La biologia molecolare del gene Capitolo 10 La biologia molecolare del gene

La struttura del materiale genetico 10.1 Alcuni esperimenti hanno dimostrato che il materiale genetico è formato da DNA Nel 1952 gli esperimenti dei biologi Alfred Hershey e Martha Chase dimostrarono che alcuni virus sono in grado di riprogrammare le cellule ospiti per produrre nuovi virus, iniettando il proprio DNA dentro le cellule. Testa Coda Fibre della coda DNA 300 000 Figura 10.1A

L’esperimento di Hershey e Chase: Fago Batterio Proteina radioattiva DNA DNA del fago Involucri proteici vuoti Radioattività nel liquido Precipitato Si centrifuga Ceppo 1 Proteina radioattiva Ceppo 2 DNA radioattivo DNA radioattivo nel precipitato Figura 10.1B Si mescolano i fagi marcati radioattivamente con i batteri. I fagi infettano le cellule batteriche. 1 Si utilizza un frullatore per separare i fagi esterni ai batteri dalle cellule batteriche e dal loro contenuto. 2 Si centrifuga la miscela. 3 Si misura la radioattività nel precipitato e nel liquido. 4

Il ciclo riproduttivo di un fago: Il fago si attacca alla cellula batterica. Il fago inietta il DNA. Il DNA induce la cellula ospite a produrre altro DNA fagico e proteine. Si riproducono nuovi fagi. La cellula si rompe (lisi) e libera nuovi fagi. Figura 10.1C

Polinucleotide del DNA 10.2 DNA e RNA sono polimeri di nucleotidi Il DNA è un acido nucleico costituito da lunghe catene di nucleotidi. Polinucleotide del DNA A C T G Scheletro zucchero-fosfato Gruppo fosfato Base azotata Zucchero O O– P CH2 H3C N H Base azotata (A, G, C, o T) Timina (T) (deossiribosio) Nucleotide del DNA Figura 10.2A

Il DNA ha quattro tipi di basi azotate: adenina (A), timina (T), citosina (C) e guanina (G) C O N H H3C Timina (T) Citosina (C) Adenina (A) Guanina (G) Purine Pirimidine Figura 10.2B

Anche l’RNA è un acido nucleico ma è composto da uno zucchero leggermente differente (il ribosio) e una base azotata chiamata uracile (U) al posto della timina. Base azotata (A, G, C, o U) Gruppo fosfato O O– P CH2 H C N OH Uracile (U) Zucchero (ribosio) Legenda Idrogeno Carbonio Azoto Ossigeno Fosforo Figure 10.2C, D

10.3 DNA ha la forma di un’elica a doppio filamento Nel 1953 James Watson e Francis Crick determinarono la struttura tridimensionale del DNA, basandosi anche sul lavoro di Rosalind Franklin. Figure 10.3A, B

La struttura del DNA consiste di due filamenti di polinucleotidi attorcigliati l’uno sull’altro in una doppia elica. Si può immaginare questa struttura come una scala di corda dotata di rigidi pioli in legno e arrotolata in spire. Torsione Figura 10.3C

I legami idrogeno tra le basi tengono uniti i filamenti. Ogni base è appaiata con una base complementare: A con T, e G con C G C T A O OH –O P – O H2C O– HO CH2 Legame idrogeno Coppie di basi appaiate Modello a nastro Struttura chimica Modello computerizzato Figura 10.3D

La duplicazione del DNA 10.4 La duplicazione del DNA dipende dall’accoppiamento di specifiche basi azotate La duplicazione del DNA comincia con i due filamenti del DNA di partenza che si separano. Ogni filamento funziona da stampo per formare un filamento complementare. I nucleotidi si allineano lungo il filamento stampo. Gli enzimi legano tra loro i nucleotidi per formare un nuovo filamento. A T C G Molecola originaria del DNA. Entrambi i filamenti originari si comportano da stampo. Due nuove molecole di DNA identiche. Nucleotidi Figura 10.4A

