Unità 1 La biologia molecolare del gene

Unità 1

Obiettivi

Conoscere la struttura delle molecole del DNA e dell’RNA

Comprendere il meccanismo di duplicazione del DNA

Comprendere come viene decodificata l’informazione genetica contenuta nel DNA

Conoscere le funzioni dei diversi tipi di RNA

Comprendere come avviene la sintesi delle proteine all’interno delle cellule

Conoscere i meccanismi con cui i virus infettano le cellule

La biologia molecolare del gene

Prova di competenza – A scuola dai virus

Perché, per studiare il funzionamento del DNA a livello molecolare, i virus sono stati preferiti ad altri modelli come le drosofile di Morgan?

3

Lezione 1

LA STRUTTURA DEL MATERIALE GENETICO

4

5

1.1 Alcuni esperimenti hanno dimostrato

che il DNA è il materiale depositario

dell’informazione genetica

L’esperimento di Frederick Griffith

– Griffith studiava due ceppi di un batterio: uno causava la polmonite nei topi, l’altro era innocuo

– Iniettò nei topi batteri del ceppo patogeno uccisi con il calore e batteri del ceppo innocuo vivi

– In queste condizioni alcuni batteri innocui diventavano patogeni e trasferivano la caratteristica alla propria prole

6

–Poi fecero infettare dai due gruppi di virus marcati differentemente due diversi gruppi di batteri

– Proteine radioattive: batteri non radioattivi

– DNA radioattivo: batteri radioattivi

–Le proteine, dunque, rimanevano all’esterno dei batteri infettati, mentre il DNA veniva inserito al loro interno

1.1 Alcuni esperimenti hanno dimostrato

che il DNA è il materiale depositario

dell’informazione genetica

7

–Una qualche sostanza presente nei batteri patogeni uccisi doveva essere stata trasferita a quelli innocui causando un cambiamento che poteva essere ereditato dai discendenti

–Griffith chiamò questa sostanza “fattore trasformante”

1.1 Alcuni esperimenti hanno dimostrato

che il DNA è il materiale depositario

dell’informazione genetica

8

9

1.1 Alcuni esperimenti hanno dimostrato

che il DNA è il materiale depositario

dell’informazione genetica

Alfred Hershey e Martha Chase dimostrarono che il DNA è il materiale genetico

– I virus batterici sono chiamati batteriofagi o, più sinteticamente, fagi

– Il fago T2 è costituito unicamente da DNA e da un rivestimento di proteine

– I due biologi crearono due ceppi di T2

– Ceppo allevato su zolfo radioattivo: proteine marcate Ceppo allevato su fosforo radioattivo: DNA marcato

10

–Se i batteri infettati con fagi dotati di DNA radioattivo venivano posti in coltura si lisavano liberando nuovi fagi dotati di DNA radioattivo

–Dunque i fagi avevano inserito soltanto il proprio DNA nei batteri infettati e questo era stato trasferito alla generazione successiva di fagi

–Il DNA era quindi responsabile del trasferimento dell’informazione genetica

1.1 Alcuni esperimenti hanno dimostrato

che il DNA è il materiale depositario

dell’informazione genetica

11

Ceppo 1 Proteine radioattive

Batterio

Proteine radioattive

DNA

Fago

Precipitato

DNA radioattivo

Ceppo c2 DNA radioattivo

Involucro proteico vuoto

Fago DNA

Centrifuga

Radioattività nel liquido

Si misura la radioattività

nel precipitato e nel liquido

sovrastante

4 La miscela viene

centrifugata; i batteri

formano un precipitato

sul fondo della provetta

3 I fagi che si trovano

all’esterno dei batteri

vengono separati dalle

cellule e dal loro contenuto

usando un frullatore

2 I fagi radioattivi vengono

mescolati con i batteri;

i fagi infettano le cellule

batteriche

1

Precipitato

Centrifuga Radioattività nel precipitato

12

Ceppo 1 Proteine radioattive

Batterio

Proteine radioattive

DNA

Fago

DNA radioattivo

Ceppo 2 DNA radioattivo

I fagi che si trovano

all’esterno dei batteri

vengono separati dalle

cellule e dal loro contenuto

usando un frullatore

2 I fagi radioattivi vengono

mescolati con i batteri;

i fagi infettano le cellule

batteriche

1

Involucro proteico vuoto

Fago DNA

13

Precipitato

Involucro proteico vuoto

Fago DNA

Centrifuga

Radioattività nel liquido

Si misura la radioattività

nel precipitato e nel liquido

sovrastante

La miscela viene

centrifugata; i batteri

formano un precipitato

sul fondo della provetta

Precipitato

Centrifuga Radioattività nel precipitato

4 3

14

STEP BY STEP

Che cosa convinse Hershey e Chase del fatto che il materiale genetico del fago T2 è rappresentato dal DNA e non dalle proteine?

