> un gruppo fosfato (1 molecola di acido fosforico)
> 1 molecola di zucchero con 5 atomi di carbonio (desossiribosio nel DNA, ribosio nell’RNA)
> una base azotata composta da 2 purine: adenina (A) e guanina (G); e da 2 pirimidine: timina (T) e citosina (C)

All’interno del nucleo il DNA si presenta per ogni cromosoma come una molecola lunga e lineare, e solo i batteri hanno un unico cromosoma circolare costituito di DNA. I nucleotidi si legano tra di loro attraverso forti legami chiamati legami fosfodiesterasi, formando così un lungo polinucleotide, cioè una catena di nucleotidi. Ogni molecola di DNA è costituita da due di queste catene, tenute insieme da legami idrogeno ma aventi direzioni opposte. L’accoppiamento delle due catene non è casuale ma segue una regola strettissima, nota come accoppiamento complementare, per la quale la base di una catena può accoppiarsi solo a una specifica base di un’altra catena: la base adenina può accoppiarsi solo alla base timina, e viceversa, e allo stesso modo la base guanina può accoppiarsi solo con la citosina, e viceversa. In termini più corretti, T si accoppia sempre con A, A si accoppia sempre con T; G si accoppia sempre con C, e C si accoppia sempre con G.

Le due catene legate insieme assomigliano a una scala, in cui gli zuccheri e i fosfati formano la struttura laterale, che è molto resistente, e le coppie di basi formano invece i gradini. Le basi si separano abbastanza facilmente consentendo alle due catene di disgiungersi, un elemento importante per la lettura delle istruzioni contenute nel DNA. La larghezza della doppia elica è di appena 2 nanometri, un cinquecentomillesimo di millimetro. Il genoma umano, cioè la totalità del DNA contenuto nei 46 cromosomi di una cellula, conterebbe circa 6.000.000.000 di coppie di basi, e la sua quantità varia enormemente tra organismi diversi ma è costante all’interno di una specie.

Insomma, il DNA è il materiale che codifica le molte caratteristiche fisiche di ogni organismo vivente. Se parliamo di acidi nucleici in generale, il numero delle basi cresce. Un nucleotide contiene 5 basi diverse: adenina, citosina, guanina, timina e uracil. Quest’ultimo è presente solo nell’RNA, mentre la timina è presente solo nel DNA. Ogni base è identificata dalla prima lettera del suo nome:

Come abbiamo visto, i nucleotidi si legano tra di loro in catene e formano le catene di polinucleotidi, nelle quali sono presenti segmenti aperti: il segmento aperto dei fosfati è chiamato 5’, quello degli zuccheri, 3’.

Un segmento di DNA è composto da due catene di polinucleotidi legate insieme dalle basi azotate, come mostra l’immagine sopra. Quando gli scienziati cercarono di capire la struttura dei segmenti di DNA incontrarono una difficoltà: sapevamo che le basi di DNA erano timina, guanina, citosina e adenina, ma non sapevano come collegare le catene tra di loro. Adenina e guanina, le purine, hanno la stessa struttura, mentre citosina e timina, le pirimidine, hanno una struttura più piccola di quella delle purine. Gli scienziati pensarono che ci fossero ben dieci modi diversi in cui le basi si potevano accoppiare per formare i segmenti di DNA:

Il DNA si trova nelle cellule, l’unità vivente più piccola del nostro corpo e insieme il più piccolo singolo organismo vivente. Le cellule contengono le informazioni che determinano la loro stessa funzione: questa informazione è presente sotto forma di DNA, l’acido desossiribonucleico, contenuto nei cromosomi posti all’interno del nucleo delle cellule. Si distinguono due tipi di cellule: sono eucariote le cellule che hanno un nucleo (sono queste le cellule degli animali e delle piante…), mentre le cellule procariote come i batteri ne sono prive e possiedono solo un’area nucleare. La parte più importante della cellula è rappresentata dal nucleo, rivestito di una membrana che serve a non far fuoriuscire il materiale che vi è contenuto; tuttavia la membrana è dotata di pori, che consentono ad alcune sostanze come l’RNA (acido ribonucleico) di entrare nel citoplasma. All’interno del nucleo (nelle cellule eucariote) o dell’area nucleare (nelle cellule procariote) si trovano i cromosomi. I cromosomi sono lunghi segmenti di DNA che contengono alcuni geni. I geni non sono altro che porzioni del segmento del DNA, e contengono le informazioni genetiche della cellula. Nelle cellule eucariote sono presenti cromosomi multipli, e ciascuno di essi è parte di una coppia. Entrambi i cromosomi di una coppia contengono i geni di uno stesso carattere; tuttavia, una cellula procariota ha un solo lungo cromosoma circolare che li contiene tutti. Le cellule del corpo umano sono eucariote e contengono 23 coppie di cromosomi, mentre altri organismi hanno più o meno coppie di cromosomi (per esempio i pomodori ne contengono 12, i topi 20, i cani 39…).

