LICEO SCIENTIFICO STATALE “LEONARDO da VINCI” di FIRENZE CORSO SPERIMENTALE F DOCENTE Prof. Enrico Campolmi La struttura del DNA struttura del DNA

Nel 1865 Mendel pubblica i suoi lavori. R. Brown Il nucleo cellulare viene descritto per la prima volta nel 1831 dal botanico e microscopista scozzese Robert Brown Nel 1865 Mendel pubblica i suoi lavori. Nel 1866 viene ipotizzato per la prima volta che sia il nucleo della cellula a trasmettere i caratteri ereditari F. Miescher Nel 1869 il medico tedesco Friedrick Miescher isola nel nucleo cellulare un composto contenente fosforo, che si presenta in lunghe molecole, cui si da il nome di nucleina. Il suo ruolo resta tuttavia sconosciuto. Nel 1880 il biochimico tedesco Albrecht Kossel riuscì a determinare la composizione chimica della nucleina struttura del DNA

1 base azotata 1 zucchero 1 gruppo fosfato Purine (2 anelli di atomi) Pirimidine (1 anello di atomi) citosina timina adenina guanina uracile Oltre a queste sostanze era poi presente una pari quantità di proteine di vario tipo struttura del DNA

Nel 1882 vengono osservati i cromosomi e viene descritta la mitosi. Nel 1887 viene descritta la meiosi. W. Sutton Nel 1888 viene coniato il termine cromosoma Nel 1889 viene coniato il termine acido nucleico, in sostituzione di nucleina Nel 1900 viene riscoperto il lavoro di Mendel Nel 1902 Walter Sutton formula la teoria cromosomica dell’ereditarietà: i cromosomi veicolano i geni; collegamento tra meiosi e leggi di Mendel. “L’associazione dei cromosomi paterni e materni in coppie e la loro successiva separazione durante la meiosi potrebbero costituire la base fisica della legge mendeliana dell’eredità” Walter Sutton 1902 struttura del DNA

NUCLEOTIDE Negli anni ’30 del ‘900 si scoprì che i tre componenti non proteici degli acidi nucleici erano uniti in raggruppamenti che vennero chiamati nucleotidi G A C T P Z B In questa maniera si potevano formare lunghissime catene I nucleotidi si legavano tra loro mettendo il gruppo fosforico a ponte struttura del DNA

Si scoprì inoltre che le molecole di zucchero presenti negli acidi nucleici erano di due tipi: ribosio e deossiribosio Ogni molecola di acido nucleico conteneva zuccheri di un tipo o dell’altro, ma non di entrambi Esistevano quindi due tipi di acido nucleico: l’acido ribonucleico (RNA) e l’acido deossiribonucleico (DNA) Il DNA conteneva inoltre solo 4 delle basi azotate: adenina, guanina, citosina e timina; mentre l’RNA conteneva invece adenina, guanina, citosina e uracile Tuttavia fino agli inizi degli anni ’40 si riteneva che la parte più importante del contenuto del nucleo fosse quella proteica, mentre agli acidi nucleici veniva attribuito solo un ruolo accessorio struttura del DNA

Le proteine hanno una struttura più complessa di quella degli acidi nucleici Gli acidi nucleici hanno infatti solo 4 monomeri, mentre le proteine ne hanno venti, quasi quante sono le lettere dell’alfabeto Si ipotizzò che gli aminoacidi costituissero una sorta di linguaggio della vita, capace di fornire le istruzioni per tutte le attività cellulari. Si suppose persino che le proteine dei cromosomi costituissero delle specie di stampi, da cui sarebbero state copiate tutte le proteine necessarie al funzionamento della cellula Tale situazione cambiò solo quando si ripresero in esame degli studi effettuati molti anni prima da un batteriologo americano, Frederick Griffith, sui ceppi batterici che inducono nei ratti una forma di polmonite struttura del DNA

I ceppi batterici sono due: F. Griffith 1928 I ceppi batterici sono due: 1. Ceppo S (dotato di capsula protettiva) letale 2. Ceppo R (privo di capsula protettiva) non letale La capacità di produrre la capsula ed uccidere i topi è ereditaria 3. I batteri capsulati uccisi col calore non uccidono i topi 4. Un miscuglio di batteri capsulati uccisi col calore e batteri non capsulati vivi uccide i topi. Nel sangue dei topi uccisi si trovano batteri capsulati vivi Qualcosa si è trasferito dai batteri morti a quelli vivi, conferendo loro la capacità di produrre capsule ed uccidere i topi Il fenomeno fu chiamato trasformazione ed il qualcosa responsabile di esso fu detto fattore trasformante struttura del DNA

