Biologia molecolare

2.4

Clonazione

Negli anni Settanta la biologia molecolare conobbe un periodo di grande sviluppo, durante il quale, grazie alle basi teoriche elaborate negli anni precedenti, sono state messe a punto le tecniche di clonazione. Queste permettono di riprodurre in larga scala piccoli frammenti di DNA, isolati dal patrimonio genetico di un organismo e introdotti nel DNA di un microrganismo (ad esempio, all'interno di un batterio). Disponendo di una certa quantità di frammento, è quindi possibile analizzarne la sequenza e determinare se essa corrisponde a quella di un particolare gene che codifica per una determinata proteina.

2.5

Sequenziamento del DNA

Grazie a una procedura sperimentale messa a punto da Frederick Sanger nel 1977, è oggi possibile leggere la sequenza lineare delle basi di un frammento di DNA. Il metodo viene oggi utilizzato anche da tutti i laboratori coinvolti nel Progetto Genoma Umano, che si pongono l'obiettivo di identificare tutti i geni presenti nel patrimonio genetico della nostra specie. Conoscendo la sequenza di basi del DNA, si può identificare ciascun gene come sequenza lineare di basi, che a sua volta indica, in base al codice genetico, la sequenza di amminoacidi della proteina corrispondente. In generale, è molto più facile ordinare le sequenze di basi del DNA che non quelle degli amminoacidi delle proteine; per questo motivo, di solito la sequenza amminoacidica di una proteina viene identificata indirettamente, a partire dalla sequenza del gene corrispondente. Quando si identifica la sequenza di un gene, che in alcuni individui è presente in una forma mutata e responsabile di una specifica malattia, dal confronto tra le sequenze del gene normale e del gene mutato è possibile individuare qual è la tripletta alterata.

2.6

Differenze tra procarioti ed eucarioti

Gli organismi viventi si dividono in procarioti (ad esempio batteri) ed eucarioti (ad esempio animali e piante). La maggiore differenza tra le cellule di questi due gruppi di organismi sta nel fatto che i procarioti presentano il materiale genetico libero nel citoplasma, mentre negli eucarioti esso si trova segregato all'interno di un nucleo circondato da membrana. Questa differenza strutturale comporta anche piccole variazioni nei processi di trascrizione e traduzione descritti. Negli eucarioti, infatti, la trascrizione del DNA in mRNA avviene nel nucleo; poi le molecole di mRNA vengono traslocate nel citoplasma, dove ha luogo la sintesi delle proteine. Negli eucarioti, inoltre, i geni sono costituiti da una serie di frammenti che codificano per porzioni di proteina, detti esoni, interrotti da regioni a funzione ignota, detti introni, fenomeno che fu descritto dal chimico statunitense Phillip A. Sharp e dal chimico britannico Richard J. Roberts. Durante la trascrizione, sia gli introni che gli esoni vengono copiati nella molecola di mRNA; successivamente, quando si trova ancora nel nucleo, l'mRNA viene sottoposto a un processo di 'taglia e cuci' (splicing), nel corso del quale gli introni vengono rimossi e gli esoni vengono uniti l'uno all'altro a formare una sequenza continua.

Sebbene il significato della presenza degli introni nei geni degli eucarioti non sia ancora del tutto chiaro, alcuni ricercatori ritengono che la loro esistenza permetta una serie di combinazioni di frammenti genici che andrebbe ad aumentare il numero delle possibili proteine prodotte dall'organismo. Secondo questa ipotesi, cioè, i geni degli eucarioti sarebbero costituiti da un numero relativamente basso di strutture modulari, gli esoni, in grado di combinarsi in modi diversi per dare luogo a una vastissima gamma di geni e, di conseguenza, a una grandissima varietà di strutture proteiche.

2.7

Regolazione dell'espressione genica

L'espressione genica è il fenomeno per cui un gene viene trascritto e tradotto in una proteina funzionale. Benché tutte le cellule dell'organismo contengano al loro interno la sequenza completa di tutto il genoma, non tutti i geni sono espressi ugualmente in tutte le cellule, ma l'espressione varia a seconda delle diverse funzioni cellulari. Quindi, nel citoplasma di una cellula del tessuto muscolare si trovano le molecole di mRNA e le proteine necessarie alla contrazione dei muscoli, ma non le molecole di mRNA e le proteine specifiche delle funzioni di una cellula del sangue. Nella maggior parte dei casi, queste differenze di espressione genica sono determinate da meccanismi di regolazione, che avvengono durante la trascrizione e che sono diretti da apposite proteine regolatrici, detti fattori di trascrizione, generalmente specifici di ciascun tessuto. In casi più rari, le differenze di espressione possono essere dovute anche a meccanismi di regolazione operanti a livello della traduzione.

2.8

Struttura delle proteine

Da quanto detto sopra, si può dedurre che l'attività funzionale di una proteina debba essere correlata alla sua sequenza lineare di amminoacidi. Quest'ultima non è, tuttavia, sufficiente a conferire attività a una molecola proteica, se la proteina non è anche ripiegata in modo tale da assumere una struttura tridimensionale. Questa struttura è specifica di ogni proteina e dipende dalle forze di attrazione e dai legami che si instaurano tra gli amminoacidi. Negli anni Sessanta il biochimico statunitense John C. Kendrew riuscì per primo, con la tecnica della cristallografia a raggi X, a determinare la struttura tridimensionale di una proteina purificata, la mioglobina; successivamente Max Perutz determinò con le stesse tecniche la struttura simile, ma più complessa, dell'emoglobina.