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DNA: replicazione, trascrizione e traduzione

Dal DNA alla proteina: replicazione semiconservativa, trascrizione, codice genetico e traduzione, con errori tipici ed esercizi svolti con tabella dei codoni.

di Gaetano Livornese

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Se sei in quarta al liceo scientifico, a ottobre le scienze di solito passano alla biologia molecolare: il DNA, come si copia, come diventa proteina. Spesso l’argomento è appena cominciato o sta per cominciare, e la verifica che lo contiene cade fra sei e nove settimane circa, tra metà novembre e dicembre. C’è tempo per costruirsi uno schema solido, e conviene farlo adesso, perché regolazione genica e mutazioni, che arrivano dopo, poggiano tutte su questo pezzo.

Il filo logico è uno solo: DNA → RNA → proteina. La replicazione copia il DNA, la trascrizione ne ricava un RNA messaggero, la traduzione usa l’mRNA per costruire la proteina. Per la divisione cellulare, dove il DNA viene copiato prima di essere distribuito, ho scritto mitosi e meiosi con esercizi; per la cellula e le biomolecole del biennio c’è il post su cellula e biomolecole; per l’angolo test di ammissione, biologia cellulare e molecolare per Medicina. Qui mi concentro sul meccanismo, passo per passo.

La struttura del DNA, in breve

Il DNA è una doppia elica di due filamenti antiparalleli: uno va in direzione 5’→3’, l’altro in 3’→5’. Ogni nucleotide ha uno zucchero (desossiribosio), un gruppo fosfato e una base azotata. Le basi si appaiano sempre allo stesso modo:

Adenina e timina fanno due legami a idrogeno, guanina e citosina tre. Conseguenza utile per gli esercizi: in un DNA a doppio filamento e , quindi .

Replicazione: semiconservativa

Prima che la cellula si divida, il DNA va copiato. Il processo, in ordine:

  1. l’elicasi apre la doppia elica, formando la forca di replicazione;
  2. la primasi costruisce un breve innesco di RNA;
  3. la DNA polimerasi aggiunge nucleotidi complementari, solo in direzione 5’→3’;
  4. la DNA ligasi salda i frammenti.

Siccome i filamenti sono antiparalleli e la polimerasi lavora in una sola direzione, un filamento (continuo, o veloce) viene sintetizzato in un pezzo solo, seguendo la forca. L’altro (discontinuo, o lento) viene sintetizzato a tratti, i frammenti di Okazaki, poi uniti dalla ligasi.

Il risultato è semiconservativo: ogni molecola figlia ha un filamento vecchio e uno nuovo. Dopo cicli a partire da una molecola si hanno molecole, di cui sempre e solo 2 contengono un filamento originale.

Trascrizione: dal DNA all’mRNA

La RNA polimerasi si lega a una regione del DNA (il promotore), apre l’elica e costruisce un filamento di mRNA leggendo un solo filamento di DNA, lo stampo, in direzione 3’→5’; l’mRNA cresce quindi in direzione 5’→3’. Due differenze rispetto al DNA da tenere a mente:

  • nell’RNA lo zucchero è il ribosio;
  • al posto della timina c’è l’uracile ().

L’mRNA ha quindi la stessa sequenza del filamento codificante del DNA (quello non letto), con al posto di . Negli eucarioti l’mRNA prima di uscire dal nucleo viene maturato (taglio degli introni, giunzione degli esoni), ma per gli esercizi base si lavora sull’mRNA già pronto.

Codice genetico e traduzione

Il codice genetico è a triplette: ogni gruppo di tre basi dell’mRNA, un codone, specifica un amminoacido o un segnale. Qualche codone da conoscere:

CodoneSignificato
AUGMet (metionina), anche inizio
UUUPhe (fenilalanina)
GGCGly (glicina)
GAAGlu (acido glutammico)
AAALys (lisina)
UGGTrp (triptofano)
GCUAla (alanina)
CUGLeu (leucina)
UCUSer (serina)
UAAStop

Il codice è degenere (più codoni per lo stesso amminoacido) ma non ambiguo (ogni codone ne indica uno solo). Nel compito la tabella completa di solito è fornita; quello che si valuta è che tu sappia leggerla.

La traduzione avviene sul ribosoma: il ribosoma si aggancia all’mRNA, trova l’AUG e legge un codone alla volta. Ogni tRNA porta un amminoacido e ha un anticodone complementare al codone; la catena di amminoacidi cresce finché non arriva un codone di stop, e allora la proteina si stacca.

