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Il Genoma Umano - Struttura del DNA - Replicazione del DNA

medicina


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Il Genoma Umano

Il corredo genetico umano è composto da 3 miliardi di nucleotidi organizzati in macromolecole di DNA. Per comprendere correttamente cosa sia genoma umano, sia in termini di struttura (macromolecola di DNA) che in termini di database biologico, sono utili alcune analogie. e il DNA dell'uomo fosse largo come dei binari ferroviari, la sua lunghezza sarebbe pari a circa 1.600.000 km; il DNA in realtà è largo solo 2 miliardesimi di metro, se fosse disposto in linea retta la sua lunghezza effettiva sarebbe di 2 m. Ovviamente per riuscire a entrare nel nucleo di una cellula il DNA si deve organizzare in strutture più piccole, data la sua vastità, appunto per questo il DNA ha una struttura  doppio filamento avvolto su se stesso (a doppia elica) e a sua volta avvolto intorno a proteine denominate istoni, che a loro volta sono raggruppati in maniera complessa nei cromosomi.  La replicazione genomica, mediamente, nel corso della vita di un uomo, in una cellula, avviene 1017 volte. Per avere un'idea del contenuto di informazioni presenti nel DNA è utile creare un paragone con una biblioteca. Dal punto di vista della qu 222f52c antità di informazioni, cioè dal numero di lettere di codice contenute, il genoma umano può essere paragonato alla biblioteca di una buona facoltà di medicina. Nella biblioteca, le lettere vengono utilizzate vengono utilizzate per comporre parole di diversa lunghezza. Le parole sono demarcate l'una dall'altra da spazi vuoti e dai segni di punteggiatura. Nel genoma umano, d'altro canto, le lettere sono utilizzate per comporre parole di tre lettere (codoni) senza spaziature tra loro e con una punteggiatura limitata costituita dai codoni di stop e di partenza. Nella biblioteca le parole sono contenute in migliaia di libri. Il genoma umano comprende migliaia di geni (all'incirca 80.000). Nella libreria i libri sono sistemati su scaffali. I geni sono sistemati su cromosomi. Il genoma umano ne ha 23 coppie. Nella biblioteca i libri possono essere richiesti per essere consultati od asportati. Il genoma per fornire le proprie informazioni utilizza un metodo che consente il mantenimento in qualsiasi momento di tutte le informazioni immagazzinate. Il metodo in questione è chiamato "trascrizione", e prevede la formazione di copie di RNA a partire dai geni di DNA. La cellula utilizza ciascuno di questi trascritti come codice per la sintesi di proteine. A questo punto il paragone con una biblioteca diviene molto debole. In una biblioteca i libri possono essere identificati tramite uno schedario, nel genoma il meccanismo di ricerca ci è ignoto. La nostra ignoranza deriva dal fatto che non comprendiamo ancora secondo quale logica i geni siano sistemati sui vari "scaffali". Il genoma presenta molti raggruppamenti (clusters) di geni definiti in base a una logica evidente. Tutti i geni per le emoglobine di tipo b, ad esempio, sono sistemati sul cromosoma 11. Tuttavia la situazione più tipica sembra essere quella di una distribuzione casuale. Per esempio il gene per l'insulina è localizzato sul cromosoma 11, mentre il gene per il recettore dell'insulina è disposto sul cromosoma 19. Comunque la differenza maggiore tra il genoma umano ed una biblioteca risiede nell'origine dell'informazione. Le biblioteche sono composte da libri scritti da uomini. Il loro contenuto, pertanto, può essere modificato velocemente. A una biblioteca vengono aggiunti continuamente nuovi libri. Il genoma umano è il prodotto dell'evoluzione. Il suo contenuto si è pertanto modificato lentamente, attraverso mutazioni e la selezione naturale. Questa differenza tra una biblioteca e il genoma umano sta per ridursi: l'uomo possiede infatti oggi la tecnologia per "scrivere" anche il DNA, oltre che libri. Il codice genetico, in quasi tutti  i geni di mammifero è interrotto da sequenze di basi che non vengono utilizzate. Gli intervalli che codificano delle proteine, o "esoni" (molti esoni sono costituiti da meno di 300 coppie di basi che definisco meno di 100 amminoacidi). I tratti di genoma che non codificano sono noti come "introni" e la loro lunghezza può variare anche in maniera considerevole, superando in alcuni casi 60.000 coppie di basi. La presenza di interruzioni rende necessarie scissioni e congiunzioni (splicing) a livello di mRNA.