La duplicazione del DNA è un processo complesso La duplicazione del DNA è un processo complesso. Parte della complessità nasce dal fatto che, quando si duplica, la molecola elicoidale di DNA deve srotolarsi. G C A T Figura 10.4B

10.5 I particolari della duplicazione del DNA La duplicazione del DNA inizia presso specifici punti di origine della duplicazione sulla doppia elica. Punto di origine della duplicazione Due molecole figlie di DNA Filamento originario Filamento di nuova sintesi Bolla di duplicazione Figura 10.5A

Ogni filamento di una doppia elica ha un orientamento opposto all’altro. HO OH A C G T 2 1 3 4 5 Estremità 5 Estremità 3 Figura 10.5B

La cellula sintetizza un filamento nuovo in maniera continua usando l’enzima DNA-polimerasi. L’altro filamento è sintetizzato in brevi segmenti consecutivi che sono poi uniti in un unico filamento dall’enzima DNA-ligasi. 3 5 Filamento sintetizzato senza interruzioni in segmenti consecutivi DNA originario DNA-ligasi Molecola di DNA-polimerasi Direzione complessiva della duplicazione Figura 10.5C

Il trasferimento delle informazioni genetiche dal DNA all’RNA e alle proteine 10.6 Il genotipo presente a livello di DNA si esprime nelle proteine, che determinano il fenotipo Il genotipo di un organismo è l’informazione ereditaria contenuta nel suo DNA (nella sequenza delle sue basi). Le proteine sono sintetizzate sulla base di informazioni contenute in sequenze di DNA dette geni. Un particolare gene, una sequenza lineare di molti nucleotidi, codifica un polipeptide (fornisce cioè le istruzioni per la sintesi proteica).

Le informazioni genetiche sono prima trasferite dal DNA a una molecola di RNA (trascrizione) e poi dall’RNA a una proteina (traduzione). DNA Trascrizione RNA Proteina Traduzione Figura 10.6A

Il maggior contributo nel determinare la relazione tra geni ed enzimi venne fornita negli anni Quaranta dalle ricerche condotte su alcuni ceppi della muffa del pane definiti «mutanti nutrizionali». Figura 10.6B

10.7 L’informazione genetica viene scritta sotto forma di codoni e tradotta in sequenze di amminoacidi Le «parole» del linguaggio chimico del DNA sono triplette di basi chiamate codoni. I codoni di un gene contengono le informazioni per la sequenza di amminoacidi di una catena polipeptidica.

Trascrizione e traduzione dei codoni Filamento di DNA Trascrizione Traduzione Polipeptide RNA Amminoacido Codone A C G U Gene 1 Gene 2 Gene 3 Molecola di DNA Figura 10.7 Trascrizione e traduzione dei codoni

10.8 Il codice genetico è «la stele di Rosetta» della vita UUC UGU UGC Met o inizio Phe Leu Ile Val Ala Thr Pro Ser Asn Lys His Gln Asp Glu Arg Gly Cys Tyr G A C U Terza base azotata Seconda base azotata Prima base azotata UUA UUU CUC CUU CUG CUA AUC AUU AUG AUA GUC GUU GUG GUA UCC UCU UCG UCA CCC CCU CCG CCA ACC ACU ACA GCC GCU GCG GCA UAC UAU UAG Stop UAA Stop CAC CAU CAG CAA AAC AAU AAG AAA GAC GAU GAG GAA UGG Trp CGC CGU CGG CGA AGC AGU AGG AGA GGC GGU GGG GGA UUG UGA Stop Quasi tutti gli organismi (dai batteri alle piante agli animali) condividono lo stesso codice genetico. Figura 10.8A

Processo per decifrare l’informazione genetica del DNA: Figura 10.8B T A C G U Trascrizione Traduzione mRNA DNA Met Lys Phe Polipeptide Codone di inizio di arresto Filamento da trascrivere

