DNA nelle piante
Il DNA è il materiale ereditario o genetico, presente in tutte le cellule, che trasporta informazioni per la struttura e la funzione degli esseri viventi.
Nel regno vegetale, il DNA, o acido desossiribonucleico, è contenuto all’interno delle strutture cellulari legate alla membrana del nucleo, dei mitocondri e dei cloroplasti. Il DNA ha diverse proprietà uniche tra le molecole chimiche.
È universale per tutti gli organismi viventi, avendo la stessa struttura e funzione in ciascuno. È in grado di riprodursi in un processo noto come auto-replicazione. Questa proprietà consente la divisione cellulare e quindi la continuità, la crescita e la riparazione.
Porta nella sua struttura il codice genetico, o insieme di istruzioni, per lo sviluppo e la manutenzione cellulare. Infine, subisce cambiamenti nella struttura chimica, sia da cause ambientali che interne, chiamate mutazioni, che contribuiscono all’evoluzione, alla diversità e alla malattia.
Struttura chimica
Il DNA è una molecola semplice, composta da quattro nucleotidi. Ogni nucleotide ha uno zucchero a cinque atomi di carbonio (desossiribosio), un fosfato e una delle quattro possibili basi azotate: le purine a doppio anello di adenina (A) e guanina (G) e le pirimidine a singolo anello di timina (T) e citosina (C).
La maggior parte delle proprietà del DNA si riferiscono ai legami unici che si formano tra i nucleotidi: i componenti del fosfato di zucchero si allineano linearmente, mentre gli anelli di azoto si legano perpendicolarmente.
Struttura chimica
Gli anelli di azoto si legano ulteriormente in modo molto specifico:A si accoppia sempre con T e Galways si accoppia con C. La DNAmolecola appare quindi come una scala, i lati sono zucchero-fosfato; i pioli, le coppie A-T e G-C.
L’ulteriore incollaggio e piegatura produce una struttura a forma di scala a chiocciola, nota come doppia elica. Questa doppia elica è confezionata in modo compatto in strutture simili a corde note come cromosomi, che sono visibili al microscopio ottico prima e durante la divisione cellulare.
Durante la vita quotidiana della cellula, il DNA appare come una massa scura indistinguibile chiamata cromatina (un termine inclusivo che si riferisce al DNA e alle proteine che si legano ad esso, situate nei nuclei delle cellule eucariotiche).
Il modello Watson e Crick
A metà del 1800 Gregor Mendel, un monaco austriaco, postulato che il materiale genetico esisteva. Scoprì le leggi dell’ereditarietà usando il pisello e altre piante nel suo giardino per studiare l’eredità di tratti come il colore dei fiori.
Quasi settant’anni sono passati prima che gli scienziati James Watson e Francis Crick nel 1953, proposta di doppia elica, come il modello più plausibile per ciascuna delle proprietà della molecola. Il loro modello è stato verificato da tecniche di diffrazione a raggi X poco dopo.
Diversi ricercatori, che lavoravano alla Columbia University e altrove negli Stati Uniti, avevano aperto la strada prima di Watson e Crick scoprendo la composizione chimica di questo materiale genetico e l’accoppiamento di base azotata: la quantità di adenina eguagliava sempre quella della timina e similmente con guanina e citosina.
Il modello Watson e Crick ha anche suggerito che i due lati, o trefoli, del DNA corrono in direzioni opposte: cioè, lo zucchero fosfato di un lato punta verso l’alto, mentre l’altro filo punta verso il basso.
Questa proprietà è nota come legame antiparallelo. Il modello Watson e Crick potrebbe facilmente spiegare come il DNA si replica durante la divisione cellulare e come l’informazione genetica è codificata nella sua struttura.
Auto-replicazione
L’auto-replicazione, che consente la continuità delle generazioni e la crescita e la riparazione dei singoli organismi, si verifica durante la divisione cellulare. Il DNA deve essere in grado di produrre copie esatte di se stesso. La molecola è progettata in modo univoco per questo: una serie di passaggi mediati dagli enzimi consente alla doppia elica di srotolarsi o decomprimere, come una cerniera, separando i due fili.
Successivamente, i nucleotidi dal cibo digerito entrano prima nella cellula e poi nel nucleo. Si legano a un nucleotide corrispondente: A con T e G con C. Il processo continua fino a quando due nuove molecole a doppio filamento di DNA si sono formate, ciascuna una copia dell’altra e ciascuna entra nelle nuove cellule che derivano dalla divisione cellulare.
Sintesi proteica
Le informazioni codificate nel DNA consentono tutto lo sviluppo e il mantenimento della cellula e dell’organismo. Il linguaggio di questo codice si trova in una lettura lineare di nucleotidi adiacenti su ciascun filamento. Ogni tre nucleotidi specificano o si adattano a un particolare amminoacido, le singole unità di proteine.
Una seconda molecola, l’acido ribonucleico (RNA), copia la struttura molecolare del DNA e porta le informazioni al di fuori del nucleo nel citoplasma circostante della cellula,dove gli amminoacidi sono assemblati, in ordine specificato, per produrre una proteina.
