Introduzione: le strutture che gestiscono l’informazione

La biologia molecolare è lo studio della struttura e delle funzioni dei geni a livello molecolare. Attraverso la biologia molecolare è stato possibile delineare le strutture che hanno il compito di mantenere le informazioni sviluppate nel corso dell’evoluzione e le strutture che traducono le informazioni in unità funzionali. Una delle prime scoperte della biologia molecolare è stata la capacità degli acidi nucleici di auto replicarsi, in strutture organizzate chiamate cromosomi.

Il flusso delle informazioni nella vita

Negli organismi viventi, le informazioni sono “stoccate” all’interno di un archivio compresso, il DNA. Dal DNA si attinge alle informazioni creando una copia di lavoro, l’RNA. Dal RNA si traducono le sequenze di amminoacidi da costituire per produrre la specifica proteina indicata nel DNA. Nucleotidi: i componenti basi dell’informazione genetica. La struttura alla base degli acidi nucleici sono i nucleotidi. Questi sono composti da una struttura zuccherina (ribosio o deossiribosio), una base azotata ed un gruppo fosforico. Il ribosio è il costitiuente del RNA, mentre il deossiribosio costituisce il DNA. Entrambi sono zuccheri ciclici a 5 termini e le due strutture differiscono dalla presenza o meno del gruppo ossidrile cul C2.

L’assenza dell’OH rende la molecola più stabile. Ciò si riflette anche sull’emivita delle strutture, infatti RNA ha una vita molto più corta di DNA. Le basi azotate appartengono a due strutture caratteristiche:

• Purine
• Pirimidine

DNA e RNA condividono 3 basi azotate: adenosina, citosina e guanina. Differiscono invece per la presenza di timina (DNA) ed uracile (RNA) perché la citosina tende alla spontanea deaminazione ad uracile, ed una modificazione della base azotate comporterebbe ad una modificazione del codice genetico. In questo modo ogni base azotata è identificata univocamente. Le basi azotate si appaiano (quasi) sempre a 2 tra di loro, C con G e A con T/U. Le interazioni tra le basi azotate avvengono attraverso l’instaurazione di legami ad idrogeno, che stabilizzano la struttura a doppia elica del DNA. Le basi azotate possono dare tautomeria grazie al gruppo carbossilico, con forte prevalenza della forma carbossilica a pH fisiologica. Le basi azotate sono delle basi deboli perché si possa protonare l’N presente sull’anello. I nucleosidi (basi azotate legate al corrispondente zucchero) sono formati attraverso la formazione di un legame glicosidico sul C anomerico dello zucchero. L’instaurazione del legame glucosidico aumenta la solubilità delle basi azotate in ambiente acquoso. A seconda della disposizione dello zucchero e della base azotata, definiamo una struttura sin ed una anti (fortemente prevalente).

Funzioni dei nucleotidi

• Unità strutturale acidi nucleici
• Deposito energetico
• Mediatore processi cellulari
• Costituenti di coenzimi
• Intermedi di reazioni sintetiche

Unità strutturali di acidi nucleici

I nucleotidi sono legati tra di loro attraverso un legame fosfodiestereo in senso 5’-3’ (in riferimento allo scheletro zuccherino). Ciò determina una direzione univoca di lettura, diminuendo le possibilità di compiere errori.

Deposito energetico

I nucleotidi possono essere legati a uno, due oppure tre gruppi fosforici. Il gruppo fosforico è la valuta energetica impiegata da tutto il corpo umano. Tantissime componenti infoatti svolgono le attività attraverso il consumo di energia prodotta dall’eliinazione di uno o più gruppi fosfato.

Mediatore processi cellulari

I mediatori sono impiegati per veicolare specifici segnali ed attivare determinate proteine. Per esempio, uno dei mediatori più importanti è il cAMP: viene impiegato come segnalatorie transmembrana da insulina e glucagone ed attivano le proteine chinasi. ATP; GTP e altre molecole segnale sono cruciali per i meccanismi metabolici.

Costituenti di coenzimi

Alcuni nucleotidi come FAD, NAD e CoA sono costituenti dei coenzimi. La loro principale funzione è quella di trasportatori di cariche.