Le cellule sono in grado di mantenersi funzionali grazie a una serie di "piccole macchine" chiamate organuli, e possono specializzarsi nell'eseguire nell'organismo una particolare funzione, solitamente in un tessuto più ampio costituito da molte cellule che lavorano insieme; è il caso per esempio delle cellule nervose, che operano come parte del sistema nervoso trasmettendo i messaggi al sistema nervoso attraverso il cervello, o come accade per le cellule della pelle, che proteggono l'organismo dall'acqua e dagli agenti patogeni presenti nell'aria. All'interno dei tessuti le cellule combinano i loro sforzi per una causa comune, e sarà proprio il compito della cellula specializzata a determinarne la specializzazione, dato che cellule diverse sono adatte a scopi diversi, come in questi esempi: le cellule dei muscoli sono lunghe e flessibili, e la loro natura elastica permette di eseguire movimenti fluidi; alcune cellule dei globuli bianchi contengono potenti enzimi digestivi capaci di eliminare gli agenti patogeni scomponendoli, e le cellule del fondo dell'occhio sono sensibili allo stimolo della luce e perciò sono in grado di interpretare le differenze dell'intensità luminosa che sarà poi a sua volta interpretata dal sistema nervoso e dal cervello. La maggior parte delle cellule specializzate contiene organuli, anche se dopo la specializzazione possono anche non possedere certe caratteristiche speciali che non sono strettamente necessarie, o in altri termini, la chiave di volta dell'intero sistema è l'efficienza: nessuna risorsa deve essere sprecata e tutte le risorse disponibili devono essere sfruttate al meglio. La struttura, il tipo e le funzioni di una cellula sono determinati dai cromosomi contenuti nel suo nucleo.

Nel gruppo disorganizzato dei 46 cromosomi contenuti nel nucleo della cellula si trovano 23 coppie di cromosomi che possono essere allineati tra pari per formare un cariotipo (lo studio del patrimonio cromosomico di un individuo): l’allineamento avviene in funzione della dimensione, della forma e del centromero, cioè del punto centrale nel quale una coppia di cromosomi si forma. Infine, i geni sono le porzioni del segmento del DNA che contengono le istruzioni per la sintesi (produzione) delle proteine, necessarie al compimento delle funzioni cellulari. Le proteine compongono la struttura della pelle e dei capelli, agiscono come enzimi per la metabolizzazione degli alimenti, e infine regolano i diversi processi cellulari. Riassumendo, tutte le cellule del corpo contengono gli stessi geni e lo stesso DNA, cioè ciascuna cellula contiene tutte le informazioni genetiche di tutto il resto dell’organismo, per esempio: le cellule della pelle contengono le istruzioni per la pelle e per i muscoli, tuttavia la pelle utilizza le prime e trascura le seconde.

• la genetica clinica (counselling genetico, follow-up dei pazienti…)

• la citogenetica (ossia lo studio della struttura costituzionale e acquisita dei cromosomi)

• la genetica molecolare (counselling genetico, follow-up dei pazienti, fattori predisponenti alle malattie…)La genetica medica, i cui primi sviluppi risalgono a quasi mezzo secolo fa, si occupava agli inizi della trasmissione e dell’origine delle patologie neonatali. L’identificazione delle anomalie responsabili delle malattie ereditarie monogeniche si è sviluppata in seguito.

• In tempi recenti, grazie alla genetica inversa - un approccio molecolare che consente di identificare i geni basandosi sulla loro localizzazione nel genoma, senza conoscerne il ruolo – è diventato possibile identificare i geni che intervengono nell’insorgenza di molte malattie. Notevoli risultati sono stati ottenuti in un vasto campo di patologie che appartengono alla maggior parte delle discipline cliniche.

Al pari di altre specialità quali l’immunologia o l’oncologia, la genetica medica deve essere concepita come una disciplina trasversale, organizzata per fornire un apporto specifico a un grande numero di specialità cliniche. Grazie alla genetica medica è possibile identificare le alterazioni genetiche costituzionali suscettibili di determinare o di favorire una malattia.