10.9 La trascrizione produce messaggi genetici sotto forma di RNA Una rappresentazione dettagliata della trascrizione: Nucleotidi dell’RNA RNA-polimerasi T C C A A T A U C T T G U G A C C A U C C A C A G A T A G G T T Direzione della trascrizione Filamento stampo di DNA Figura 10.9A RNA appena sintetizzato

Nelle cellule eucariotiche la trascrizione avviene nel nucleo. I due filamenti di DNA si separano, nel punto in cui ha inizio la trascrizione, e uno dei due funziona da stampo. I nucleotidi che costituiscono la nuova molecola di RNA prendono posto una alla volta lungo il filamento stampo del DNA, seguendo la stessa regola dell’appaiamento delle basi della duplicazione del DNA (tranne per il fatto che A si appaia con U invece che con T).

Trascrizione di un gene: RNA-polimerasi DNA del gene DNA della sequenza promotore DNA della sequenza di terminazione Area mostrata nella figura 10.9A RNA in crescita RNA completato Figura 10.9B 1 Inizio 2 Allungamento 3 Terminazione

10.10 L’RNA eucariotico viene modificato prima di lasciare il nucleo Il tipo di RNA che codifica per le sequenze di amminoacidi è detto RNA messaggero (mRNA). Le regioni di geni non codificanti, chiamate introni (cioè «sequenze che interrompono»), vengono rimosse. Gli esoni (le regioni codificanti) si uniscono per produrre una singola molecola codificante di mRNA. Questo processo è chiamato splicing.

Gli introni vengono rimossi e alle estremità dei segmenti sono aggiunti un cappuccio e una coda. Esone Introne Esone Introne Esone DNA Cappuccio Trascrizione Aggiunta del cappuccio e della coda RNA trascritto con cappuccio e coda Gli introni vengono rimossi Coda Gli esoni si legano tra loro mRNA Sequenza codificante Nucleo Citoplasma Figura 10.10

La traduzione dell’mRNA 10.11 Le molecole di RNA di trasporto fungono da interpreti durante la traduzione La traduzione dell’mRNA in proteine avviene nel citoplasma in corrispondenza dei ribosomi. I ribosomi sono gli organuli che coordinano le operazioni necessarie per passare dalle sequenze nucleotidiche alle catene polipeptidiche.

Per la traduzione del messaggio genetico dell’mRNA nel messaggio proteico, la cellula utilizza un interprete molecolare, un particolare tipo di RNA, chiamato RNA di trasporto (tRNA). Sito d’attacco dell’aminoacido Legame idrogeno Catena polinucleotidica di RNA Anticodone Figura 10.11A

Ogni molecola di tRNA ha un’ansa a filamento singolo, posta a un’estremità, che contiene una speciale tripletta di basi azotate chiamata anticodone (complementare a un particolare codone dell’mRNA). All’altra estremità c’è invece il sito di attacco di uno specifico amminoacido. Sito d’attacco dell’amminoacido Anticodone Figure 10.11B, C

10.12 I ribosomi costruiscono i polipeptidi Un ribosoma è costituito da due subunità, ciascuna formata da proteine e da grandi quantità di un tipo di RNA chiamato RNA ribosomiale (rRNA). Molecole di tRNA mRNA Subunità piccola Polipeptide in via di formazione Subunità grande Figura 10.12A

Durante la traduzione, le subunità di un ribosoma tengono unite tra di loro le molecole di tRNA e di mRNA. Subunità grande Subunità piccola Sito di legame per l’mRNA Polipeptide in via di formazione Successivo amminoacido da aggiungere al polipeptide mRNA tRNA Codoni Figure 10.12B, C

10.13 Un codone d’inizio indica il punto di partenza del messaggio portato dall’mRNA Inizio del messaggio genetico Fine Figura 10.13A

Nel processo d’inizio della traduzione, vengono coinvolti l’mRNA, il primo amminoacido attaccato al suo tRNA e le due subunità ribosomiali. Met tRNA di partenza mRNA Subunità ribosomiale più piccola Codone d’inizio Subunità ribosomiale più grande Sito A U A C A U G Sito P 1 2 Figura 10.13B

10.14 Nella fase di allungamento si aggiungono amminoacidi alla catena polipeptidica fino a quando il codone di arresto termina la traduzione Completata la fase d’inizio, al primo amminoacido se ne aggiungono altri, uno alla volta, durante il processo di allungamento. Il processo di allungamento prevede tre tappe: riconoscimento del codone; formazione del legame peptidico; traslocazione.