Oltre ai nucleotidi, sono presenti degli analoghi: strutture che derivano dalla molecole presenti naturalmente per la presenza/assenza/diversità strutturale di altre componenti. Queste mutazioni geniche sono in grado di enibire determinate funzioni enzimatiche. Un paio di esempi:

• Inosina: è in grado di legarsi ai codoni (sintesi proteica), processando 2 nucleotidi alla volta
• Pseudoridina, presente nel tRNA. Può interferire dannosamente con la sintesi proteica
• M6-A, mutante cancerogeno

Acidi nucleici

Come già specificato prima, gli acidi nucleici sono polimeri di nucleotidi legati in direzione 5’-3’. Sono carichi negativi per prevenire l’idrolisi. Il DNA è l’acido nucleico contenente le informazioni ereditarie, mentre l’RNA ha il compito di esplicitarle nelle proteine attraverso la sintesi proteica. Sono presenti diverse strutture che derivano dall’RNA, chiamate a seconda della loro funzione (messaggero, transfer, ribosomiale).

Il DNA è organizzato attraverso ad un appaiamento di due filamenti complementari, organizzati in una doppia elica. La doppia elica può assumere diverse strutture, grazie alla parziale libertà concessa dal legame glicosidico. Le tre strutture principali sono le eliche A, B e Z. Queste tre conformazioni differiscono per l’andamento (A e B sono destrorse, mentre Z è sinistrorsa), ma anche proprio dall’aspetto (A è corta e larga, mentre B e Z sono strette e sottili). Le eliche possono presentare anche dei superavvolgimenti, torsioni dell’elica che rendono le eliche maggiormente o minormente avvolte (nello specifico, si parla di superavvolgimento positivo e negativo).

Il DNA può dar luogo ad interazioni “alternative”: quando nei due filamenti sono presenti delle sequenze particolari (es. palindrome oppure speculari) diventano possibili appaiamenti anche inusuali, che danno origine a strutturi carciformi, triplex, ecc. Quando si instaura un legame di Hoogsteen, possiamo vedere due filamente riarrangiarsi per un tratto dell’elica e formare un appaiamento tra 3 filamenti.

Se al DNA viene fornito un eccesso di energia (riscaldamento fino a 70°C ca) si ha la manifestazione della denaturazione: i due filamenti si svolgono e perdono i legami di appaiamento. Quando però la temperatura si abbassa, il DNA tende spontaneamente a ristabilire la doppia elica.

L’enzima topoisomerasi è l’enzima in grado di modificare il grado di superavvolgimento, chiamato densità di superelica: il parametro è misurabile come il rapporto tra n° di giri di superelica e n° di giri di doppia elica.

• Topoisomerasi I: rompe temporaneamente uno dei due filamenti di DNA, per permettere di ruotare intorno a quella integra, per poi riunirle modificando il LK (linking number).
• Topoisomerasi II: rompono entrambe le catene, aumentando l’avvolgimento il doppio. Sono ATP-dipendenti.

Il meccanismo delle topoisomerasi I deriva dalla loro struttura. Uno dei due filamenti viene rotto ed unito saldamente all’enzima. Il filamento integro viene allocato in una cavità interna all’enzima, quindi il filamente inizialmente rotto viene riunito. Al termine del meccanismo, l’enzima si “apre” per consentire la fuga del filamento del DNA: Il meccanismo della topoisomerasi II invece intrappola il segmento di uno dei filamenti e lo aprono a metà. In questo modo, il secondo enzima che giunge sull’enzima lo attraversa, ed in seguito il primo filamento viene chiuso.

I Geni

I geni sono le unità funzionali contenenti le informazioni del DNA. Durante la fase replicativa, sono contenuti nei cromosomi. Il gene rappresenta fisicamente una sequenza di DNA, caratterizzata da alcuni elementi sequenziali al suo interno precisi:

• un promotore, ovvero una serie di nucleotidi che indicano che si ha l’inizio dell’informazione genica
• Introni/esoni: il “corpo” del gene, contenente sia sequenza codificanti che non condificanti
• Sistemi di protezione, ovvero meccanismi di capping (in testa) e poliadenilazioni (in coda)per proteggere da attacchi il codice.

Il DNA viene compattato in strutture filamentose chiamate cromatina. La cromatina constituisce le unità strutturali dei geni, il nucleosoma. Esso è dovuto alla capacità della cromatina di creare strutture super condensate, la cromatina. Delle proteine specifiche, gli istoni, sono in grado di costituire la struttura supercompatta, aiutati anche dagli istoni linker e fattori di interazione. Queste strutture possono indurre un numero di modidficazioni teoricamente infinito, ma si è osservato una serie di modificazioni spesso ricorrente, perciò ultimamente si sta ipotizzando la presenza di un “codice istonico”. I nucleosomi sono compattati secondo una conformazione definita “a collana di perle”. La cromatina appare come una struttura filamentosa. È possibile definirne due strutture:

• ​eterocromatina, struttura super compatta della cromatina
• Eucromatina, struttura poco condensata

La diffusione dell’eterocromatina nell’eucromatina può portare alla mutazione di alcuni geni.