Nel 1943 l’americano O.T. Avery riuscì a dimostrare che il fattore trasformante era costituito da DNA Esperimenti successivi dimostrarono che parecchi altri caratteri ereditari potevano essere trasferiti da un ceppo batterico all’altro, attraverso il DNA Le scoperte di Avery ebbero tuttavia un riconoscimento lento, sia perché i batteri, poiché procarioti, erano considerati inferiori e differenti, sia perché il DNA, formato da soli 4 monomeri, sembrava troppo semplice per un compito complesso come trasferire informazioni ereditarie Agli inizi degli anni ’40 erano iniziati altri importanti esperimenti con materiali adatti, destinati a diventare importanti per la genetica quanto il pisello ed il moscerino della frutta: i virus batteriofagi 25 minuti dopo che un virus ha infettato un batterio, questo scoppia, liberando centinaia di nuovi virus, tutte copie esatte del virus originario L’analisi chimica rivelò che i virus sono costituiti unicamente da DNA e proteine, i due concorrenti al ruolo di materiale genetico struttura del DNA

Le proteine contengono S, ma non P; il DNA contiene P, ma non S Nel 1952 Hershey e Chase prepararono artificialmente due campioni di virus Uno il cui DNA era marcato con P radioattivo Uno le cui proteine erano marcate con S radioattivo Una volta avvenuta l’infezione, le cellule batteriche furono separate per centrifugazione dalle capsule virali rimaste fuori della cellula Lo S radioattivo restava fuori dai batteri, insieme ai rivestimenti virali Il P radioattivo penetrava nei batteri, infettandoli e causando la produzione di altri virus radioattivi. Il materiale genetico dei virus era quindi il DNA e non le proteine struttura del DNA

Circa negli stessi anni il biochimico Erwin Chargaff dimostrò che in ogni molecola di DNA il numero di molecole adenina (purina) era uguale a quello delle molecole di timina (pirimidina), mentre il numero delle molecole di guanina (purina) è uguale a quello delle molecole di citosina (pirimidina) A = T G = C Purine Pirimidine A % G% C% T% Uomo 30,4 19,6 19,9 30,1 Bue 29,0 21,2 28,7 Grano 28,1 21,8 22,7 27,4 Il motivo di ciò era nel numero di legami idrogeno che si potevano creare tra pirimidine e purine Le proporzioni delle 4 basi azotate sono uguali in tutte le cellule di una data specie, ma variano da una specie all’altra. Le basi si susseguono quindi secondo sequenze non regolari, originando moltissime variazioni, che possono costituire un linguaggio nel quale scrivere le istruzioni per il funzionamento della cellula struttura del DNA

Sempre agli inizi degli anni ’50 Maurice Wilkins e Rosalind Franklin studiavano la struttura del DNA, utilizzando la diffrazione a raggi X Essi riuscirono a dimostrare che la molecola aveva una struttura ad elica, simile a quella che negli stessi anni era stata individuata nelle proteine struttura del DNA

Nel 1953 il fisico inglese Francis Crick ed il biologo americano James Watson iniziarono ad occuparsi della struttura del DNA Francis Crick James Watson Senza svolgere esperimenti ulteriori, iniziarono a riordinare i dati raccolti fino a quel momento Crick, esperto di raggi x, analizzando i risultati di Wilkins e Franklin, intuì che la struttura del DNA era formata da una lunga doppia elica Mentre Watson, partendo dai risultati di Chargaff, utilizzò le proprie conoscenze di biochimica per analizzare i legami che si instauravano tra purine e pirimidine struttura del DNA

Torsione 2nm Immaginiamo una scala a pioli, coi montanti formati da molecole di zucchero e gruppi fosfato e i pioli costituiti dalle basi azotate, e ruotiamola quindi su se stessa Sulle immagini ottenute dalla Franklin, Crick calcolò che la distanza tra i due montanti doveva essere di 2 nanometri, esattamente la lunghezza della molecola ottenuta legando le purine e le pirimidine secondo i dati di Chargaff. struttura del DNA

Lavorando con modelli di stagno e di ferro, Watson e Crick riuscirono a costruire il puzzle, collocando ogni pezzo al giusto posto Poiché la molecola di DNA può essere lunga migliaia di nucleotidi, è possibile una enorme varietà nella sequenza delle basi; si ottiene così la complessità richiesta per il materiale genetico It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated suggests a possible copying mechanism for the genetic material. Montando la struttura Watson e Crick si accorsero inoltre che la regola di appaiamento delle basi rendeva complementari i due rami della molecola, aprendo così uno spiraglio sul possibile meccanismo di duplicazione del DNA struttura del DNA