1.1 Alcuni esperimenti hanno dimostrato

che il DNA è il materiale depositario

dell’informazione genetica

15

1.2 DNA e RNA sono polimeri di nucleotidi

Il DNA e l’RNA sono acidi nucleici costituiti da lunghe catene (o polimeri) di unità chimiche (o monomeri) dette nucleotidi

Ogni nucleotide include tre componenti

– Una base azotata

– Adenina, Citosina, Timina o Guanina nel DNA

– Uno zucchero

– Desossiribosio nel DNA

– Un gruppo fosfato

16

1.2 DNA e RNA sono polimeri di nucleotidi

Lo scheletro zucchero-fosfato

– I nucleotidi sono uniti da legami covalenti tra lo zucchero di un nucleotide e il gruppo fosfato del nucleotide successivo

– Questa struttura che si ripete per tutta la lunghezza del polinucleotide

– All’esterno di questo scheletro sporgono le basi azotate

17

1.2 DNA e RNA sono polimeri di nucleotidi

Le differenze tra RNA e DNA

– DNA: desossiribosio, RNA: ribosio

– DNA: timina, RNA: uracile

18

Scheletro zucchero-fosfato

Nucleotide di DNA

Gruppo fosfato

Base azotata

Zucchero

Polinucleotide di DNA

Nucleotide di DNA

Zucchero (desossiribosio)

Timina (T)

Nbase azotata (A, G, C, o T)

Gruppo fosfato

19

Zucchero (desossiribosio)

Timina (T)

Base azotata (A, G, C, o T)

Gruppo fosfato

20

Pirimidine

Guanina (G) Adenina (A) Citosina (C) Timina(T)

Purine

21

Zucchero (ribosio)

Uracile (U)

Base azotata (A, G, C, o U)

Gruppo fosfato

22

Ribosio

Citosina

Uracile

Fosfato

Guanina

Adenina

23

1.2 DNA e RNA sono polimeri di nucleotidi

STEP BY STEP

Quali sono le analogie e le differenze tra la struttura del DNA e quella dell’RNA?

24

1.3 Il DNA ha la struttura di un’elica a doppio

filamento

James D. Watson e Francis Crick ricostruirono la struttura tridimensionale del DNA utilizzando i dati ottenuti con la cristallografia raggi X da Rosalind Franklin e Maurice Wilkins

25

1.3 Il DNA ha la struttura di un’elica a doppio

filamento

Il modello a doppia elica

– La molecola di DNA può essere immaginata come come una scala di corda con rigidi pioli di legno avvolta su se stessa

– Le due corde laterali sono equivalenti agli scheletri zucchero-fosfato

– I pioli rappresentano le coppie di basi azotate unite da legami idrogeno

– Ogni base si appaia con la sua base complementare

– A - T

– G - C

26

27

28

Avvolgimento

29

30

Coppia

di basi appaiate

Modello a nastro

31

Legame idrogeno

Particolare della struttura chimica

32

Modello computerizzato

33

1.3 Il DNA ha la struttura di un’elica a doppio

filamento

STEP BY STEP

Se lungo un filamento della doppia elica troviamo la sequenza nucleotidica GGCATAGGT, qual è la sequenza complementare sull’altro filamento di DNA?

Lezione 2

LA DUPLICAZIONE DEL DNA

34

35

1.4 La duplicazione del DNA dipende dallo

specifico appaiamento delle basi azotate

Il modello semiconservativo

– I due filamenti di DNA originario si separano

– Ognuno di essi diventa uno stampo per l’assemblaggio di un filamento complementare a partire da una riserva di nucleotidi liberi disponibili nell’ambiente

– I nucleotidi si allineano uno alla volta lungo il filamento stampo, seguendo la regola dell’appaiamento delle basi

36

1.4 La duplicazione del DNA dipende dallo

specifico appaiamento delle basi azotate

– Appositi enzimi uniscono i nucleotidi formando il nuovo filamento di DNA

– Per ogni molecola di DNA originaria si ottengono due “molecole figlie” identiche, ognuna formata da un nuovo filamento e un filamento della molecola originaria

37

38

Molecola originaria

di DNA

39

Molecola originaria

di DNA

Nucleotidi

I due filameni originari agiscono da stampo

40

Molecola originaria

di DNA

Nucleotidi

I due filameni originari agiscono da stampo

Due molecole figlie di DNA identiche

41

STEP BY STEP

In che modo l’appaiamento complementare delle basi rende possibile la duplicazione del DNA?