Errori tipici

  • T e U confusi. Nell’mRNA non c’è mai la T; nel DNA non c’è mai la U.
  • Stampo e codificante scambiati. L’mRNA è complementare allo stampo, quindi uguale al codificante (con U). Chi lo copia dallo stampo senza complementare sbaglia tutto.
  • Antiparallelo ignorato. Se leggi uno stampo scritto 3’→5’, l’mRNA esce in 5’→3’. Scrivi sempre le estremità e, quando devi riportare la sequenza, riscrivila in 5’→3’.
  • Il codone di stop conta come amminoacido. Non lo è: non ha tRNA corrispondente.
  • Replicazione e trascrizione mescolate. Replicazione: tutto il DNA, entrambi i filamenti, DNA polimerasi. Trascrizione: un gene, un solo filamento, RNA polimerasi.

Esercizio 1: dalla sequenza di DNA alla proteina

Un tratto di filamento stampo è, scritto in 3’→5’:

Trova l’mRNA e la sequenza di amminoacidi.

Svolgimento. L’mRNA è complementare allo stampo, con U al posto di T, e si scrive in 5’→3’. Complementando base per base (T→A, A→U, C→G, G→C):

Divido in codoni: AUG · UUU · GGC · GAA · AAA · UGG · GCU · CUG · UCU · UAA. Traduco: Met – Phe – Gly – Glu – Lys – Trp – Ala – Leu – Ser – stop. La proteina ha 9 amminoacidi (30 nucleotidi = 10 codoni, di cui l’ultimo è lo stop).

Il filamento codificante è quindi 5’-ATGTTTGGCGAAAAATGGGCTCTGTCTTAA-3’: stessa sequenza dell’mRNA, con T.

Esercizio 2: una mutazione

Nello stesso gene, la G del codone GAA (il quarto) è sostituita da una U nell’mRNA. Cosa cambia?

Svolgimento. Il codone diventa UAA, cioè uno stop. La traduzione si ferma al quarto codone: la proteina è Met – Phe – Gly, di 3 amminoacidi invece di 9. È una mutazione non senso e, di solito, produce una proteina non funzionante. Nel DNA codificante la modifica è GAA → TAA.

Esercizio 3: conti sul DNA e sulla replicazione

Un frammento di DNA a doppio filamento ha 400 nucleotidi totali e la A è il 30 %. Quante basi di ciascun tipo?

Svolgimento. , quindi e , cioè . Su 400 nucleotidi: e . Controllo: .

Se questo frammento viene replicato 3 volte di seguito, quante molecole si ottengono e quante contengono un filamento originale?

Svolgimento. Dopo 3 cicli: molecole. I due filamenti originali sono ancora presenti, uno in ciascuna di 2 molecole: 2 molecole miste, le altre 6 composte solo da filamenti nuovi.

Infine: un gene codifica una proteina di 29 amminoacidi. Quanti nucleotidi ha la regione codificante, escluso lo stop, e quanti con lo stop? Ogni amminoacido è un codone di 3 nucleotidi: . Aggiungendo il codone di stop (3 nucleotidi) il gene ne ha 90, cioè 30 codoni, come nella FAQ qui sotto.

Metti alla prova

Se vuoi esercitarti sulle verifiche di scienze e sulle altre materie del liceo, c’è la simulazione sulle verifiche del liceo: provala dopo aver rifatto da solo i tre esercizi qui sopra, senza guardare lo svolgimento. Se il passaggio da stampo a mRNA ti confonde ancora, nelle mie ripetizioni 1-a-1 online lo faccio partire sempre da una sequenza scritta a mano, passo per passo.

Domande frequenti

Qual è la differenza tra filamento stampo e filamento codificante?

Il filamento stampo è quello che la RNA polimerasi legge per costruire l'mRNA; il codificante ha la stessa sequenza dell'mRNA, con T al posto di U.

Perché si dice che la replicazione del DNA è semiconservativa?

Perché ogni molecola figlia contiene un filamento originale e uno nuovo, sintetizzato usando quello originale come stampo.

Quanti amminoacidi codifica una sequenza di 90 nucleotidi?

90 nucleotidi sono 30 codoni; se l'ultimo è un codone di stop, gli amminoacidi sono 29, perché il codone di stop non codifica nessun amminoacido.

Perché i frammenti di Okazaki si formano solo su un filamento?

La DNA polimerasi allunga solo in direzione 5'→3'. Su un filamento segue la forca di replicazione, sull'altro deve procedere a tratti, producendo frammenti.

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