Il DNA (acido desossiribonucleico) è uno dei componenti più importanti della materia vivente. Attraverso di essa si effettua la conservazione e la trasmissione delle informazioni ereditarie di generazione in generazione con possibilità di variabilità entro certi limiti. La sintesi di tutte le proteine necessarie per un sistema vivente sarebbe impossibile senza una matrice di DNA. Di seguito considereremo la struttura, la formazione, il funzionamento di base e il ruolo del DNA nella biosintesi delle proteine.
La struttura della molecola del DNA
L'acido desossiribonucleico è una macromolecola composta da due filamenti. La sua struttura ha diversi livelli di organizzazione.
La struttura primaria della catena del DNA è una sequenza di nucleotidi, ciascuno contenente una delle quattro basi azotate: adenina, guanina, citosina o timina. Le catene sorgono quando lo zucchero desossiribosio di un nucleotide si unisce al residuo fosfato di un altro. Questo processo viene eseguito con la partecipazione di un catalizzatore proteico - DNA ligasi
- La struttura secondaria del DNA è la cosiddetta doppia elica (più precisamente, una doppia vite). I motivi sono capaciconnettersi tra loro come segue: adenina e timina formano un doppio legame idrogeno e guanina e citosina formano un triplo. Questa caratteristica è alla base del principio di complementarietà di base, secondo il quale le catene sono collegate tra loro. In questo caso si verifica una torsione elicoidale (più spesso a destra) della doppia catena.
- Una struttura terziaria è una complessa conformazione di un'enorme molecola che si verifica attraverso legami idrogeno aggiuntivi.
- La struttura quaternaria è formata in combinazione con proteine e RNA specifici ed è il modo in cui il DNA è impacchettato nel nucleo cellulare.
Funzioni del DNA
Consideriamo il ruolo che il DNA gioca nei sistemi viventi. Questo biopolimero è una matrice contenente una registrazione della struttura di varie proteine, dell'RNA necessario all'organismo e di vari tipi di siti regolatori. In generale, tutte queste componenti costituiscono il programma genetico del corpo.
Attraverso la biosintesi del DNA, il programma genetico viene trasmesso alle generazioni successive, garantendo l'eredità delle informazioni fondamentali per la vita. Il DNA è in grado di mutare, per cui si verifica la variabilità degli organismi viventi di una specie biologica e, di conseguenza, è possibile il processo di selezione naturale e l'evoluzione dei sistemi viventi.
Durante la riproduzione sessuale, il DNA di un organismo-discendente si forma combinando informazioni ereditarie paterne e materne. Quando combinate, ci sono varie variazioni, che contribuiscono anche alla variabilità.
Come si riproduce il programma genetico
Grazie alla struttura complementare, è possibile l'autoriproduzione della molecola di DNA da parte della matrice. In questo caso, le informazioni in esso contenute vengono copiate. La duplicazione di una molecola per formare due "doppie eliche" figlie è chiamata replicazione del DNA. Questo è un processo complesso che coinvolge molti componenti. Ma con una certa semplificazione può essere rappresentato come un diagramma.
La replica viene avviata da uno speciale complesso di enzimi in alcune aree del DNA. Allo stesso tempo, la doppia catena si svolge, formando una forcella di replicazione, dove avviene il processo di biosintesi del DNA - l'accumulo di sequenze nucleotidiche complementari su ciascuna delle catene.
Caratteristiche del complesso di replica
La replicazione procede anche con la partecipazione di un insieme complesso di enzimi - i replisomi, in cui la DNA polimerasi gioca il ruolo principale.
Una delle catene nel corso della biosintesi del DNA è la leader ed è continuamente formata. La formazione di un filamento in ritardo avviene allegando brevi sequenze - frammenti di Okazaki. Questi frammenti sono legati usando la DNA ligasi. Tale processo è chiamato semicontinuo. Inoltre, è caratterizzato come semi-conservativo, poiché in ciascuna delle molecole appena formate una delle catene è il genitore e la seconda è la figlia.
La replicazione del DNA è uno dei passaggi chiave nella divisione cellulare. Questo processo è alla base del trasferimento di informazioni ereditarie alla nuova generazione, così come la crescita dell'organismo.
Cosa sono le proteine
Le proteine lo sonol'elemento funzionale più importante nelle cellule di tutti gli organismi viventi. Svolgono funzioni catalitiche, strutturali, regolatorie, di segnalazione, protettive e molte altre.
Una molecola proteica è un biopolimero formato da una sequenza di residui di amminoacidi. Come le molecole di acido nucleico, è caratterizzato dalla presenza di diversi livelli di organizzazione strutturale, dal primario al quaternario.
Ci sono 20 aminoacidi distinti (canonici) usati dai sistemi viventi per costruire un'enorme varietà di proteine. Di norma, le proteine non vengono sintetizzate da sole. Il ruolo principale nella formazione di una molecola proteica complessa appartiene agli acidi nucleici - DNA e RNA.
L'essenza del codice genetico
Quindi, il DNA è una matrice di informazioni che memorizza informazioni sulle proteine necessarie al corpo per crescere e vivere. Le proteine sono costituite da amminoacidi, DNA (e RNA) da nucleotidi. Alcune sequenze nucleotidiche della molecola di DNA corrispondono a determinate sequenze di amminoacidi di determinate proteine.
