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Immagini e concetti della biologia Sylvia S. Mader Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012

B2 – La genetica molecolare Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012

Il ruolo del DNA nell’ereditarietà Gli esperimenti di Fredrick Griffith su Streptococcus pneumoniae (nel 1931) hanno dimostrato la presenza di un «principio trasformante» ereditabile. Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012

Il ruolo del DNA nell’ereditarietà Alfred Hershey e Martha Chase (nel 1952) scelsero un virus, il batteriofago T2, per determinare quale dei componenti virali (DNA o proteine) sarebbe penetrato nel batterio Escherichia coli. Tali scienziati dimostrarono che il materiale con ruolo ereditario è il DNA; esso penetra nelle cellule batteriche e trasmette ai batteri infettati le informazioni genetiche necessarie a produrre nuovi virus. Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012

Il ruolo del DNA nell’ereditarietà Gli esperimenti di Hershey e Chase con i batteriofagi T2 ed E. coli. I II vedi sopra Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012

Il DNA e l’RNA, gli acidi nucleici, sono polimeri di nucleotidi Il DNA è un polinucleotide, cioè un polimero di nucleotidi, ognuno formato da tre parti: uno zucchero C5 detto desossiribosio; un gruppo fosfato; una base azotata. Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012

Il DNA e l’RNA, gli acidi nucleici, sono polimeri di nucleotidi Esistono quattro diversi tipi di basi azotate. L’adenina (A) e la guanina (G) sono caratterizzate da un doppio anello e sono chiamate purine. La timina (T) e la citosina (C) sono caratterizzate da un anello singolo e sono chiamate pirimidine. Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012

Il DNA e l’RNA, gli acidi nucleici, sono polimeri di nucleotidi L’RNA (acido ribonucleico) differisce dal DNA per il tipo di zucchero C5 che contiene, il ribosio, e perché al posto della base azotata timina contiene un’altra pirimidina, l’uracile (U). Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012

Il DNA ha i requisiti adatti per funzionare come materiale genetico Il DNA è variabile tra le diverse specie. Il DNA è in grado di custodire le informazioni che fanno una specie diversa dall’altra. Il DNA è costante all’interno di una stessa specie. Il DNA è in grado di duplicarsi con grande precisione durante la divisione cellulare. Il DNA è soggetto a rari cambiamenti, chiamati mutazioni, che forniscono la variabilità genetica che permette agli organismi di evolversi nel tempo. Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012

La struttura del DNA La molecola del DNA ha la forma di una doppia elica di nucleotidi in cui la base A è sempre in coppia con la base T, e la base C con la base G. Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012

La molecola del DNA ha la forma di una doppia elica James Watson e Francis Crick costruirono il primo modello tridimensionale del DNA basandosi sui risultati dei lavori di Rosalind Franklin e Maurice Wilkins, che avevano studiato la struttura del DNA usando la cristallografia a raggi X. Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012

La molecola del DNA ha la forma di una doppia elica L’appaiamento complementare delle basi azotate suggerisce che il DNA è una molecola a doppio filamento, simile a una scala a pioli in cui i montanti sono costituiti dallo scheletro zucchero-fosfato, e i pioli dalle basi accoppiate unite da legami idrogeno. Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012

Il DNA è una molecola adatta alla duplicazione La duplicazione del DNA (o replicazione) è semi-conservativa, dato che ogni filamento funge da stampo per la formazione del filamento complementare, cosicché ogni nuova molecola di DNA ha un filamento «conservato» dall’originale e uno neoformato. Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012

Il DNA è una molecola adatta alla duplicazione La duplicazione del DNA si può suddividere in tre stadi: srotolamento e apertura dei filamenti; appaiamento delle basi complementari; unione dei due nuovi filamenti. Gli stadi 2 e 3 sono assistiti da un complesso enzimatico chiamato DNA polimerasi. Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012

Dopo l’innesco, la DNA polimerasi aggiunge nucleotidi all’estremità 3’ del DNA La DNA polimerasi può unire nucleotidi solo all’estremità 3’ del filamento in formazione. Essa non è in grado di iniziare dal nulla la sintesi di una nuova catena di nucleotidi, ma ha bisogno di un frammento di partenza chiamato primer a cui possa aggiungere nucleotidi. I telomeri sono speciali sequenze di nucleotidi, che non codificano alcuna proteina. Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012

Il secondo filamento di DNA si duplica in direzione opposta alla forcella Il filamento guida (leading strand) viene duplicato a partire dal primer verso la forcella di duplicazione, mentre l’altro filamento deve essere copiato nella direzione opposta. Quindi, man mano che il DNA originale si srotola, la duplicazione viene avviata molte volte e procede per piccoli segmenti: il filamento sintetizzato viene detto filamento in ritardo (lagging strand). Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012

I geni dirigono la sintesi delle proteine I geni sono espressi nelle proteine. L’ipotesi «un gene, un enzima» è basata sull’osservazione che un gene difettoso dà origine a un enzima esso stesso difettoso. Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012

La costruzione di una proteina prevede due fasi: la trascrizione e la traduzione Durante la trascrizione il DNA viene usato come stampo per la formazione dell’RNA messaggero (mRNA). Durante la traduzione, un RNA trascritto dirige la sequenza degli amminoacidi di un polipeptide che deve essere costruito. Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012

