Il codice genetico e i nucleotidi

Un codice è un insieme di simboli usato per immagazzinare informazioni; se si conosce la natura del codice è possibile tradurre un'informazione da una forma in un'altra.

L'alfabeto della lingua italiana è un codice formato da 21 simboli che sono le lettere con le quali possiamo comporre un numero enorme di parole.

I simboli del codice genetico per tutti gli esseri viventi sono soltanto quattro e si trovano nelle molecole di DNA: si tratta delle quattro basi azotate (Adenina A, Citosina C, Timina T, Guanina G) che caratterizzano ciascuno dei quattro nucleotidi. L'alfabeto del DNA, pertanto, è di natura chimica ed ha solo quattro lettere che vengono utilizzate per formare le parole, ovvero gli amminoacidi, che unendosi tra loro formano le proteine dalle quali dipendono tutte le caratteristiche di ogni individuo e di ogni specie vivente.

Come può un alfabeto così limitato codificare i tanti caratteri propri di ciascuna specie vivente, vegetale ed animale? Le parole del codice genetico, corrispondenti a ciascun amminoacido sono formate da sequenze di tre basi azotate. L'insieme di tre basi in un certo ordine è chiamato tripletta. Poiché le basi sono 4, sono possibili 4 = 64 triplette. In natura esistono 20 amminoacidi disponibili per formare proteine, e ciascun amminoacido corrisponde ad una tripletta. Gli amminoacidi, attaccati uno all'altro in diverse combinazioni formano le proteine ed è proprio la successione delle triplette nella molecola del DNA che definisce la sequenza di amminoacidi in una proteina: si può quindi affermare che ogni proteina è registrata nella sequenza delle triplette dei nucleotidi presenti nella molecola del DNA. Non solo: determinate triplette funzionano anche come segnali che indicano al DNA dove iniziare e dove terminare la sintesi di una proteina.

Ciascun segmento del DNA nel quale è codificata l'informazione per una particolare proteina strutturale o per un enzima (anche gli enzimi sono proteine) prende il nome di gene.

Ma come si passa dalle triplette di basi agli amminoacidi e da questi alle proteine? La molecola di DNA, a causa delle sue dimensioni non può uscire dal nucleo della cellula, mentre la fabbricazione delle proteine avviene nel citoplasma e precisamente nei ribosomi. C'è quindi necessità di un intermediario, o per meglio dire un messaggero, che prelevi l'informazione dal DNA all'interno del nucleo e la trasferisca nel citoplasma. Per poter uscire dal nucleo questo messaggero deve essere formato da una molecola di dimensioni inferiori a quelle del DNA: questa molecola è l'acido ribonucleico, o RNA, che differisce dal DNA non soltanto perché è più piccolo ma anche perché lo zucchero è rappresentato dal ribosio e non dal desossiribosio e perché una delle sue quattro basi è l'uracile (U) al posto della timina.

La sequenza di basi che nel DNA specifica la fabbricazione di una proteina viene riconosciuta da enzimi speciali che sono capaci di trascrivere l'informazione in una molecola di RNA messaggero (mRNA). Questo migra dal nucleo al citoplasma dove un'altra forma di RNA, detta RNA transfer (tRNA), ha il compito di tradurre le triplette nel linguaggio degli amminoacidi. In altri termini, traduce il codice genetico nell'ordine di assemblaggio dei diversi amminoacidi per formare una determinata proteina.

Sintesi delle proteine

La sintesi delle proteine si sviluppa attraverso due tappe fondamentali: la trascrizione e la traduzione.

Sotto certi aspetti, il processo di sintesi delle proteine è simile a quello di replicazione del DNA: infatti inizia anch'esso con l'apertura dell'elica del DNA. A mano a mano che la doppia catena del DNA si apre, le basi di uno dei due filamenti agiscono come uno stampo per la sintesi della molecola di RNA messaggero: ad esse aderiscono infatti i nucleotidi complementari a quelli del DNA che si legano tra loro. Il processo è catalizzato dall'enzima RNA polimerasi. La molecola dell'RNA messaggero è dunque costituita da una singola catena di nucleotidi, disposti secondo una sequenza di basi complementare alla sequenza esistente sulla molecola di DNA che ha funzionato da stampo. Pertanto, l'RNA messaggero che così si forma ha una sequenza di basi azotate ben determinata, che dipende dalla sequenza di basi azotate presenti nella molecola di DNA.

