Meccanismi Molecolari: Enzimi, DNA e Sintesi Proteica Cellulare

Gli Enzimi: Catalizzatori Biologici

Gli enzimi hanno proprietà catalitiche (velocizzano le reazioni chimiche in modo che i processi vitali avvengano in condizioni blande). Essi agiscono su molecole dette substrati e hanno elevata specificità (riconoscono pochi o un solo substrato).

Nonostante le maggiori dimensioni del substrato, solo una parte dell'enzima è interessata nell'attività catalitica, costituita da una ripiegatura della superficie.

Modelli di Interazione Enzima-Substrato

• Il Modello chiave-serratura di Fischer, secondo cui il substrato si adatta a una fenditura dell'enzima, non è considerato corretto.
• Il Modello dell'adattamento indotto: il substrato, legandosi all'enzima, ne modifica la struttura e ne migliora l'aderenza.

Regolazione dell'Attività Enzimatica

L'attività enzimatica è regolata dalla cellula in due modi:

• Passivamente: dalla concentrazione di enzima e substrato, dalla temperatura e dal pH.
• Attivamente: dagli inibitori, che disattivano temporaneamente o permanentemente l'enzima.

Acidi Nucleici: DNA e RNA

Gli Acidi Nucleici (DNA e RNA) sono i depositari dell'informazione genetica e controllano la sintesi delle proteine. Sono polimeri lineari formati da nucleotidi, ciascuno composto da:

1. Uno zucchero a 5 atomi di carbonio.
2. Una base azotata.
3. Un gruppo fosfato.

Basi Azotate e Struttura

Le basi azotate del DNA sono:

• Purine: Adenina (A) e Guanina (G).
• Pirimidine: Timina (T) e Citosina (C).

Nell'RNA, l'Uracile (U) sostituisce la Timina.

La struttura del DNA è a doppia elica, con i gradini formati da coppie delle quattro basi unite da legami idrogeno, seguendo la regola di appaiamento complementare: Adenina solo con Timina, Guanina solo con Citosina.

Ruolo Energetico dei Nucleotidi

I nucleotidi sono usati sia per la sintesi degli acidi nucleici sia come fonte di energia. L'adenina lega due gruppi fosfato a quello già esistente, permettendo alla cellula di produrre ATP (Adenosina Trifosfato), la fonte energetica per moltissime attività cellulari.

Tipi di RNA

L'RNA è costituito da un solo filamento. Esistono tre tipi principali:

• RNA messaggero (mRNA): trascrive il codice genetico e trasporta l'informazione fino ai ribosomi. Per ogni proteina esiste un mRNA specifico.
• RNA ribosomiale (rRNA): è il principale costituente dei ribosomi.
• RNA transfer (tRNA): trasporta gli amminoacidi durante la sintesi proteica.

Duplicazione del DNA (Replicazione)

Le informazioni contenute nelle eliche del DNA sono essenziali per la riproduzione cellulare. Quando le cellule si dividono per mitosi, le molecole di DNA si duplicano grazie all'azione di enzimi che rompono i legami idrogeno e aprono la doppia elica. Il complesso di duplicazione si aggancia al filamento stampo e assembla quello complementare.

Enzimi Coinvolti nella Duplicazione

Gli enzimi lavorano in sequenza per creare un nuovo filamento:

1. La Primasi sintetizza un primer di RNA complementare al filamento di DNA, permettendo l'inizio dell'attività della DNA polimerasi.
2. La DNA Polimerasi lega un nucleotide alla volta all'estremità 3' del primer (che viene poi sostituito dal DNA).
3. La DNA Ligasi unisce i frammenti creando un unico filamento continuo.
4. La Telomerasi catalizza l'aggiunta dei telomeri (parti di cromosoma che non vengono duplicate dalla DNA polimerasi).

Sintesi delle Proteine

La sintesi delle proteine non coinvolge direttamente il DNA (che si trova nel nucleo) ma avviene nel citoplasma. Il processo si divide in due fasi principali: la Trascrizione (nel nucleo) e la Traduzione (nel citoplasma).

Il DNA viene usato come stampo per sintetizzare un filamento complementare di mRNA, composto da una serie di triplette che codificano gli amminoacidi, dette codoni.

Trascrizione del DNA

I nucleotidi coinvolti sono i ribonucleotidi. La trascrizione si svolge in tre fasi:

1. Inizio

   L'RNA polimerasi si lega alla sequenza iniziale e svolge i filamenti di DNA.

2. Allungamento

   La polimerasi legge il filamento stampo e sintetizza l'mRNA aggiungendo nucleotidi in direzione 5'-3'.

3. Terminazione

   La polimerasi giunge al sito di terminazione, si stacca dal filamento stampo e libera l'mRNA.

Traduzione (Sintesi Polipeptidica)

Il tRNA porta l'amminoacido al ribosoma e ne consente l'inserimento nella catena polipeptidica. La traduzione si svolge in tre fasi:

1. Inizio

   Si forma il complesso d'inizio in corrispondenza del codone AUG e le due subunità del ribosoma si uniscono.

2. Allungamento

   Il primo tRNA scorre nella subunità maggiore del ribosoma e il secondo entra. L'rRNA catalizza la scissione del legame tRNA-amminoacido e la formazione di legami peptidici tra gli amminoacidi. Il processo continua man mano che l'mRNA viene letto.

3. Terminazione

   Quando uno dei tre codoni di stop entra nel ribosoma, un fattore di rilascio lega l'mRNA e separa il polipeptide dal ribosoma.