Riconoscimento del codone Il processo di allungamento: Polipeptide Sito P mRNA Codoni Movimento dell’mRNA Codone di arresto Nuovo legame peptidico Anticodone Amminoacido Sito A 1 2 3 Traslocazione Riconoscimento del codone 1 Formazione del legame peptidico 2 Traslocazione 3 Figura 10.14

L’mRNA sposta un codone alla volta e il tRNA si appaia ad ogni codone con il suo anticodone complementare, aggiungendo il suo amminoacido alla catena peptidica. L’allungamento continua fino a quando un codone d’arresto (UAA, UAG, UGA) giunge nel sito A del ribosoma, terminando la traduzione.

10.15 Il passaggio di informazioni genetiche nella cellula segue la direzione DNARNAproteina La sequenza dei codoni nel DNA «scrive lettera per lettera» la struttura primaria di un polipeptide.

Le diverse tappe dalla trascrizione alla formazione di un polipeptide: 1 2 3 4 5 Figura 10.15

Emoglobina dell’anemia falciforme 10.16 Le mutazioni possono cambiare il significato dei geni Qualsiasi variazione nella sequenza nucleotidica del DNA rispetto alla sua conformazione originale è detta mutazione. Le mutazioni sono causate da errori nella duplicazione del DNA, da ricombinazione o da agenti mutageni. C T A Emoglobina normale DNA di emoglobina mutante G U Emoglobina dell’anemia falciforme DNA di emoglobina normale Glu Val mRNA Figura 10.16A

La sostituzione, l’inserzione o la delezione di nucleotidi alterano un gene con varie conseguenze sull’organismo. Gene normale mRNA Sostituzione di una base azotata Delezione di una base azotata Mancante Met Lys Phe Gly Ala Ser Leu His A U G C Proteina Figura 10.16B

La genetica dei virus e dei batteri 10.17 Il DNA virale può diventare parte del cromosoma ospite I virus possono essere considerati come geni impacchettati in proteine. I virus possono riprodursi solo all’interno di una cellula, utilizzandone le strutture e l’energia.

Nel ciclo litico, quando il DNA fagico entra in un batterio, è duplicato, trascritto e tradotto. Il nuovo DNA virale e le nuove proteine sintetizzate vengono poi usate per assemblare nuovi fagi che si liberano dalla cellula ospite quando questa si rompe.

Nel ciclo lisogeno la duplicazione del DNA virale avviene senza la produzione di nuovi fagi e senza la morte della cellula ospite. Il DNA fagico si integra in quello della cellula ospite (profago) e viene trasferito alle cellule figlie con la riproduzione della cellula ospite che duplica il DNA profagico insieme al proprio. I profagi possono rimanere nelle cellule batteriche per sempre ma, in particolari condizioni ambientali, un profago può staccarsi dal suo cromosoma ospite e iniziare un ciclo litico.

assume un aspetto circolare In un fago esistono due tipi di cicli riproduttivi: Il fago si attacca alla cellula 1 1 DNA del fago Cromosoma batterico La cellula si rompe liberando i fagi Il fago inietta DNA 7 2 Numerose divisioni cellulari 4 Ciclo litico Ciclo lisogeno Si assemblano i fagi Il DNA fagico assume un aspetto circolare Il batterio lisogeno si riproduce normalmente, duplicando il profago a ogni divisione cellulare Profago 3 5 6 OPPURE Vengono sintetizzati nuovo DNA fagico e nuove proteine Il DNA fagico si inserisce nel cromosoma batterico per ricombinazione Figura 10.17