Supponendo, ad esempio, che un segmento di DNA contenga la sequenza di nucleotidi AACGGCAATTT, sull'mRNA questa viene convertita nella sequenza di nucleotidi UUGCCGUUUAAA (nell'mRNA la base U prende il posto della base T). Particolari triplette nucleotidiche del DNA, dette promotori, costituiscono il segnale di partenza per la sintesi dell'mRNA e altre sequenze, dette di terminazione, rappresentano il segnale di arresto.

Il processo di trasferimento del codice dal DNA all'mRNA prende il nome di trascrizione e le triplette di codice di mRNA complementari a quelle del DNA vengono chiamate codoni. Uno dei codoni segnala l'inizio per la fabbricazione delle proteine, e altri due ne segnalano la fine.

In molti geni, le sequenze nel DNA che codificano per proteine, chiamate esoni, possono essere interrotte da segmenti non codificanti chiamati introni. In questi casi la frazione di DNA che include tutti gli esoni e gli introni di un gene viene in un primo momento trascritta in una molecola di RNA chiamata RNA nucleare (nRNA); in un secondo momento gli introni vengono rimossi dall'nRNA e viene prodotta la molecola di mRNA.

Terminata la trascrizione, la molecola di mRNA neoformata si stacca dal filamento del DNA ed esce dal nucleo per passare nel citoplasma, dove si lega ai ribosomi.

Per poter sintetizzare la proteina corrispondente alla sequenza scritta in codice sulla molecola del DNA, la molecola dell'mRNA deve essere "tradotta". La traduzione avviene proprio nei ribosomi.

Il processo di traduzione coinvolge tutti e tre i tipi di RNA: l'mRNA che trasporta il messaggio, l'rRNA (RNA ribosomiale) che è parte integrante del ribosoma, e il tRNA. Il tRNA, in particolare, fa da "interprete", traducendo il linguaggio degli acidi nucleici in quello delle proteine. Questa molecola è infatti in grado da un lato di legare gli amminoacidi dall'altro di riconoscere i codoni dell'mRNA..

Esistono tanti differenti tipi di tRNA quanti sono i codoni dell'mRNA, quindi uno per ogni amminoacido. Ogni molecola di tRNA possiede ad una estremità una sequenza di tre nucleotidi detta anticodone complementare ad un codone del mRNA; all'estremità opposta si trova un sito per l'attacco di un amminoacido.

La sintesi di una molecola proteica inizia quando una delle due parti di cui è costituito un ribosoma si attacca ad un'estremità del filamento di mRNA ponendo così in evidenza il primo codone, codone iniziatore, di questo filamento. Al codone iniziatore si attacca quindi il primo tRNA i ribosomi, scorrendo sull'RNA messaggero, leggono il codice e accolgono gli RNA di trasporto.

Inizialmente un enzima, l'RNA polimerasi riconosce uno specifico promotore, cioè una sequenza di basi posta all'inizio dell'mRNA. Una estremità dell'mRNA si lega quindi al ribosoma. A questo complesso si associa poi il primo tRNA, detto anch'esso iniziatore, al quale è legato un amminoacido che non entrerà a far parte della proteina da sintetizzare.

In seguito il secondo codone dell'mRNA si colloca in una precisa posizione sul ribosoma e ad esso si associa il secondo tRNA con l'anticodone complementare al codone dell'mRNA e portante un amminoacido. A questo punto si forma il legame peptidico tra i primi due amminoacidi grazie all'intervento di un enzima, la peptidi transferasi, e contemporaneamente il primo tRNA esce dal ribosoma. Il ribosoma si sposta quindi di un codone lungo l'mRNA.

Nel ribosoma arriva un terzo tRNA e si forma un nuovo legame peptidico tra i primi due amminoacidi e l'amminoacido portato da questo. L'operazione si ripete più volte legando gli amminoacidi uno dopo laltro secondo la specifica sequenza contenuta nel mRNA, fino a che la catena polipeptidica è completa.

Quando il ribosoma arriva a uno dei codoni di terminazione o codoni di stop si ha la terminazione: la traduzione si interrompe, la proteina si stacca dal tRNA e il ribosoma si dissocia.

Gli RNA di trasporto, una volta portati a destinazione gli amminoacidi, tornano liberi e possono di nuovo , prendere dal citoplasma altri amminoacidi specifici per fabbricare altre proteine.