• le malattie cromosomiche coinvolgono la mancanza o la presenza in eccesso di un cromosoma, o la presenza di un cromosoma nel quale sono presenti lesioni osservabili al microscopio;

• le malattie monogeniche sono determinate invece da un solo gene mutante, e vengono trasmesse con un meccanismo ereditario di tipo mendeliano;

• le malattie multifattoriali sono il prodotto dell'interazione di molti geni e di molti fattori ambientali, e la loro trasmissione ereditaria è molto complessa;
  

• le malattie legate a eredità mitocondiale sono prodotte dall'alterazione del DNA mitocondriale che si trasmette solo in linea femminile

• le malattie autosomiche dominanti colpiscono maschi e femmine, e le probabilità di trasmissione dell’allele patologico sono del 50%. Ogni soggetto malato ha un genitore malato, vi può essere trasmissione da padre a figlio maschio, e i figli non affetti non sono portatori sani

• le malattie autosomiche recessive colpiscono maschi e femmine, si manifestano a partire dall’infanzia, e il soggetto affetto ha in genere un genitore sano. Probabilità di trasmissione: 25% di individui malati, 50% di portatori sani, 25% di individui sani

• da non confondersi con quelle influenzate dal sesso, nelle malattie legate al sesso i geni responsabili sono sul cromosoma X, perciò il rischio di contrarre la malattia come anche la sua gravità e trasmissibilità sono diverse nei due sessi. Nel maschio, che possiede un solo cromosoma X, l’espressione della malattia è completa

• tra le malattie legate al sesso recessive troviamo l’emofilia A, il diabete insipido e nefrogeno, la distrofia di Duchenne , la femminizzazione testicolare, e il daltonismo. Probabilità di trasmissione: 50% femmine sane, 50% femmine portatrici sane; 50% maschio sano, 50% maschio malato. L e malattie legate al sesso dominanti sono meno gravi nelle femmine ma possono essere addirittura letali nei maschi. Tra queste rare patologie troviamo l’ipoplasia focale dermica e il rachitismo vitamina-D resistente. Probabilità di trasmissione: 100% femmine malate, 50% maschio malato, 50% maschio sano

I geni sono disposti in ordine in 46 strutture, composte da 23 coppie, una materna e una paterna, chiamate cromosomi. Ogni cellula contiene due copie (alleli) di ogni gene, e noi ne ereditiamo una copia da nostra madre, e una da nostro padre. I geni sono composti da una sostanza chiamata DNA e sono equivalenti al progetto costruttivo di una casa, che ne contiene tutti i dettagli. Se in una delle due copie di un gene interviene una variazione anomala chiamata mutazione, questa impedisce al gene di funzionare correttamente, provocando un danno nella produzione della sostanza che questo gene comanda. Se questo avviene quando si sta formando un nuovo individuo, si ha la mutazione in tutte le cellule della persona, se invece avviene durante la produzione di cellule dei tessuti del corpo durante la vita si può avere un’incontrollabile divisione cellulare, che associata ad altri fattori può spingere la cellula a trasformarsi, dopo molti anni, in un tumore.

In genere durante la fecondazione viene trasmessa al DNA della discendenza l’informazione genetica esatta di entrambi i genitori, tuttavia è possibile che l’informazione muti, e che la mutazione modifichi la sequenza genetica alterando inevitabilmente il fenotipo di un organismo. La mutazione è un’alterazione stabile ed ereditaria del DNA, che può produrre un’alterazione di un tratto di DNA più o meno ampio, come una delezione o una translocazione, oppure può essere costituita dall’alterazione di una o di poche basi (nucleotidi) – si parla in questo caso di mutazioni puntiformi. Spesso queste mutazioni sono dovute alla sostituzione di una base con un’altra, e questa sostituzione può cambiare il senso del codice genetico. Sono due i meccanismi per i quali la mutazione può produrre il fenomeno patologico:

• duplicazione dei geni
  in questa mutazione i geni mutanti compaiono nello stesso cromosoma due volte (duplicazione). Questo tipo di mutazione può essere vantaggioso perché non provoca la perdita o l'alterazione di alcuna informazione genetica, e anzi consente di "guadagnare" nuovi geni. I geni del cromosoma omologo vengono copiati e inseriti nella sequenza genetica, e i nuovi cromosomi possiedono tutti i propri geni iniziali più uno duplicato, in genere innocuo

• inversione dei geni
  in questo caso viene invertito un particolare ordine di geni. Il collegamento tra i geni e la loro sequenza viene rovesciato, e la nuova sequenza potrebbe non essere adatta a produrre un organismo, in funzione del tipo di geni che è stato invertito. Da questo genere di mutazione è possibile trarre caratteri vantaggiosi

• traslocazione dei geni
  ha luogo dove l’informazione di due cromosomi omologhi si rompe e si lega all’altra. Normalmente questa mutazione è letale

