Capitolo 10 La biologia molecolare del gene 0

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. Figura 10.1A Testa Coda Fibre della coda DNA

Lesperimento 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 Si centrifuga Precipitato Radioattività 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: Figura 10.1C 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.

Polinucleotide del DNA A C T G T Scheletro zucchero-fosfato Gruppo fosfato Base azotata Zucchero A C T G T Gruppo fosfato O O–O– O O P CH 2 H3CH3C C C C C N C N H H O O C O O H C H H H C H Base azotata (A, G, C, o T) Timina (T) Zucchero (deossiribosio) Nucleotide del DNA 10.2 DNA e RNA sono polimeri di nucleotidi Il DNA è un acido nucleico costituito da lunghe catene di nucleotidi. Figura 10.2A

Il DNA ha quattro tipi di basi azotate: adenina (A), timina (T), citosina (C) e guanina (G) C C C C C C O N C H H O N H H3CH3C H H H H N N N H O C HH N H C N N N N C C C C H H N N H C C N C H N C N HC O H H Timina (T)Citosina (C) Adenina (A) Guanina (G) Purine Pirimidine Figura 10.2B

Base azotata (A, G, C, o U) Gruppo fosfato O O–O– OOP CH 2 H C C C C N C N H H O O C O O H C H H OH C H Uracile (U) Zucchero (ribosio) Legenda Idrogeno Carbonio Azoto Ossigeno Fosforo Anche lRNA 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. Figure 10.2C, D

10.3 DNA ha la forma di unelica 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 luno sullaltro in una doppia elica. Si può immaginare questa struttura come una scala di corda dotata di rigidi pioli in legno e arrotolata in spire. Figura 10.3C Torsione

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 Figura 10.3D GC TA AT G G C C A T GC T A T A AT AT GC A T O O OH –O–O P O O –O–O P O O O P – O O P O O O OH H2CH2C H2CH2C H2CH2C H2CH2C O O O O O O O O P O–O– O–O– O–O– O–O– HO O O O P P P O O O O O O O O T A G C C G AT CH 2 Legame idrogeno Coppie di basi appaiate Modello a nastro Struttura chimica Modello computerizzato

La duplicazione del DNA 10.4 La duplicazione del DNA dipende dallaccoppiamento 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. Figura 10.4A A T C G G C A T T A AT C G G C A T T A A T C G G C A T T A A T C G G C A T AT C G A C T A Molecola originaria del DNA. Entrambi i filamenti originari si comportano da stampo. Due nuove molecole di DNA identiche. Nucleotidi

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. Figura 10.4B GC A T GC AT C G A G A C G C G C G T A G C T A T A A T T A C G C G C G T A G C T A T A A T T A T C T

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

Ogni filamento di una doppia elica ha un orientamento opposto allaltro. Figura 10.5B P P P P P P P P HO OH A C G T T C G A Estremità 5 Estremità 3 Estremità 5

La cellula sintetizza un filamento nuovo in maniera continua usando lenzima DNA-polimerasi. Laltro filamento è sintetizzato in brevi segmenti consecutivi che sono poi uniti in un unico filamento dallenzima DNA-ligasi. Figura 10.5C Filamento sintetizzato senza interruzioni Filamento sintetizzato in segmenti consecutivi DNA originario DNA-ligasi Molecola di DNA-polimerasi Direzione complessiva della duplicazione

Il trasferimento delle informazioni genetiche dal DNA allRNA 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 linformazione 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 dallRNA a una proteina (traduzione). Figura 10.6A DNA Trascrizione RNA Proteina Traduzione

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 Linformazione 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.

Filamento di DNA Trascrizione Traduzione Polipeptide RNA Amminoacido Codone A AA C C GG C A AA A U UU G G CC G U UU 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 Figura 10.8A Quasi tutti gli organismi (dai batteri alle piante agli animali) condividono lo stesso codice genetico.

