DNA STRUTTURA E FUNZIONI prof. eugenio favia

Scoperta degli acidi nucleici La lunga storia del DNA comincia nel lontano 1869 con lo svizzero Johann F. Miescher. Per i suoi studi, si servì del pus perché ricco di globuli bianchi, cellule del sangue con grandi nuclei . Dopo l’estrazione del materiale nucleare lo analizzò e scoprì che era acido e conteneva, tra l’altro, il 14% di N, 3% di P e il 2% di S Infine, poiché era resistente agli enzimi che demoliscono le proteine (pepsina) concluse che non poteva trattarsi di materiale proteico. Egli chiamò questa sostanza “nucleina” prof. eugenio favia

Nel 1879 il collega Albrecht Kossel analizzando quelle sostanze vide che contenevano quattro composti ricchi di azoto che chiamò ADENINA, TIMINA, CITOSINA , GUANINA (basi azotate). Nel 1889 Richard Altmann, studente di Miesher, ribattezzò la nucleina ACIDO NUCLEICO Già nel 1874 Miescher ipotizzò, in maniera quasi preveggente, che la nucleina potesse avere a che fare con la riproduzione prof. eugenio favia

Ma i cromosomi sono fatti anche di DNA. Nel 1902 l’americano Walter Sutton osservando la meiosi in cellule germinali di cavallette, si rese conto del parallelismo tra le leggi di Mendel e il movimento dei cromosomi omologhi. Perciò ipotizzò una associazione tra i cromosomi e l’ereditarietà genetica. Ma i cromosomi sono fatti anche di DNA. prof. eugenio favia

Come si è arrivati a capire le funzioni del DNA FUNZIONE GENETICA Nel 1928 Il medico inglese Frederick Griffith studiava il batterio Streptococcus pneumoniae che presenta due diversi ceppi S (da smooth=liscio) VIRULENTO R (da rough=ruvido) INNOCUO Sviluppò un esperimento divenuto ormai classico: prof. eugenio favia

Esperimento di Griffith prof. eugenio favia

Nel 1944 Oswald Avery e i suoi collaboratori riuscirono, dopo lunghi e laboriosi esperimenti, ad individuare qual’era la sostanza trasformante osservata da Griffith. prof. eugenio favia

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I virus sono costituiti da proteine e DNA Nel 1952 gli americani Alfred Hershey e Martha Chase effettuarono un nuovo e più complesso esperimento per confermare i risultati di Avery Usarono il virus betteriofago T2. Questo penetra parzialmente nel batterio e, dopo aver prodotto numerose copie di se stesso, fuoriesce dal batterio lisandolo (uccidendolo) I virus sono costituiti da proteine e DNA prof. eugenio favia

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La struttura del DNA Nel 1919 Phoebus Levene individuò la composizione del DNA : Uno zucchero a 5 atomi di carbonio (desossiribosio) un gruppo fosfato (PO4-4 ) e una base azotata, tutti uniti a formare un nucleotide che a sua volta costituisce un monomero del DNA. Precedentemente lo stesso Levene aveva scoperto un altro acido nucleico: l’RNA prof. eugenio favia

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nel 1950 il biochimico austriaco Erwin Chargaff studiando la composizione del DNA notò alcune regolarità significative: La percentuale delle singole basi azotate è uguale in tutte le cellule di un individuo Il rapporto tra le percentuali di A e G sono diverse da specie a specie In ciascuna specie la quantità di A = T e la quantità di G = C (e quindi A+G = C+T) prof. eugenio favia

Nel 1951 Rosalind Franklin e Maurice Wilkins cominciarono presso il King’s College di Londra lo studio della molecola del DNA col metodo della cristallografia a raggi X. e nel 1952 giunsero alla conclusione che la sua struttura dovesse essere a elica. prof. eugenio favia

LA DOPPIA ELICA Nel 1953 l’inglese Francis Crick e l’americano James Watson, sulla base delle osservazioni della Franklin e di tutte le informazioni fino ad allora note sul DNA, costruirono un modello tridimensionale a doppia elica e pubblicarono i risultati il 25 aprile su Nature Per questa scoperta ricevettero il premio Nobel nel 1958 Rosalind Franklin morì a soli 37 anni nel 1958 prima dell’ambito riconoscimento prof. eugenio favia

