codice genetico
codice genetico
Degenerazione del codice genetico
La traduzione della sequenza nucleotidica dell’mRNA in quella amminoacidica della proteina si fonda sull’appaiamento delle basi complementari fra una tripletta (codone) dell’mRNA e la corrispondente tripletta complementare (anticodone) del tRNA che trasporta uno specifico amminoacido. Per ciascuna delle tre posizioni in un codone vi sono quattro basi nucleotidiche possibili. I quattro nucleotidi presenti nella molecola del DNA, a gruppi di 3, danno luogo a 64 codoni diversi. Di questi, 3 codoni (UAG, UAA e UGA) non codificano nessun amminoacido ma segnalano la fine del messaggio genetico e vengono pertanto definiti codoni di arresto o codoni non senso. Rimangono così 61 codoni che specificano 20 amminoacidi (codoni di senso); perciò la maggior parte degli amminoacidi corrisponde a più di un codone. Per questo motivo si parla di degenerazione del codice genetico.
L’imprecisione dell’appaiamento
La degenerazione del codice implica che un singolo tRNA possa corrispondere per appaiamento di basi a più di un codone e che ad ognuno degli amminoacidi debba corrispondere più di un tRNA. In effetti si verificano entrambe le situazioni: per alcuni amminoacidi esiste realmente più di una molecola di tRNA, inoltre la costituzione dell’anticodone di alcune molecole di tRNA è tale da esigere l’appaiamento accurato delle basi solo nelle prime due posizioni del codone mentre viene tollerata una discordanza nella terza base. Tale fenomeno, per cui un tRNA può riconoscere più codoni, viene definito vacillamento del codice genetico. L’appaiamento tra codone e anticodone è regolare per quanto riguarda A-U e G-C per le basi nelle prime due posizioni del codone, ma ammette l’appaiamento G-U nella terza posizione. In generale, quando la base in terza posizione dei codoni è una pirimidina (U o C), uno stesso anticodone può appaiarsi a due codoni alternativi. Questo appaiamento ‘incerto’ spiega come mai molti dei codoni alternativi per lo stesso amminoacido differiscono solo nel terzo nucleotide della tripletta. Nei batteri l’appaiamento codone/anticodone rende possibile l’abbinamento di 20 amminoacidi ai rispettivi 61 codoni con soli 31 tipi di molecole di tRNA. Il numero dei differenti tRNA varia da una specie all’altra. Per esempio, la specie umana ha 497 geni per i tRNA, ma tra di essi sono rappresentati solo 49 diversi anticodoni.
Mutazioni silenti e conservative
Nell’attribuzione del codice, l’ordine dei nucleotidi nelle triplette sembra essere non causale. Per es., quando le due prime basi sono identiche la terza può essere sia citosina (C) che uracile (U), e il codone codificherà lo stesso amminoacido. Inoltre i codoni con pirimidine (citosina, timina e uracile) in seconda posizione specificano prevalentemente amminoacidi idrofobici, mentre quelli con purine (adenina e guanina) nella stessa posizione specificano principalmente amminoacidi polari. Quindi una mutazione nella terza lettera porta generalmente allo stesso amminoacido, mentre una nella seconda determina la codifica di amminoacidi simili. Anche nelle basi in prima posizione nelle triplette si possono verificare sostituzioni silenti o conservative, ma con minore frequenza. Il codice genetico sembra quindi essere stato ottimizzato dall’evoluzione per minimizzare gli effetti delle mutazioni sulla struttura delle proteine. Il DNA di tutti gli organismi è soggetto a una varietà di cambiamenti ereditabili, ossia a mutazioni. Alcune mutazioni avvengono per sostituzioni di basi sulla sequenza del DNA; solitamente esse consistono nella sostituzione di un unico nucleotide. Le mutazioni che si verificano sul DNA codificante possono essere ‘sinonime’ o silenti, quando non modificano la sequenza del prodotto genico, oppure ‘non sinonime’ se alterano la sequenza del prodotto genico. Una mutazione sinonima determina un cambiamento di codone, ma non di amminoacido, in virtù della degenerazione del codice genetico. Questo tipo di mutazione è quello che si osserva più frequentemente nel DNA codificante, perché non è soggetto alla pressione selettiva della selezione naturale. Le posizioni di basi in cui le tre possibili sostituzioni nella base in terza posizione sono sinonime vengono dette siti degenerati 4 volte. Anche alcune sostituzioni della prima base del codone possono essere silenti. Le mutazioni non sinonime che danno origine a un codone che specifica un amminoacido diverso da quello originario, possono essere però conservative, ossia l’amminoacido viene sostituito da un altro chimicamente simile, con effetti ininfluenti sulla funzione della proteina. Il codice genetico sembra essersi evoluto in modo che codoni specificanti amminoacidi simili siano a loro volta simili. Ad esempio, i codoni che codificano l’acido aspartico (GAC e GAT) e l’acido glutammico (GAA e GAG) garantiscono che l’incertezza nella terza base in un codone GAX (dove X è un qualsiasi nucleotide) abbia un effetto minimo. Anche alcuni cambiamenti della prima base possono essere conservativi, per es. CUX (leucina) e GUX (valina).
Il codon usage
Il recente sequenziamento di vari geni ha permesso di mostrare che anche il modo in cui nelle diverse specie vengono utilizzati i codoni codificanti lo stesso amminoacido sembra non essere casuale. Alcuni di questi codoni sono presenti quasi sempre, mentre altri non compaiono mai. La scelta preferenziale di alcuni codoni anziché altri per incorporare lo stesso amminoacido, a seconda del gruppo sistematico (ad es. Batteri o Mammiferi), è un fenomeno dovuto all’evoluzione, e viene detto codon usage. L’utilizzo dei codoni è correlato con l’abbondanza di alcuni tRNA rispetto ad altri; i codoni usati più di frequente sono quelli i cui tRNA isoaccettori sono presenti nella cellula in numero maggiore. Anche la forza dell’interazione codone-anticodone influisce sull’uso preferenziale di alcuni codoni rispetto ad altri.