Codice genetico: differenze tra le versioni

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[[File:RNA-codonscodon-it.pngsvg|thumb|Una serie di [[codone|codoni]] su una molecola di [[RNA messaggero]]. Ogni codone consiste di tre [[nucleotide|nucleotidi]], solitamente corrispondenti ad un singolo [[amminoacido]]. Le [[basi azotate]] dei nucleotidi sono abbreviate con le lettere A, U, G e C. L'RNA utilizza U ([[uracile]]), mentre il DNA utilizza T ([[timina]]) al suo posto. Questa molecola di mRNA porterà l'informazione al [[ribosoma]] per [[sintesi proteica|sintetizzare la proteina]] secondo quanto previsto dal codice.]]

Il '''codice genetico''' è l'insieme delle regole con le quali viene tradotta l'informazione codificata nei [[nucleotidi]] costituenti i [[Gene|geni]] per la sintesi di [[proteine]] nelle [[cellula (biologia)|cellule]].

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=== Codoni di inizio e di stop ===

La traduzione inizia in corrispondenza di un codone di inizio ma, a differenza del codone di termine, questi non è sufficiente per avviare il processo di sintesi; in prossimità del codone di avvio devono infatti anche trovarsi alcune sequenze tipiche che permettono all'mRNA di legarsi ai [[ribosoma|ribosomi]]. Particolari sequenze, come la [[sequenza di Shine-Dalgarno]] nell'''[[Escherichia coli]]'' e [[fattore di iniziazione|fattori di iniziazione]], sono inoltre necessari per avviare la traduzione. Il codone di inizio più comune è AUG, che codifica anche la [[metionina]] o, nei batteri, la [[formilmetionina]]. A seconda dell'organismo, codoni alternativi di inizio possono essere GUG o UUG; questi codoni normalmente rappresentano, rispettivamente, la [[valina]] e la [[leucina]], ma come codoni di inizio sono tradotti in metionina o formilmetionina.<ref name="pmid12867081">{{cita pubblicazione|autore=Touriol C|autore2=Bornes S|autore3=Bonnal S|autore4=Audigier S|autore5=Prats H|autore6= Prats AC|autore7= Vagner S |titolo=Generation of protein isoform diversity by alternative initiation of translation at non-AUG codons |rivista=Biol. Cell | volume = 95 |numero=3–4 |pp=169-78 |data=2003 | pmid = 12867081 | doi = 10.1016/S0248-4900(03)00033-9 }}</ref> Altri codoni di inizio sono CUG, UUG e, nei procarioti, GUG e AUU.<ref name="pmid23396971">{{cita pubblicazione |coautori=Wei J, Zhang Y, Ivanov IP, Sachs MS |titolo=The stringency of start codon selection in the filamentous fungus Neurospora crassa |rivista=J. Biol. Chem. |volume=288 |numero=13 |pp=9549-62 |anno=2013 |pmid=23396971 |pmc=3611022 |doi=10.1074/jbc.M112.447177 |url=http://www.jbc.org/cgi/pmidlookup?view=long&pmid=23396971 |urlmorto lingua =sì en | accesso = 21 ottobre 2022 | urlarchivio = https://archive.is/20150902120843/http://www.jbc.org/content/288/13/9549.long | dataarchivio = 2 settembre 2015 }}</ref>

Ai tre [[Codone di stop|codoni di stop]] sono stati assegnati dei nomi: UAG o codone ''Ambra'', UAA o codone ''Ocra'', e UGA o codone ''Opale''. Il codone ''Ambra'' è stato chiamato così, dagli scopritori Richard Epstein e Charles Steinberg, in onore di [[Harris Bernstein]] che lo ha scoperto ed il cui cognome significa [[ambra (colore)|ambra]] in tedesco. Gli altri due codoni di terminazione sono stati chiamati in modo da rimanere nel tema dei colori (rispettivamente [[ocra]] e [[opale]]).<ref>{{cita pubblicazione|autore=Edgar B |titolo=The genome of bacteriophage T4: an archeological dig |rivista=Genetics | volume = 168 |numero=2 |pp=575-82 |data=2004 | pmid = 15514035 | pmc = 1448817 }}</ref> I codoni di stop vengono anche chiamati codoni di "cessazione" o codoni "nonsense". Il loro scopo è di far sì che vi sia il rilascio del [[polipeptide]] nascente dal ribosoma e questo avviene poiché non vi è un tRNA affine che possieda anticodoni complementari a queste sequenze di stop, e quindi nel ribosoma viene a legarsi un [[fattore di rilascio]].<ref name="urlHow nonsense mutations got their names">{{cita web|url = http://www.sci.sdsu.edu/~smaloy/MicrobialGenetics/topics/rev-sup/amber-name.html |titolo=How nonsense mutations got their names |autore=Maloy S |data=29 novembre 2003 |sito=Microbial Genetics Course |editore=San Diego State University |accesso=10 marzo 2010 }}</ref>

