Codice genetico
Il concetto di codice genetico si è evoluto insieme all'idea che la traduzione necessitava di uno stampo. Il materiale genetico nel nucleo è fisicamente separato (mediante la membrana nucleare) dal citoplasma, dove avviene la sintesi proteica nelle cellule eucariote. Quindi il DNA in sé non può servire da stampo. Lo stampo, come abbiamo visto nella trascrizione, viene fornito dall'RNA messaggero, così chiamato per la sua capacità di passare dal nucleo, dove avviene la sua sintesi, al citoplasma, dove svolge la sua funzione.
Il passaggio dalla sequenza nucleotidica all'aminoacido è comprensibile facendo alcuni calcoli. Come è già stato detto, gli acidi nucleici sono polimeri lineari composti da quattro nucleotidi. Non è ovviamente possibile per quattro nucleotidi specificare i 20 diversi aminoacidi nel rapporto "un nucleotide un aminoacido". Per ciascun aminoacido sarà necessario un gruppo di nucleotidi. La decifrazione del codice dei nucleotidi deve essere in grado di specificare almeno venti "parole". Se per il codice venissero usati gruppi di due nucleotidi si potrebbero formare solo 42 = 16 combinazioni: un numero insufficiente. Se prendiamo invece tre nucleotidi per ogni aminoacido, ecco che le possibilità aumentano a 43 = 64 combinazioni. Un codice di tre o più nucleotidi è dunque quello che serve.
Tra i diversi codici ipotizzati, in realtà quello che sembra essere valido per tutti gli organismi è il codice della tripletta (tre nucleotidi). Le triplette vengono lette una dietro l'altra, senza "punteggiatura".
Ciascuna tripletta del filamento di RNA si chiama codone. Tutti i 64 possibili codoni specificano per gli aminoacidi, tranne 3 che vengono chiamati triplette stop e che sono segnali di fine per la traduzione. Ciascun codone ha lo stesso significato per i diversi organismi: il codice è universale. Poiché ci sono 61 codoni per 20 aminoacidi, molti di essi vengono specificati da più di un codone. In genere le triplette per lo stesso aminoacido hanno in comune le prime due basi, mentre la terza varia. Il codice per questa caratteristica viene detto degenerato, che vuol semplicemente dire che c'è ridondanza di codoni, senza che possa esservi per questo alcuna ambiguità nella traduzione perché ciascuna tripletta codifica per un solo aminoacido. Il codone d'inizio è la tripletta AUG, specifica per l'aminoacido metionina: tutte le proteine nelle cellule, sia procariote sia eucariote, cominciano con questo aminoacido.
Scoperto il tipo di codice non c'è però alcuna evidenza che avvenga un riconoscimento diretto tra le basi dell'mRNA e aminoacidi specifici: la tripletta da sola non è in grado di selezionare direttamente gli aminoacidi. Questa incongruità di struttura tra tripletta e aminoacidi ha fatto pensare all'esistenza di un adattatore, in grado di mediare il riconoscimento. Questa molecola adattatore deve avere una precisa caratteristica: essere in grado di riconoscere da una parte il codone e dall'altra l'aminoacido corrispondente a quel codone. L'RNA di trasporto (tRNA) è l'adattatore, piccola molecola polinucleotidica, alla cui estremità si attacca un aminoacido. Per ogni aminoacido esiste almeno un tRNA. Convenzionalmente il nome dell'aminoacido con cui si lega un certo tRNA si scrive come esponente abbreviato: per esempio, tRNAala è il tRNA per l'alanina. Ciascun tRNA contiene nella sua sequenza una tripletta di nucleotidi chiamata anticodone, che è complementare al codone di mRNA specifico per un determinato aminoacido. Il doppio riconoscimento avviene grazie alla particolare struttura del tRNA, il quale ha una caratteristica forma "a trifoglio", dove la foglia centrale contiene alla sua estremità la tripletta anticodone mentre lo stelo si lega all'aminoacido.
Il complesso tRNA più aminoacido corrispondente viene chiamato aminoacil-tRNA. L'aminoacil-tRNA si lega col suo anticodone al codone del filamento di mRNA e trasferisce l'aminoacido alla catena polipeptidica che si va formando. Esistono almeno 20 enzimi specifici in grado di riconoscere e di catalizzare il legame tra gli aminoacidi e i loro corrispondenti tRNA. Questi enzimi accoppiatori sono chiamati aminoacil-tRNA sintetasi.
Dopo che il legame si è formato, l'accuratezza della sintesi proteica è dovuta esclusivamente al riconoscimento codone-anticodone. Le interazioni chimiche altamente specifiche della traduzione, che richiedono la partecipazione di molte proteine, non avvengono in libera soluzione: il venire a contatto di tutti i componenti della reazione fino a ora descritti costituirebbe un evento rarissimo e la polimerizzazione sarebbe lenta e inefficiente. Invece l'mRNA con i suoi codoni e i tRNA caricati dei loro aminoacidi vengono messi a contatto attraverso il legame con un'altra complessa struttura intracellulare: il ribosoma. I ribosomi, corpuscoli rotondeggianti, sono molto numerosi nei tessuti secernenti grandi quantità di proteine. La loro struttura è simile in tutte le cellule. Si tratta di un complesso formato da molecole di RNA e da proteine organizzate in due subunità.