LA DUPLICAZIONE Ma la trasmissione dell’informazione genetica richiede prima la duplicazione del DNA Dopo la scoperta di Watson e Crick sulla struttura del DNA si intuì che questo poteva autoduplicarsi prof. eugenio favia

Ma rimaneva il problema di come avveniva il processo Il primo a provare sperimentalmente che effettivamente ciò avveniva è stato Arthur Kronberg (nobel nel 1959). Ma rimaneva il problema di come avveniva il processo prof. eugenio favia

Gli americani Matthew Meselson e Franklin Sthal nel 1958 portarono a termine un importante esperimento che confermò la duplicazione semiconservativa del DNA. C,G,A,T = 15N C,G,A,T = 14N prof. eugenio favia

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FUNZIONE DI CONTROLLO Abbiamo visto che il DNA è la molecola che contiene le informazioni genetiche che si trasferiscono di generazione in generazione. Ma come vengono usate queste informazioni dalle cellule degli organismi? Il DNA determina il funzionamento delle cellule mediante la costruzione di importanti biomolecole: le PROTEINE prof. eugenio favia

LE PROTEINE Le proteine sono delle macromolecole polimeriche costituite da una lunga catena di aminoacidi (catena polipeptidica). Ci sono 20 aminoacidi diversi con cui gli organismi costruiscono tutti i milioni di proteine esistenti. prof. eugenio favia

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Esse si possono descrivere mediante 4 livelli strutturali: Primaria: sequenza degli aminoacidi Secondaria: disposizione ad α-elica o a β-foglietto della catena polipeptidica Terziaria: avvolgimento spaziale della catena Quaternaria: unione di più subunità in struttura terziaria prof. eugenio favia

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Pertanto la vita cellulare dipende da quali e quante proteine vi sono Le proteine svolgono tante funzioni nelle cellule : enzimatica, di difesa, strutturale, di trasporto, ormonale, ecc. Pertanto la vita cellulare dipende da quali e quante proteine vi sono Ma il DNA come determina le proteine? prof. eugenio favia

Il processo viene detto SINTESI DELLE PROTEINE e si svolge in due fasi distinte ma correlate con il tramite del RNA (un altro acido nucleico) e di diversi enzimi : TRASCRIZIONE TRADUZIONE prof. eugenio favia

RNA L’RNA è simile al DNA con la differenza di avere il ribosio al posto del desossiribosio, l’uracile al posto della timina e di essere costituita da una singola catena di nucleotidi. Inoltre vi sono diversi tipi di RNA: mRNA (messaggero), tRNA (trasporto), rRNA (ribosomiale) prof. eugenio favia

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TRASCRIZIONE Il processo di trascrizione avviene in tre fasi prof. eugenio favia

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Per trasferire le informazioni del DNA espresse in una sequenza di nucleotidi in informazioni espresse in una sequenza di aminoacidi nelle proteine occorre un codice : IL CODICE GENETICO prof. eugenio favia

Il lavoro di decifrazione del codice fu intrapreso all’inizio degli anni sessanta, tra gli altri, da un giovane biochimico statunitense Marshall Nirenberg (nobel nel 1968): Utilizzò il batterio Escherichia coli per ricavare il contenuto delle cellule senza la membrana: il citoplasma. Questo materiale viene detto cell-free e mantiene tutte le capacità metaboliche della cellula tranne la riproduzione. prof. eugenio favia

Nel 1961 inserì una sequenza nota di RNA (UUU) e ottenne la produzione dell’aminoacido fenilalanina. Negli anni successivi, in collaborazione con altri studiosi, ripetè l’esperienza con altre sequenze di RNA e trovò, alla fine, le corrispondenze tra triplette e aminoacidi. Il lavoro di decifrazione delle 64 triplette fu terminato nel 1966 rivelando l’intero CODICE GENETICO prof. eugenio favia

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Grazie per l’attenzione. prof. eugenio favia