Ci sono 20 tipi di unità strutturali proteiche - aminoacidi canonici - in una cellula e 4 tipi di nucleotidi nel DNA. Quindi ogni amminoacido è scritto sulla matrice del DNA come una combinazione di tre nucleotidi - una tripletta, i cui componenti chiave sono basi azotate. Questo principio di corrispondenza è chiamato codice genetico e le triplette di base sono chiamate codoni. Gene èuna sequenza di codoni contenente un record di una proteina e alcune combinazioni di basi di servizio: un codone di inizio, un codone di fine e altri.
Alcune proprietà del codice genetico
Il codice genetico è quasi universale - con pochissime eccezioni, è lo stesso in tutti gli organismi, dai batteri all'uomo. Ciò testimonia, in primo luogo, il rapporto di tutte le forme di vita sulla Terra e, in secondo luogo, l'antichità del codice stesso. Probabilmente, nelle prime fasi dell'esistenza della vita primitiva, diverse versioni del codice si formarono abbastanza rapidamente, ma solo una ricevette un vantaggio evolutivo.
Inoltre, è specifico (non ambiguo): amminoacidi diversi non sono codificati dalla stessa tripletta. Inoltre, il codice genetico è caratterizzato da degenerazione o ridondanza: più codoni possono corrispondere allo stesso amminoacido.
Il record genetico viene letto continuamente; le funzioni dei segni di punteggiatura sono svolte anche da terzine di basi. Di norma, nel "testo" genetico non ci sono record sovrapposti, ma anche qui ci sono delle eccezioni.
Unità funzionali del DNA
La totalità di tutto il materiale genetico di un organismo è chiamata genoma. Pertanto, il DNA è il vettore del genoma. La composizione del genoma include non solo i geni strutturali che codificano per determinate proteine. Una parte significativa del DNA contiene regioni con differenti scopi funzionali.
Quindi, il DNA contiene:
- normativasequenze che codificano per RNA specifici, come interruttori genetici e regolatori dell'espressione genica strutturale;
- elementi che regolano il processo di trascrizione - la fase iniziale della biosintesi proteica;
- pseudogeni sono una specie di "geni fossili" che hanno perso la capacità di codificare una proteina o di essere trascritti a causa di mutazioni;
- elementi genetici mobili - regioni che possono muoversi all'interno del genoma, come i trasposoni ("geni che s altano");
- I telomeri sono regioni speciali alle estremità dei cromosomi, grazie alle quali il DNA nei cromosomi è protetto dall'accorciamento ad ogni evento di replicazione.
Coinvolgimento del DNA nella biosintesi delle proteine
Il DNA è in grado di formare una struttura stabile, il cui elemento chiave è il composto complementare di basi azotate. Il doppio filamento di DNA fornisce, in primo luogo, la riproduzione completa della molecola e, in secondo luogo, la lettura di singole sezioni di DNA durante la sintesi proteica. Questo processo è chiamato trascrizione.
Durante la trascrizione, una sezione di DNA contenente un certo gene viene srotolata, e su una delle catene - quella stampo - viene sintetizzata una molecola di RNA come copia della seconda catena, detta codificante. Questa sintesi si basa anche sulla proprietà delle basi di formare coppie complementari. Le regioni di servizio del DNA non codificanti e l'enzima RNA polimerasi prendono parte alla sintesi. L'RNA funge già da modello per la sintesi proteica e il DNA non è coinvolto nell'ulteriore processo.
Trascrizione inversa
Per molto tempo si è creduto che la matricela copia dell'informazione genetica può andare solo in una direzione: DNA → RNA → proteine. Questo schema è stato chiamato il dogma centrale della biologia molecolare. Tuttavia, nel corso della ricerca, è stato riscontrato che in alcuni casi è possibile copiare dall'RNA al DNA, la cosiddetta trascrizione inversa.
La capacità di trasferire materiale genetico dall'RNA al DNA è caratteristica dei retrovirus. Un tipico rappresentante di tali virus contenenti RNA è il virus dell'immunodeficienza umana. L'integrazione del genoma virale nel DNA di una cellula infetta avviene con la partecipazione di un enzima speciale: la trascrittasi inversa (revertasi), che funge da catalizzatore per la biosintesi del DNA su un modello di RNA. Anche la revertasi fa parte della particella virale. La molecola appena formata viene integrata nel DNA cellulare, dove serve a produrre nuove particelle virali.
Cos'è il DNA umano
Il DNA umano, contenuto nel nucleo cellulare, è racchiuso in 23 coppie di cromosomi e contiene circa 3,1 miliardi di nucleotidi accoppiati. Oltre al DNA nucleare, le cellule umane, come altri organismi eucarioti, contengono DNA mitocondriale, un fattore nell'ereditarietà degli organelli cellulari mitocondriali.
I geni codificanti del DNA nucleare (ce ne sono da 20 a 25 mila) costituiscono solo una piccola parte del genoma umano - circa l'1,5%. Il resto del DNA era precedentemente chiamato "spazzatura", ma numerosi studi rivelano il ruolo significativo delle regioni non codificanti del genoma, che sono state discusse sopra. È anche estremamente importante studiare i processitrascrizione inversa nel DNA umano.
La scienza ha già una comprensione abbastanza chiara di cosa sia il DNA umano in termini strutturali e funzionali, ma l'ulteriore lavoro degli scienziati in quest'area porterà nuove scoperte e nuove tecnologie biomediche.