Struttura del DNA

Il DNA (Acido desossiribonucleico) è l'unica molecola dell'organismo in grado di autoduplicarsi, contiene il patrimonio genetico caratteristico di ciascuna specie ed è presente in tutte le cellule viventi e in molti tipi di virus. Negli organismi procarioti (ad esempio nei batteri) si trova sotto forma di un singolo filamento di DNA circolare, contenente tutte le informazioni necessarie per la sopravvivenza e la moltiplicazione delle cellule. Le cellule eucariote (ad esempio quelle di piante e animali) hanno, invece, un numero superiore di filamenti di DNA, che prendono il nome di cromosomi e hanno forma bastoncellare.

Il primo modello della struttura tridimensionale a doppia elica del DNA è dovuto a Francis Crick, Maurice Wilkins e James Watson (1953); successivamente Arthur Kornberg riuscì a ottenere in vitro la sintesi di un frammento di DNA.

Una molecola di DNA è costituita da due filamenti nucleotidici antiparalleli, cioè orientati in senso opposti come due corsie di una strada. La molecola ha l'aspetto complessivo di una scala a pioli, in cui gli staggi sono le molecole di desossiribosio (zucchero) legate tra loro da un gruppo fosfato, mentre i pioli sono formati da coppie di basi azotate dei due filamenti opposti, che sono collegate l'una all'altra da deboli legami a idrogeno. In conseguenza della particolare conformazione delle basi azotate, l'adenina si appaia solo con la timina, la guanina solo con la citosina, ossia A con T e C con G; lo stesso concetto può essere espresso dicendo che A e T (o C e G) sono complementari. L'accoppiamento delle basi complementari tiene insieme i due filamenti opposti della molecola, e spiega i dati biochimici secondo cui in ogni molecola di DNA vi è la stessa quantità di A e T (e di C e G). I sue filamenti sono attorcigliati fra loro a formare una doppia elica. Le singole molecole di DNA sono ordinatamente avvolte per due giri completi intorno a rocchetti proteici, gli istoni; ciascun rocchetto, insieme a quella parte di DNA che gli è avvolta intorno, prende il nome di nucleosoma. Nucleosomi adiacenti si addensano strettamente a formare una spirale più grande, simile al cavo di una cornetta del telefono, che è il filamento DNA-proteine (la cromatina) di ogni cromosoma. Questo a sua volta forma ampie anse attorno a una impalcatura centrale di proteine, e tutto si avvolge a formare un cromosoma condensato.



      Replicazione del DNA

 

La replicazione del DNA avviene in tre fasi fondamentali: la separazione dei filamenti opposti, l'accoppiamento delle basi complementari e l'unione dei nucleotidi in un nuovo filamento.

Perché la replicazione possa iniziare, i due filamenti opposti della doppia elica si devono svolgere e separare l'uno dall'altro. La separazione dei due filamenti è resa possibile da appositi enzimi che spezzano i legami idrogeno che tengono tra loro unite le basi complementari: pertanto, le basi azotate di ciascuno dei due filamenti restano temporaneamente disaccoppiate.

Queste ultime formano nuovi legami idrogeno con nucleotidi liberi presenti in soluzione, ma le nuove coppie si formano seguendo la regola delle basi complementari: cioè, a una A sul filamento originario si accoppia un nucleotide libero contenete una T, a una C presente sul filamento originario aderisce un nucleotide contenete una G, e così via. In tale modo, la sequenza delle basi in ciascuno dei due filamenti originari determina la sequenza delle basi di ciascun filamento in formazione, ossia ciascuno dei filamenti originari funge da stampo.

Un particolare enzima lega tra loro, in un filamento continuo, i nucleotidi che sono andati via via aderendo con le loro basi azotate a ciascuno dei filamenti originari, formando così due nuove doppie eliche, ciascuna formata da un filamento originario e da un filamento nuovo, per questo la replicazione del DNA viene detta conservativa. L'unione dei nucleotidi è un processo di polimerizzazione, che viene catalizzato dall'enzima DNA-polimerasi: questo enzima può operare in una sola direzione, e ciò crea alcune differenze nel modo in cui i due nuovi filamenti si formano.



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