codificanti vengono, di solito, trascritti in un filamneto di mRNA composto da un insieme di segmenti delimitato da codoni di avvio e di arresto: l'estremità 5' della molecola di mRNA ha una sequenza leader mentre l'estremità 3' ha una sequenza trailer, le quali non codificano per nessuna proteina. Esistono proteine indispensabili per la cellula e i loro geni codificanti sono sempre attivi (geni costitutivi).
Negli eucarioti la trascrizione è controllata da vari fattori: gli attivatori/repressori regolano l'attività dell'RNA polimerasi; è possibile regolare l'azione mediante molecole effettrici; inibizione del DNA mediante gruppo metile; presenza di attivatori che alterano la cromatina in alcune strutture del DNA.

MUTAZIONI GENETICHE

Agli inizi del Novecento il botanico olandese Hugo De Vries defini' per la prima volta le mutazioni genetiche: secondo lui erano caratteristiche appartenenti al fenotipo. Attualmente è stato dimostrato che queste, invece, appartengono ai genotipi: una mutazione è un cambiamento della sequenza e/o del numero di nucleotidi in un segmento dell'acido nucleico. Queste anomalie possono manifestarsi nei gameti o nelle loro cellule d'origine e vengono trasmesse alle generazioni successive. La maggior parte delle mutazioni riguardano la sostituzione, l'aggiunta o la perdita di un singolo nucleotide: vengono dette mutazioni puntiformi. Esistono anche mutazioni causate dalla sostituzione di basi azotate: se viene inserito un amminoacido diverso da quello vengono dette mutazioni di senso (per esempio, l'anemia falciforme). Tuttavia, puo' anche capitare che la sostituzione di un amminoacido non comporti alcun danno a proteine o cellule: in questo caso si parla di mutazioni non senso; in tali situazioni viene provocata la fine della sintesi proteica dato che il nucleotide viene sostituito con un codone d'arresto. Si possono avere quindi disfunzioni come la distrofia muscolare di Duchenne.
Il terzo tipo di mutazioni viene detto mutazione silente quando al cambiamento di nucleotide non corrisponde nessuna sostituzione di amminoacidi durante la traduzione: non si hanno quindi danni fisici per l'individuo.
Le mutazioni possono essere di due tipi: spontanee, nel caso dell'inserimento di una base azotata errata durante la duplicazione del DNA, oppure indotte; in tal caso a provocarle sono cause ambientali (raggi X, raggi UV, sostanze mutageni).

SINTESI PROTEICA

La sintesi proteica permette di capire in che modo le informazioni contenute nel DNA e trascritte nell'mRNA vengono tradotte in sequenze di aminoacidi di una catena polipeptidica. Questo processo risulta molto piu' complicato negli eucarioti rispetto ai procarioti; nei procarioti la trascrizione avviene nel nucleo cellulare, mentre la creazione di proteine nel citoplasma. Oltre all'mRNA la sintesi proteica richiede anche la presenza dell'RNA ribosomiale e dell'RNA di trasporto. I ribosomi sono il fondamento della sintesi proteica; sono costituiti per la maggior parte da una tipologia di RNA detta ribosomiale (rRNA). Ogni ribosoma è composto da due subunita': la minore ha una "zona di collegamento" (sito di legame) con l'mRNA, mentre quella piu' grande è composta da tre siti di legame per il tRNA.
Il tRNA di trasporto funge da dizionario necessario per la traduzione degli acidi nucleici in proteine. In generale, le cellule contengono piu' di 20 molecole di tRNA, ciascuna delle quali è composta da circa 80 nucleotidi legati in una catena a forma di trifoglio, la quale termina sempre, sull'estremità 3', con una sequenza CCA; in questo punto l'amminoacido si lega al suo tRNA. Alcune parti sono comuni a tutte le tipologie di tRNA, mentre altre sono specifiche a seconda della molecola. Un secondo sito di attacco è situato sull'anticodone, ossia su tre nucleotidi localizzati all'estremità di una delle protuberanze della molecola. Un'ennesima zona, invece, funge da riconoscimento per un enzima chiamato amminoacil-tRNA sintetasi: ve ne sono 20 diverse tipologie, una per ciascun amminoacido. Questi enzimi vengono utilizzati per legare determinati tRNA e amminoacidi.
Il processo di sintesi proteica viene detto traduzione e si divide in tre parti: inizio, allungamento e terminazione. La prima fase inizia quando la subunità minore del ribosoma si unisce all'estremità 5' del ribosoma. Nei procarioti, tra cui E. coli, traduzione e trascrizione possono avvenire contemporaneamente: infatti l'estremità 5' puo' attaccarsi al ribosoma anche se il resto della molecola è ancora in trascrizione.Il primo tRNA si appaia poi con il codone d'inizio dell'mRNA (generalmente è il codone 5'-AUG-3'); nei procarioti il tRNA trasporta il primo amminoacido della catena, ossia l'fMet (formilmetionina), che verrà rimosso al termine della traduzione. La "struttura" formatasi dall'unione tra subunitàm minore, mRNA e tRNA viene chiamata complesso d'inizio. Successivamente, l'unità maggiore si collega a quella minore e il tRNA si unisce al sito P, dando inizio alla seconda fase (allungamento). Qui il secondo codone dell'mRNA combacia con il sito A della subunità maggiore, dove va ad inserirsi un secondo tRNA con l'amminoacido seguente. Viene quindi a formarsi un legame peptidico tra gli aminoacidi e l'mRNA comincia a "scorrere" in direzione 5'-3' librando il sito A, il quale viene ancora occupato da un nuovo tRNA. Il processo si ripete fino al raggiungimento del codone di stop; a quel punto ad intervenire è una proteina detta fattore di rilascio, che libera la catena polipeptidica formatasi e dissocia la subunità del ribosoma.

MRNA NELLE CELLULE EUCARIOTE

Una delle piu' grandi scoperte avvenute sullo studio del DNA è la presenza di sequenze nucleotidiche non tradotte che interrompono le sequenze di geni codificanti. Queste sequenze non codificanti vengono chiamate introni, mentre quelle "funzionanti" sono denominate esoni. Gli introni vennero scoperti durante gli esperimenti di ibridazione tra mRNA e DNA: due filamenti singoli di acidi nucleici creano, mediante appaiamento, un doppio filamento solo dove le basi risultano complementari. Scaldando una doppia elica di DNA i filamenti si staccano a causa della rottura dei legami a idrogeno: questo procedimento viene detto denaturazione del DNA. Raffreddando uno dei filamenti in presenza di mRNA è possibile notare l'affinita dei due acidi nucleici. Grazie a questo lavoro i ricercatori scoprirono che non vi era una perfetta somiglianza tra RNA maturo e geni. Si dedusse quindi che gli introni vengono trascritti prima della traduzione e vengono eliminati prima di quest'ultima. Il numero di introni puo' variare a seconda della specie. Durante l'ibridazione DNA-mRNA le sequenze dei due acidi sono unite da legami a idrogeno. Se dei segmenti di DNA non hanno corrispondenze con l'mRNA vengono create delle anse esterne, che corrispondono agli introni.