Una tripletta di basi codifica per un amminoacido La sequenza di nucleotidi del DNA (il codice genetico) specifica l’ordine degli amminoacidi di un polipeptide. Il codice genetico è basato su una tripletta di basi, ossia un codone, che è una sequenza precisa di tre basi nucleotidiche indicate da tre lettere, per esempio AUC, e corrisponde a un amminoacido. Il codice genetico è universale. Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012

Nella trascrizione ogni gene trasferisce l’informazione all’RNA messaggero (mRNA) Un segmento di doppia elica di DNA si srotola e si apre al centro, cosicché i nucleotidi di RNA si possano appaiare, man mano che il filamento di DNA viene trascritto. I nucleotidi si uniscono uno alla volta grazie al lavoro dell’RNA polimerasi. Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012

Prima di lasciare il nucleo l’mRNA viene elaborato I geni degli eucarioti sono costituiti da sequenze nucleotidiche codificanti chiamate esoni, intercalate a regioni non codificanti dette introni. Sia gli esoni sia gli introni vengono trascritti, e l’RNA messaggero che si forma viene detto trascritto primario. Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012

Nella traduzione, ogni RNA di trasporto (tRNA) veicola un amminoacido I tRNA trasferiscono gli amminoacidi che si trovano nel citoplasma ai ribosomi, dove l’mRNA viene trasformato nella sequenza di amminoacidi che corrisponde a una proteina. Gli anticodoni del tRNA si accoppiano con i codoni complementari dell’mRNA. Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012

La traduzione ha luogo presso i ribosomi presenti nel citoplasma I ribosomi hanno un sito di legame per l’mRNA e tre siti di legame per il tRNA. Quando un ribosoma si sposta lungo una molecola di mRNA, il polipeptide in formazione si allunga di un amminoacido alla volta. Spesso molti ribosomi sono associati e in fase di traduzione dello stesso mRNA. L’intero complesso di traduzione è detto poliribosoma. Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012

La 1a fase della traduzione dell’mRNA in polipeptidi è detta «inizio» L’inizio è la fase che mette insieme tutti i componenti necessari alla traduzione. Il codone di inizio è AUG. Ogni ribosoma ha 3 siti di attacco per i tRNA: sito E (da exit), sito P (da peptide) e sito A (da amminoacido). Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012

La 2a fase della traduzione è l’allungamento Durante l’allungamento, un tRNA che porta un peptide si trova sul sito P e un tRNA associato al proprio amminoacido sta arrivando al sito A. Una volta che il tRNA successivo si aggancia al sito A, il peptide in via di formazione sarà trasferito a questo tRNA. Poi, avviene la traslocazione: l’mRNA si sposta in avanti, in modo che il tRNA che porta agganciato il peptide si trovi ora al sito P del ribosoma. Infine, il tRNA usato fuoriesce dal sito E. Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012

La 3a fase della traduzione è la terminazione Il processo di allungamento e traslocazione si ripete più volte, con il tRNA usato che fuoriesce dal sito E, mentre sul sito A si aggancia un nuovo codone, pronto a ricevere un altro tRNA. Quando il ribosoma raggiunge un codone di terminazione, la traduzione si conclude con la fase di terminazione, in cui il polipeptide viene rilasciato. La trascrizione e la traduzione rendono possibile l’espressione genica. Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012

Le mutazioni cambiano la sequenza delle basi nel DNA Una mutazione genica è un cambiamento permanente nella sequenza di basi del DNA. Le mutazioni possono alterare l’espressione genica. Le mutazioni germinali avvengono nelle cellule sessuali e possono essere trasmesse alla generazione successiva attraverso la riproduzione. Le mutazioni somatiche avvengono nelle cellule del corpo e non vengono trasmesse alla progenie. Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012

Le mutazioni rendono difettosi i geni e quindi alterano l’espressione genica Le mutazioni puntiformi implicano un cambiamento in un singolo nucleotide di DNA e, di conseguenza, un cambiamento in uno specifico codone. Le mutazioni di sfasamento avvengono soprattutto per inserzione o delezione di uno o più nucleotidi nel DNA. Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012

I trasposoni sono elementi genetici mobili I trasposoni, o «geni che saltano», furono scoperti da Barbara McClintock nel 1981. Un trasposone è una sequenza di DNA che può essere soggetta a trasposizione, cioè a spostamenti da un sito all’altro dello stesso cromosoma. I trasposoni sono in grado di bloccare la trascrizione e possono rappresentare una fonte di mutazioni cromosomiche, come traslocazioni, delezioni, inversioni e duplicazioni. Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012

I virus e i batteri sono utili negli studi e nelle applicazioni genetiche I batteriofagi si riproducono all’interno dei batteri con due modalità: il ciclo litico e il ciclo lisogeno. Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012

Il virus HIV, agente dell’AIDS, è un esempio di retrovirus Come molti altri virus animali, l’HIV usa la trascrizione inversa per copiare RNA nel DNA della cellula ospite, allo scopo di inserire una copia complementare del proprio genoma nel genoma dell’ospite. Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012

I batteri possono trasferire geni tra loro in tre modi diversi Trasformazione – un batterio ricevente preleva dall’ambiente extracellulare tratti di DNA libero. Coniugazione – si verifica tra batteri quando la cellula donatrice trasferisce geni alla cellula ricevente attraverso un pilo sessuale. Trasduzione – un batteriofago porta porzioni di DNA batterico da una cellula donatrice a una ricevente. Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012