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Dal 2001, 40 amminoacidi non naturali sono stati aggiunti alle proteine creando un codone unico (ricodifica) ed un corrispondente RNA transfer. Ciò ha permesso di studiare proprietà fisico-chimiche e biologiche diverse e per esplorare la struttura delle proteine, la loro funzione o per crearne di nuove o migliore quelle già esistenti.<ref name="pmid16260173">{{cita pubblicazione|autore=Xie J|autore2=Schultz PG |titolo=Adding amino acids to the genetic repertoire |rivista=Current Opinion in Chemical Biology | volume = 9 |numero=6 |pp=548-54 |data=dicembre 2005 | pmid = 16260173 | doi = 10.1016/j.cbpa.2005.10.011 }}</ref><ref name="pmid19318213">{{cita pubblicazione|autore=Wang Q|autore2=Parrish AR|autore3=Wang L |titolo=Expanding the genetic code for biological studies |rivista=Chem. Biol. | volume = 16 |numero=3 |pp=323-36 |data=marzo 2009 | pmid = 19318213 | pmc = 2696486 | doi = 10.1016/j.chembiol.2009.03.001 }}</ref>

H. Murakami e M. Sisido hanno esteso alcuni codoni portandoli a quattro e cinque basi. Steven A. Benner sintetizzò un 65° codone funzionale (''in vivo'').<ref name="isbn0-387-22046-1">{{cita libro|autore=Simon M |titolo=Emergent computation: emphasizing bioinformatics |anno=2005 |url=https://archive.org/details/emergentcomputat0000simo |editore=AIP Press/Springer Science+Business Media |città=New York |data=2005 |pp=[https://archive.org/details/emergentcomputat0000simo/page/105 105]-106 | isbn = 0-387-22046-1 }}</ref>

== Origine ==

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Se gli aminoacidi fossero stati assegnati in modo casuale ai codoni, allora ci sarebbero 1.5 x 10⁸⁴ possibili codici genetici tra cui scegliere.<ref name="isbn0-674-05075-4">{{cita libro|autore=Yarus M |titolo=Life from an RNA World: The Ancestor Within |editore=Harvard University Press |città=Cambridge |data=2010 |p=163 | isbn = 0-674-05075-4 }}</ref> Questo numero è individuato calcolando quanti modi vi sono per posizionare 21 elementi (20 aminoacidi più uno di stop) in 64 posizioni, in cui ciascun elemento è utilizzato almeno una volta. Il codice genetico usato da tutte le forme di vita conosciute è quasi universale, con solo qualche piccola variante. Ci si potrebbe quindi chiedere se tutte le forme di vita presenti sulla [[Terra]] discendano da un unico antenato che è andato incontro a mutazioni che abbiano ottimizzato il codice genetico. Sono state formulate diverse ipotesi sulle origini e sull'evoluzione del codice genetico.

Le tante ipotesi possono essere raggruppate in quattro temi principali riguardanti l'evoluzione del codice genetico:<ref name="pmid10366854">{{cita pubblicazione|autore=Knight RD|autore2=Freeland SJ|autore3=Landweber LF |titolo=Selection, history and chemistry: the three faces of the genetic code |rivista=[[Trends Biochem.in Sci.Biochemical Sciences]] | volume = 24 |numero=6 |pp=241-7 |data=giugno 1999 | pmid = 10366854 | doi = 10.1016/S0968-0004(99)01392-4 }}</ref>

