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Immagini e concetti della biologia Sylvia S. Mader Sylvia S. Mader, Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2018

B3 – La biologia molecolare Sylvia S. Mader, Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2018

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, 2018

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. Con i loro esperimenti si dimostrò che il materiale 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, 2018

Il ruolo del DNA nell’ereditarietà Gli esperimenti di Hershey e Chase con i batteriofagi T2 ed E. coli. Sylvia S. Mader, Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2018

Il DNA e l’RNA 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, 2018

Il DNA e l’RNA 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, 2018

Il DNA e l’RNA sono polimeri di nucleotidi L’RNA (acido ribonucleico) differisce dal DNA: per il tipo di zucchero C5 che contiene, il ribosio perché al posto della base azotata timina contiene un’altra pirimidina, l’uracile (U) Sylvia S. Mader, Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2018

Il DNA ha i requisiti per essere il materiale genetico variabile tra le diverse specie in grado di custodire le informazioni che fanno una specie diversa dall’altra è costante all’interno di una stessa specie in grado di duplicarsi con grande precisione durante la divisione cellulare 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, 2018

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, 2018

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, 2018

Il 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 e unite da legami a idrogeno. Sylvia S. Mader, Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2018

Il DNA è adatto alla duplicazione La duplicazione del DNA è semi-conservativa, dato che ogni filamento funge da stampo per la formazione del filamento complementare: ogni nuova molecola di DNA ha un filamento conservato dall’originale e uno neoformato. Sylvia S. Mader, Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2018

Il DNA è adatto alla duplicazione La duplicazione di una molecola di 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, 2018

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. I telomeri sono speciali sequenze di nucleotidi, che non codificano alcuna proteina. Sylvia S. Mader, Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2018

Il filamento in ritardo 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, mano a 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, 2018

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, 2018

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, 2018

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, 2018

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, mano a 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, 2018

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, 2018

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, 2018

La traduzione avviene presso i ribosomi nel citoplasma I ribosomi hanno 1 sito di legame per l’mRNA e 3 siti 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 per tradurre lo stesso mRNA; l’intero complesso di traduzione è detto poliribosoma. Sylvia S. Mader, Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2018

La prima 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) sito A (da amminoacido) Sylvia S. Mader, Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2018

La seconda 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, 2018

La terza 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, 2018

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, 2018

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, 2018

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, 2018

Le mutazioni e il cancro L’apoptosi è un meccanismo molto importante per la prevenzione della cancerogenesi. Nel cancro la cellula perde il controllo del ciclo cellulare a causa di mutazioni a carico dei: protoncogèni – che codificano per proteine che promuovono il ciclo cellulare e inibiscono l’apoptosi geni soppressori dei tumori – che codificano per proteine che inibiscono il ciclo cellulare e favoriscono l’apoptosi Sylvia S. Mader, Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2018

Il cancro si sviluppa quando la cellula non controlla bene il ciclo cellulare Quando i protoncogèni subiscono mutazioni diventano oncogèni e impediscono l’apoptosi. Infatti, l’azione anormale degli oncogèni e dei geni soppressori dei tumori provoca un’espressione esagerata dei geni per la ciclina e la produzione di proteina p53 non funzionante. Sylvia S. Mader, Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2018

Nel cancro i prodotti di geni difettosi interferiscono con la trasduzione del segnale In un percorso stimolatorio normale, il protoncogène codifica per una proteina che stimola il ciclo cellulare. In un percorso stimolatorio anormale, l’oncogène codifica per una proteina che iperstimola il ciclo cellulare. Sylvia S. Mader, Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2018

Nel cancro i prodotti di geni difettosi interferiscono con la trasduzione del segnale In un percorso inibitorio normale un gene soppressore dei tumori codifica per una proteina che inibisce il ciclo cellulare. In un percorso inibitorio anormale un gene soppressore dei tumori mutato codifica per una proteina incapace di inibire il ciclo cellulare. Sylvia S. Mader, Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2018

Il cancro può diventare maligno gradualmente La cancerogenesi, ossia lo sviluppo di un tumore maligno, richiede l’intervento di numerose mutazioni. Il processo risulta quindi graduale. Sylvia S. Mader, Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2018

Le cellule del tumore rilasciano fattori di crescita che promuovono l’angiogènesi, ossia la formazione di nuovi vasi sanguigni. Le cellule tumorali invadono anche i vasi linfatici e sanguigni, e vengono così trasportate ad altre parti del corpo. Quando le cellule cancerose danno origine a nuovi tumori in distretti lontani dal tumore originario, si dice che il cancro è in metastasi. Sylvia S. Mader, Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2018

La terapia del cancro prevede diverse tipologie di trattamento La diagnosi del cancro richiede un’attenta valutazione della salute generale e un esame medico del paziente (esami del sangue e delle urine, indagini per immagini, biopsia, esami endoscopici e chirurgici, test genetici). L’asportazione chirurgica è indicata per i cancri in situ, ma visto il rischio di lasciare alcune cellule malate, gli interventi sono spesso preceduti e/o seguiti da chemioterapia e/o radioterapia. La chemioterapia è il trattamento del cancro con farmaci e tende ad agire in modo selettivo sulle cellule cancerose. La radioterapia si basa sull’uso di radiazioni ionizzanti che colpiscono con forte energia le cellule cancerose danneggiandole o distruggendole. Sylvia S. Mader, Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2018