• delezione: alcuni nucleotidi vengono eliminati, compromettendo il codice per le proteine che usano questa sequenza di DNA. Se per esempio un gene codificato per l’alanina con una sequenza C-G-G e il nucleotide citosina venissero eliminati, non si potrebbe più produrre l’aminoacido alanina, così come gli altri aminoacidi codificati da questa sequenza di DNA, perché ogni nucleotide successivo a quello eliminato sarebbe nella posizione sbagliata

• inserzione: l’effetto è simile a quello della delezione: un nucleotide viene inserito in una sequenza genetica e quindi altera tutta la catena successivainserzione: l’effetto è simile a quello della delezione: un nucleotide viene inserito in una sequenza genetica e quindi altera tutta la catena successiva

• inversione: si ha quando si inverte una certa sequenza di nucleotidi, e non è pericolosa come le altre
  mutazioni perché i nucleotidi invertiti di ordine compromettono solo una piccola parte della sequenza
• sostituzione: un dato nucleotide viene sostituito con un altro, che influenzerà gli aminoacidi che devono venire sintetizzati dalla sequenza. Se il gene è essenziale, per esempio codifica per l’emoglobina, le conseguenze sono serie e l’organismo è in pericolo

Tutte le mutazioni genetiche che abbiamo considerato hanno impatti più o meno negativi e sono indesiderabili, tuttavia in alcune circostanze e per caso possono essere vantaggiose. Le mutazioni aumentano la diversità genetica e quindi svolgono un ruolo benefico fondamentale, anche se rappresentano la ragione per la quale molte persone ereditano le malattie

> sono aploidi gli organismi che contengono un solo esemplare di ciascun cromosoma
> sono diploidi gli organismi che contengono due copie di ciascun cromosoma
> sono triploidi gli organismi che contengono tre copie di ciascun cromosoma
> sono poliploidi gli organismi che contengono tre o più copie di ciascun cromosoma

La rappresentazione di questa condizione avviene con la lettera dell’alfabeto "n", dove n=aploide, 2n=diploide, ecc. Le specie, in particolare le piante, sono in grado di produrre una discendenza che possiede più cromosomi dei genitori; questo può essere il risultato di una non disgiunzione, per la quale genitori diploidi produrrebbero una progenie diploide ma a causa della non disgiunzione la producono poliploide. Nel caso dei triploidi, anche se la creazione di particolari triploidi nella specie è possibile, questi non sono in grado di riprodursi per l’impossibilità di accoppiare cromosomi omologhi durante la meiosi, che perciò non darà luogo alla formazione di gameti. La poliploidia è responsabile della creazione di centinaia di specie presenti oggi sulla Terra, e continuerà a farlo; essa è inoltre responsabile dell’aumentata diversità genetica e della produzione di specie che manifestano un aumento in dimensione, vigore e resistenza alla malattia

La teoria della selezione naturale

> il primo obiettivo di qualsiasi specie è rappresentato dalla sopravvivenza e dalla riproduzione, che consente di trasmettere le informazioni della specie tra le generazioni. Le specie impegnate in questo compito tendono a produrre più discendenza di quella che l’ambiente è in grado di sopportare

> la mancanza di risorse per nutrire i nuovi nati produce una pressione sulla dimensione della popolazione di quella specie, aumentando conseguentemente la competizione tra gli individui, e fatalmente, alcuni organismi non sopravivranno

> la famosa espressione survival of the fittest sta a significare che in tempi duri è più probabile che sopravvivano, all’interno di una specie, gli individui più sani e forti, in breve i più adatti all’ambiente

> gli organismi più adatti e meglio adattati all’ambiente mostrano caratteristiche desiderabili, che non sono altro che l’espressione di un genoma già in origine più adatto all’ambiente

> osservando l’"eliminazione" degli organismi meno adatti e la sopravvivenza dei più adatti, Darwin dedusse che nel tempo gli organismi si erano adattati in un modo che favoriva in una specie le caratteristiche desiderabili, e che gli individui che ne erano portatori sopravvivevano per tramandarle

Se la stessa specie si fosse spostata in un ambiente diverso, le caratteristiche favorevoli sarebbero state diverse, e perciò Darwin concluse che gli organismi si erano evoluti per adattarsi all’ambiente e occupare una nicchia ecologica nella quale erano attrezzati meglio per fronteggiare le condizioni ambientali, o in altre parole, nella quale avevano maggiori probabilità di sopravvivere. Questo significa, per ricondurre la teoria a termini genetici, che gli alleli favoriti nell’ambiente diventeranno più frequenti nel genoma di una specie a causa delle più alte probabilità di sopravvivenza degli organismi intesi come parte di una specie in senso ampio