Le modifiche post-produzione di queste proteine, come l’aggiunta di zuccheri, grassi o metalli, consentono una vasta gamma di diversità funzionale e strutturale. Codici di DNA vegetale per una varietà di sostanze che sono uniche per le piante. Questi prodotti sostengono non solo le piante stesse, ma anche intere nicchie ecologiche, così come l’umanità.
DNA mitocondriale e cloroplastico
Un secondo insieme di DNA funzionante in modo indipendente esiste in due organelli al di fuori del nucleo della cellula, i mitocondri e il cloroplasto. È nei mitocondri, le fonti di energia delle cellule, dove carboidrati, grassi e proteine vengono suddivisi nei loro elementi grezzi con il rilascio di energia di legame chimico immagazzinata sotto forma di calore (calorie).
La seconda regione in cui il DNA è alloggiato al di fuori del nucleo è nel cloroplasto, una struttura unica per le cellule vegetali. Nei cloroplasti si verifica la fotosintesi, il processo attraverso il quale le piante sono in grado di trasformare anidride carbonica, acqua ed energia solare per produrre zuccheri e, successivamente, grassi e proteine, con il rilascio di ossigeno. Questo processo critico intrapreso dalle piante sostiene la maggior parte della vita sulla terra.
Sia il DNA mitocondriale che QUELLO cloroplastico si replicano separatamente dal DNA nucleare durante la divisione cellulare. È postulato che questi organelli una volta, miliardi di anni fa, potrebbero essere stati organismi viventi indipendenti che sono stati incorporati in altre cellule per formare le cellule eucariotiche che compongono forme di vita non batteriche come funghi, protisti, piante e animali.
Proteine vegetali
Una vasta gamma di proteine uniche per le piante sono codificate sul DNA vegetale. Un gruppo che ha ricevuto molta attenzione sono i cosiddetti fitochimici, sostanze con potenti benefici per la salute. Le classi ben studiate sono poche, tra cui i flavonoidi, i fitosteroli, i carotenoidi, gli indoli, le cumarine, gli organosolfuri, i terpeni, le saponine, i lignani e gli isotiocianati.
Ogni gruppo contiene proteine specifiche che sono sia antiossidanti che anticancerogeni che proteggono le cellule animali dagli agenti cancerogeni. I carotenoidi, come il beta-carotene, che si trovano nella frutta e nella verdura arancione e gialla, e i licopeni, che si trovano nei pomodori, sembrano proteggere gli animali dalle malattie cardiache e dall’ictus e dal cancro.
I fitosteroli, come quelli che si trovano nella soia, sono estrogeni come composti che imitano gli ormoni femminili. Questi sembrano proteggere gli organi femminili dai tumori e sembrano anche abbassare il colesterolo.
Ormoni vegetali
Ampi segmenti di DNA vegetale sono dedicati alla codifica di ormoni vegetali specializzati. Gli ormoni sono sostanze prodotte da un gruppo di cellule, circolano in un altro sito e influenzano il DNA delle cellule bersaglio. Nelle piante, questi ormoni controllano la divisione cellulare, la crescita e la differenziazione.
Ci sono cinque classi ben descritte di ormoni vegetali: le auxine, gibberelline, citochinine, etilene e acido abscisico. Tra le funzioni delle auxine sta permettendo il fototropismo, la proprietà che fa piegare le piante verso la luce.
Prodotte nelle radici, le auxine viaggiano verso gli steli,rendendo le cellule allungate sul lato oscuro del tessuto vegetale. L’etilene è una sostanza gassosa che matura i frutti e li fa cadere dalla pianta. L’acido abscissico contribuisce all’invecchiamento e alla caduta delle foglie.
Piante geneticamente modificate
Poiché le piante sono facili da manipolare, il DNA vegetale è secondo solo al DNA batterico come soggetto sperimentale primario per i bioingegneri. La modifica diretta del DNA aggiungendo o rimuovendo un particolare segmento di geni che codificano per tratti specifici è al centro della bioingegneria e della biotecnologia.
Poiché le piante forniscono la principale fonte di cibo per le popolazioni umane e di bestiame, sono stati sviluppati alimenti geneticamente modificati che resistono a insetti, batteri, virus e altri parassiti e riducono la necessità di pesticidi esterni.
Le colture vegetali geneticamente modificate sono progettate per migliorare una varietà di caratteristiche, dall’aspetto e dal sapore buono alla crescita più veloce o alla maturazione più lenta fino all’assenza di semi.
L’introduzione di geni da altri regni, come il regno animale, nel DNA vegetale sta permettendo agli scienziati di sviluppare colture future che possono contenere vaccini umani, ormoni umani e altri prodotti farmaceutici.
Un pomodoro è stato il primo alimento bioingegnerato approvato dal governo federale ad essere venduto negli Stati Uniti. Oggi, decine di prodotti e mangimi per il bestiame sono in qualche modo geneticamente modificati.