Processo per decifrare linformazione genetica del DNA: Figura 10.8B TA CTTCAAAATC AT GAAGTTTTAG AU G AAGU UUUAG Trascrizione Traduzione mRNA DNA Met LysPhePolipeptide Codone di inizio Codone di arresto Filamento da trascrivere

10.9 La trascrizione produce messaggi genetici sotto forma di RNA Una rappresentazione dettagliata della trascrizione: RNA-polimerasi Nucleotidi dellRNA Direzione della trascrizione Filamento stampo di DNA RNA appena sintetizzato T C A T CC A A T T G G C C A A TT GGAT G U C AUCCA A U Figura 10.9A

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 dellappaiamento 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 RNA-polimerasi Figura 10.9B 1 Inizio 2 Allungamento 3 Terminazione

10.10 LRNA 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

10.11 Le molecole di RNA di trasporto fungono da interpreti durante la traduzione La traduzione dellmRNA 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. La traduzione dellmRNA

Per la traduzione del messaggio genetico dellmRNA nel messaggio proteico, la cellula utilizza un interprete molecolare, un particolare tipo di RNA, chiamato RNA di trasporto (tRNA). 0 Sito dattacco dellaminoacido Legame idrogeno Catena polinucleotidica di RNA Anticodone Figura 10.11A

Ogni molecola di tRNA ha unansa a filamento singolo, posta a unestremità, che contiene una speciale tripletta di basi azotate chiamata anticodone (complementare a un particolare codone dellmRNA). Allaltra estremità cè invece il sito di attacco di uno specifico amminoacido. Sito dattacco dellamminoacido 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 lmRNA Polipeptide in via di formazione Successivo amminoacido da aggiungere al polipeptide mRNA tRNA Codoni Figure 10.12B, C

10.13 Un codone dinizio indica il punto di partenza del messaggio portato dallmRNA Inizio del messaggio genetico Fine Figura 10.13A

Met tRNA di partenza mRNA Subunità ribosomiale più piccola Codone dinizio Subunità ribosomiale più grande Sito A U A CA U C A U G Sito P Nel processo dinizio della traduzione, vengono coinvolti lmRNA, il primo amminoacido attaccato al suo tRNA e le due subunità ribosomiali. 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 dinizio, 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.

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

LmRNA 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. Lallungamento continua fino a quando un codone darresto (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.

Figura Le diverse tappe dalla trascrizione alla formazione di un polipeptide:

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 TTC AT Emoglobina normale DNA di emoglobina mutante GAAGUA Emoglobina dellanemia falciforme DNA di emoglobina normale Glu Val mRNA Figura 10.16A

La sostituzione, linserzione o la delezione di nucleotidi alterano un gene con varie conseguenze sullorganismo. Gene normale mRNA Sostituzione di una base azotata Delezione di una base azotata Mancante MetLys Phe Gly Ala Met Lys PheSerAla Met Lys Leu AlaHis AUGA A G U U U G G C GC A AUGA A G U U U A G C GC A AUGA A G U U GGCG CA U U Proteina Figura 10.16B

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

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.

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

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

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

COLLEGAMENTI Le malattie virali delle piante Proteine RNA Figura 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.

COLLEGAMENTI Lumanità deve affrontare la comparsa di nuovi virus Colorizzata TEM Colorizzata TEM Figura 10.20AFigura 10.20B

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

Allinterno di una cellula, lHIV usa il proprio RNA come stampo per produrre DNA da inserire nel DNA cromosomico dellospite. RNA virale Filamento di DNA DNA a doppio filamento RNA virale e proteine CITOPLASMA NUCLEO DNA cromosomico DNA del provirus RNA 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 allaltra attraverso tre processi: trasformazione, trasduzione o coniugazione. DNA che entra nella cellula Frammento di DNA appartenente a unaltra 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 TRASFORMAZIONETRASDUZIONECONIUGAZIONE

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 Cromosoma 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 unaltra cellula.

I plasmidi possono servire come trasportatori per trasferire i geni. Plasmidi Colorizzata TEM 2000 La cellula diventa «maschio» Il plasmide completa il trasferimento e assume di nuovo la forma circolare Il fattore F inizia la duplicazione e il trasferimento Batterio «maschio» donatore Cromosoma batterico 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 Figure 10.23A–C