10.18 Molti virus sono causa di malattie negli animali Molti virus che infettano gli animali e le piante causano malattie. Molti, come il virus dell’influenza, hanno come materiale genetico l’RNA al posto del DNA. Involucro esterno RNA Rivestimento proteico Estroflessione glicoproteica Figura 10.18A

Alcuni virus che infettano le cellule animali Glicoproteina usano parte della membrana della cellula ospite come rivestimento protettivo; possono rimanere latenti nel corpo dell’ospite per lunghi periodi. RNA virale (genoma) Rivestimento proteico Involucro esterno Ingresso 1 Membrana plasmatica della cellula ospite Eliminazione del rivestimento 2 Viral RNA (genome) Sintesi di RNA 3 Sintesi di proteine 4 Sintesi di RNA 5 mRNA Filamento stampo Nuovo genoma virale Nuove proteine virali Assemblaggio 6 7 Uscita Uscita 7 Figura 10.18B

COLLEGAMENTI 10.19 Le malattie virali delle piante La maggior parte delle virosi che infettano le cellule vegetali: è costituita da virus a RNA; entra nei propri ospiti attraverso delle ferite nei loro rivestimenti esterni. Proteine RNA Figura 10.19

COLLEGAMENTI 10.20 L’umanità deve affrontare la comparsa di nuovi virus Colorizzata TEM 50 000 Colorizzata TEM 370 000 Figura 10.20A Figura 10.20B

10.21 Il virus dell’AIDS assembla il DNA utilizzando l’RNA come stampo Il virus dell’AIDS (HIV) è un retrovirus. Involucro esterno Glicoproteina Rivestimento proteico RNA (due filamenti identici) Trascrittasi inversa Figura 10.21A

All’interno di una cellula, l’HIV usa il proprio RNA come stampo per produrre DNA da inserire nel DNA cromosomico dell’ospite. RNA virale CITOPLASMA 1 NUCLEO Filamento di DNA DNA cromosomico 2 DNA a doppio filamento 3 DNA del provirus 4 RNA virale e proteine 5 RNA 6 Figura 10.21B

10.22 In natura i batteri possono trasferire il DNA in tre modi diversi I batteri possono trasferire geni da una cellula all’altra attraverso tre processi: trasformazione, trasduzione o coniugazione. DNA che entra nella cellula Frammento di DNA appartenente a un’altra cellula batterica Cromosoma batterico (DNA) Phage Frammento di DNA appartenente a una cellula batterica (precedente ospite del fago) Fago Pili sessuali Ponte citoplasmatico Cellula donatrice (maschio) Cellula ricevente (femmina) Figure 10.22A–C TRASFORMAZIONE TRASDUZIONE CONIUGAZIONE

Una volta che il nuovo DNA entra in una cellula batterica, una parte di esso può essere integrata nel cromosoma della cellule ricevente. Cromosoma della cellula ricevente ricombinante DNA trasferito Inserzioni DNA demolito Figura 10.22D

10.23 I plasmidi batterici possono essere utilizzati per trasferire i geni I plasmidi sono piccole molecole circolari di DNA separate dal più grande cromosoma batterico. Alcuni plasmidi possono favorire la coniugazione e passare in un’altra cellula.

I plasmidi possono servire come trasportatori per trasferire i geni. Fattore F (plasmide) Può avvenire la ricombinazione Solo una parte del cromosoma si trasferisce Il fattore F inizia la duplicazione e il trasferimento del DNA Origine della duplicazione Cromosoma batterico Batterio «maschio» donatore Fattore F (integrato) Cellula ricevente Batterio «maschio» donatore Cromosoma batterico Il fattore F inizia la duplicazione e il trasferimento Plasmidi Colorizzata TEM 2000 Il plasmide completa il trasferimento e assume di nuovo la forma circolare La cellula diventa «maschio» Figure 10.23A–C