* '''Principi chimici''' governano le specifiche interazione dell'RNA con gli aminoacidi. Esperimenti condotti su [[aptamero|aptameri]] hanno dimostrato che alcuni aminoacidi hanno una affinità chimica selettiva per la tripletta di basi che li codifica.<ref name="pmid9751648">{{cita pubblicazione|autore=Knight RD|autore2=Landweber LF |titolo=Rhyme or reason: RNA-arginine interactions and the genetic code |rivista=Chem. Biol. | volume = 5 |numero=9 |pp=R215–20 |data=settembre 1998 | pmid = 9751648 | doi = 10.1016/S1074-5521(98)90001-1 }}</ref> Recenti esperimenti mostrano che degli 8 aminoacidi testati, 6 mostrano alcune associazioni tripletta-amminoacido.<ref name="isbn0-674-05075-4"/><ref name="pmid19795157">{{cita pubblicazione|autore=Yarus M|autore2=Widmann JJ|autore3=Knight R |titolo=RNA-amino acid binding: a stereochemical era for the genetic code |rivista=J. Mol. Evol. | volume = 69 |numero=5 |pp=406-29 |data=novembre 2009 | pmid = 19795157 | doi = 10.1007/s00239-009-9270-1 }}</ref>

* '''Espansione biosintetica'''. Il codice genetico standard moderno è il risultato dell'evoluzione di un codice precedente più semplice grazie ad un processo di "espansione biosintetica". Da qui l'idea che la vita primordiale abbia "scoperto" nuovi amminoacidi (ad esempio come sottoprodotti del [[metabolismo]]) che poi sono stati inglobati nel meccanismo della codifica genetica. Anche se molte prove circostanziali hanno suggerito che un minor numero di differenti aminoacidi furono utilizzati in passato rispetto ad oggi,<ref name="pmid12270892">{{cita pubblicazione|autore=Brooks DJ|autore2=Fresco JR|autore3=Lesk AM|autore4=Singh M |titolo=Evolution of amino acid frequencies in proteins over deep time: inferred order of introduction of amino acids into the genetic code |rivista=Mol. Biol. Evol. | volume = 19 |numero=10 |pp=1645-55 |data=ottobre 2002 | pmid = 12270892 | doi = 10.1093/oxfordjournals.molbev.a003988 | url = https://mbe.oxfordjournals.org/content/19/10/1645.long }}</ref> ipotesi precise e dettagliate su quali aminoacidi siano entrati nel codice si sono rivelate molto più controversocontroverse.<ref name="pmid9115171">{{cita pubblicazione|autore=Amirnovin R |titolo=An analysis of the metabolic theory of the origin of the genetic code |rivista=J. Mol. Evol. | volume = 44 |numero=5 |pp=473-6 |data=maggio 1997 | pmid = 9115171 | doi = 10.1007/PL00006170 }}</ref><ref name="pmid11087835">{{cita pubblicazione|autore=Ronneberg TA|autore2=Landweber LF|autore3=Freeland SJ |titolo=Testing a biosynthetic theory of the genetic code: fact or artifact? |rivista=Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. | volume = 97 |numero=25 |pp=13690-5 |data=dicembre 2000 | pmid = 11087835 | pmc = 17637 | doi = 10.1073/pnas.250403097 | bibcode = 2000PNAS...9713690R }}</ref>

* La '''selezione naturale''' ha portato alle assegnazioni del codone del codice genetico tali da minimizzare gli effetti delle [[mutazione genetica|mutazioni]].<ref name="pmid14604186">{{cita pubblicazione|autore=Freeland SJ|autore2=Wu T|autore3=Keulmann N |titolo=The case for an error minimizing standard genetic code |rivista=Orig Life Evol Biosph | volume = 33 |numero=4–5 |pp=457-77 |data=ottobre 2003 | pmid = 14604186 | doi = 10.1023/A:1025771327614 }}</ref> Un'ipotesi recente<ref name="pmid19479032">{{cita pubblicazione|autore=Baranov PV|autore2=Venin M|autore3=Provan G |titolo=Codon size reduction as the origin of the triplet genetic code |rivista=PLoS ONE | volume = 4 |numero=5 |pp=e5708 |data=2009 | pmid = 19479032 | pmc = 2682656 | doi = 10.1371/journal.pone.0005708 <!--|curatore-cognome1= Gemmell--> | bibcode = 2009PLoSO...4.5708B |curatore-cognome1= Neil John }}</ref> suggerisce che il codice a tripletta sia derivato da altri codici più lunghi (come i codoni quaternari). Un sistema di codifica più lungo di una tripletta garantirebbe un maggior grado di ridondanza al codone e sarebbe più resistente agli errori. Questa caratteristica avrebbe consentito una decodifica accurata in assenza di sistemi altamente complessi come il ribosoma di cui le prime cellule erano prive.

