DNA e RNA: perché la timina al posto dell'uracile?

Ecco una di quelle domande che faresti ad uno studente universitario per la lode e che questi sagaci ragazzi di 14 anni chiedono in classe con naturalezza...
Alessandro Calderini della classe 3^a B, non appena conosciute le caratteristiche chimiche delle molecole di DNA e RNA, ha chiesto: "Perché il DNA ha come base l'uracile e il DNA invece la timina?"...ecco una probabile risposta ad una difficile domanda.
La molecola di acido desossiribonucleico (DNA) contiene 4 diverse basi azotate che costituiscono le lettere dell'alfabeto con cui è scritta l'informazione genetica. Queste lettere, A, T, C e G significano adenina, timina, citosina e guanina. Come abbiamo studiato, il DNA è il depositario del nostro patrimonio genetico, si trova nel nucleo della cellula e viene trasmesso di generazione in generazione. Il DNA viene trascritto in mRNA (RNA messaggero), che dal nucleo migra nel citoplasma e qui viene tradotto in proteina grazie ai ribosomi, che contengono rRNA (RNA ribosomiale), e agli RNA di trasferimento, tRNA, che trasportano gli aminoacidi.

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Questo flusso di informazione dal DNA, all'RNA e quindi alla proteina costituisce il cosiddetto "dogma centrale della biologia molecolare". Il DNA è la molecola depositaria dell'informazione genetica (genotipo), l'RNA è la molecola che fa da "tramite" tra ciò che c'è scritto nel DNA e la realizzazione del "progetto scritto" nei 3 miliardi di basi del nostro DNA, cioè quello che noi siamo (fenotipo). Esiste un'importante differenza tra la molecola di DNA e quella di RNA. Mentre nel DNA le 4 basi sono A, T, C e G nell'RNA le 4 basi sono A, U, C e G. Vale a dire al posto della timina nell'RNA c'è l'uracile. Perché questa differenza? I biologi molecolari hanno trovato una risposta evolutiva.

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Il DNA è soggetto alle mutazioni spontanee. Per cause chimiche (per esempio: sostanze chimiche usate nella conservazione degli alimenti) e fisiche (per esempio: radiazioni ultraviolette derivanti dall'esposizione al sole), il DNA accumula mutazioni, cioè alcune basi possono essere sostituite con altre. La maggior parte di queste mutazioni, per nostra fortuna, viene corretta da processi biochimici di protezione del DNA che avvengono all'interno delle nostre cellule. Ma alcune mutazioni possono sfuggire ai nostri sistemi di protezione e di conseguenza il messaggio scritto nel DNA viene cambiato!!! Non appena il DNA si duplica, una molecola risulterà identica a quella originaria mentre l'altra risulterà mutata. Di conseguenza da questa cellula mutata deriveranno per mitosi altre cellule mutate. Spesso le mutazioni sono dannose...basti pensare che sono la causa dei tumori! Di conseguenza il nostro organismo si è evoluto cercando di sviluppare sistemi che rendano bassa la probabilità del verificarsi delle mutazioni.

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Ora si dà il caso che, a causa di una lenta reazione detta "deamminazione", la citosina del DNA possa trasformarsi in uracile! Gli scienziati hanno stimato che questa trasformazione spontanea avvenga circa 100 volte al giorno in una cellula media di mammifero! L'uracile al posto della citosina introduce una mutazione nella sequenza del DNA che, se non corretta, porterebbe a gravi conseguenze. Per fortuna (o meglio grazie all'evoluzione e alla selezione naturale...pazientate tra poco studieremo anche i meccanismi dell'evoluzione biologica!), nel nostro DNA non c'è uracile, quindi non appena questo si forma a causa della reazione di deamminazione viene subito "riparato" il danno e viene ripristinata una citosina. Esiste infatti un sistema di riparazione del DNA che riconosce gli uracili come estranei e li elimina sostituendoli con citosine.

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Se il DNA avesse contenuto di norma l'uracile, sarebbe stato molto difficile identificare gli uracili prodotti dalla deamminazione della citosina; gli uracili non "riparati" avrebbero causato modificazioni permanenti nella sequenza di DNA in quanto, durante la replicazione, essi si appaiano con l'adenina e non con la guanina come fa invece la citosina! Il fatto quindi che nel DNA sia stata introdotta una molecola di timina al posto dell'uracile dell'RNA è stato sicuramente uno dei punti chiave della nostra evoluzione molecolare in quanto ha reso possibile la conservazione dell'informazione genetica. L'RNA invece ha potuto mantenere la molecola di uracile perché l'RNA non deve trasmettere l'informazione genetica da una generazione all'altra. E' solo una molecola transitoria che va incontro a produzione e degradazione anche nel giro di pochi minuti, giusto il tempo necessario a passare l'informazione dal DNA alla proteina.
La selezione naturale, agli arbori dell'origine della vita sulla terra, ha dunque favorito una molecola di DNA con timina al posto dell'uracile proprio per evitare una frequenza di mutazione troppo elevata, dannosa per la vita stessa.

Referenze
Lehninger A.L., Nelson D.L., Cox M.M (1994) Principi di Biochimica. Zanichelli Editore, Bologna.

Manuela Casasoli (manuela_casasoli@yahoo.it)