* '''Canali di informazione''': il modello della [[teoria dell'informazione]] consiste nella traduzione del codice genetico in corrispondenti amminoacidi come un canale informativo incline all'errore.<ref name="pmid17826800">{{cita pubblicazione|autore=Tlusty T |titolo=A model for the emergence of the genetic code as a transition in a noisy information channel |rivista=J Theor Biol | volume = 249 |numero=2 |pp=331-42 |data=Nov 2007 | pmid = 17826800 | doi = 10.1016/j.jtbi.2007.07.029 }}</ref> Il rumore intrinseco (cioè l'errore) nei canali pone la domanda di come sia possibile che il codice genetico possa tollerare l'influenza del rumore<ref>{{cita libro|autore=Sonneborn TM |curatore=Bryson, V. |curatore2=Vogel, H.|titolo=Evolving genes and proteins |editore=Academic Press|città=New York |data=1965|pp=377-397}}</ref> riuscendo a tradurre in modo accurato ed efficiente le informazioni. I modelli<ref name="pmid 18352335">{{cita pubblicazione|autore=Tlusty T |titolo=Rate-distortion scenario for the emergence and evolution of noisy molecular codes |rivista=Phys. Rev. Lett. | volume = 100 |numero=4 |p=048101 |data=Feb 2008 | pmid = 18352335 | doi = 10.1103/PhysRevLett.100.048101 | arxiv = 1007.4149 | bibcode = 2008PhRvL.100d8101T }}</ref> suggeriscono che il codice genetico sia nato come il risultato dell'interazione di tre forze evolutive contrastanti: le esigenze dei diversi aminoacidi,<ref name="pmid16838217">{{cita pubblicazione|autore=Sella G|autore2=Ardell DH |titolo=The coevolution of genes and genetic codes: Crick's frozen accident revisited |rivista=J. Mol. Evol. | volume = 63 |numero=3 |pp=297-313 |data=Jul 2006 | pmid = 16838217 | doi = 10.1007/s00239-004-0176-7 }}</ref> la tolleranza agli errori<ref name="pmid14604186"/> e il minimo dispendio di risorse.

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* {{en}} Yang et al. (1990) in Michel-Beyerle, M. E., ed. Reaction centers of photosynthetic bacteria: Feldafing-II-Meeting 6. Berlin: Springer-Verlag. pp.&nbsp;209–18. ISBN 3-540-53420-2.

* {{cita libro|autore=Watson JD|autore2=Baker TA|autore3=Bell SP|autore4=Gann A|autore5=Levine M|autore6= Oosick R. |titolo=Molecular Biology of the Gene |editore=Pearson/Benjamin Cummings |città=San Francisco |data=2008| isbn = 0-8053-9592-X |lingua=en}}

* {{cita libro|autore=Simon M |titolo=Emergent computation: emphasizing bioinformatics |anno=2005 |url=https://archive.org/details/emergentcomputat0000simo |editore=AIP Press/Springer Science+Business Media |città=New York |data=2005 |pp=[https://archive.org/details/emergentcomputat0000simo/page/105 105]-106 | isbn = 0-387-22046-1 |lingua=en }}

* {{cita libro|autore=Yarus M |titolo=Life from an RNA World: The Ancestor Within |editore=Harvard University Press |città=Cambridge |data=2010 |p=163 | isbn = 0-674-05075-4 |lingua=en }}

* {{cita libro|autore-capitolo=Crick, Francis |titolo=What mad pursuit: a personal view of scientific discovery |editore=Basic Books |città=New York |data=1988 |pp=89-101 |isbn=0-465-09138-5 |capitolo=Chapter 8: The genetic code|lingua=en }}