1.4 La duplicazione del DNA dipende dallo

specifico appaiamento delle basi azotate

42

1.5 La duplicazione del DNA ha inizio

simultaneamente in molti punti e procede

grazie alla DNA polimerasi

La duplicazione del DNA inizia in particolari punti di origine della duplicazione

– I filamenti di DNA si separano origine a bolle di duplicazione

– La duplicazione procede quindi in entrambe le direzioni allargando le bolle di duplicazione

– Tutte le bolle che si aprono su un cromosoma finiscono poi per fondersi una con l’altra generando due nuove molecole complete di DNA

43

1.5 La duplicazione del DNA ha inizio

simultaneamente in molti punti e procede

grazie alla DNA polimerasi

Gli enzimi DNA polimerasi sono responsabili della sintesi dei nuovi filamenti di DNA, legando i nucleotidi che si appaiano spontaneamente al filamento stampo

44

1.5 La duplicazione del DNA ha inizio

simultaneamente in molti punti e procede

grazie alla DNA polimerasi

La DNA polimerasi può soltanto allungare un filamento presente, ma non partire da zero

L’enzima primasi sintetizza il primer, breve molecola di RNA da cui la DNA polimerasi può far partire la sintesi

I primer vengono eliminati e sostituiti da DNA al termine della duplicazione

45

1.5 La duplicazione del DNA ha inizio

simultaneamente in molti punti e procede

grazie alla DNA polimerasi

Un filamento di DNA di nuova sintesi può crescere esclusivamente nella direzione 5’ 3’

46

Origine della duplicazione Filamento originario

Filamento di nuova sintesi

Bolla

Due molecole figlie di DNA

47

48

STEP BY STEP

Quali sono le caratteristiche della DNA polimerasi?

1.5 La duplicazione del DNA ha inizio

simultaneamente in molti punti e procede

grazie alla DNA polimerasi

Lezione 3

IL PASSAGGIO DELL’INFORMAZIONE

GENETICA DAL DNA ALL’RNA ALLE PROTEINE

49

50

1.6 La duplicazione del DNA procede in modo

discontinuo sul filamento antiparallelo

Dato che la DNA polimerasi può allungare il filamento in una sola direzione la sintesi procede in modo differente sui due filamenti

Per ogni forcella di duplicazione

– Filamento veloce: dopo il primo innesco è assemblato in modo continuo

– Filamento lento: viene sintetizzato un frammento alla volta (frammenti di Okazaki), via via che la forcella si apre

– Successivamente i frammenti di Okazaki vengono saldati tra loro dall’enzima DNA ligasi

51

52

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55

56

57

1.6 La duplicazione del DNA procede in modo

discontinuo sul filamento antiparallelo

STEP BY STEP

Perché la duplicazione del DNA non procede alla stessa velocità sui due filamenti?

58

1.7 Gli errori di duplicazione vengono corretti

grazie alla DNA polimerasi e ad altri

meccanismi di riparazione

Raramente accade che venga inserito un nucleotide errato durante la duplicazione

– Nella maggior parte dei casi la stessa DNA polimerasi sostituisce il nucleotide con quello giusto

– Quando ciò non accade intervengono altri enzimi e correggono l’errore

– Una piccola percentuale di casi sfugge a entrambi i controlli

59

60

STEP BY STEP

Quali saranno le conseguenze per una persona portatrice di una mutazione che riduce la funzionalità di un enzima coinvolto nella riparazione del DNA?

1.7 Gli errori di duplicazione vengono corretti

grazie alla DNA polimerasi e ad altri

meccanismi di riparazione

61

1.8 Le estremità 5’ dei filamenti

di DNA non vengono duplicate

Una volta rimosso il primer all’estremità 5’ di un filamento la DNA polimerasi non è in grado di sostituirlo con DNA

Per questo i filamenti si accorciano a ogni ciclo di duplicazione

62

1.8 Le estremità 5’ dei filamenti

di DNA non vengono duplicate

Alle estremità di ogni cromosoma si trovano sequenze non codificanti ripetute chiamate telomeri

Per impedire che i telomeri si accorcino troppo passando da una generazione all’altra, nelle cellule della linea germinale è presente l’enzima telomerasi, che ripristina la lunghezza dei telomeri fino al valore massimo

63

1.8 Le estremità 5’ dei filamenti

di DNA non vengono duplicate

STEP BY STEP

Che cosa succederà in una coltura cellulare nella quale le cellule presenti non esprimono l’enzima telomerasi?

64

1.9 L’informazione genetica codificata

nel DNA viene tradotta nella sequenza

delle proteine

Il dogma centrale della biologia molecolare: un gene non sintetizza direttamente una proteina, ma fornisce le istruzioni sotto forma di RNA, che a sua volta programma la sintesi proteica

Citoplasma

Nucleo

DNA

65

Citoplasma

Nucleo

DNA

Trascrizione

RNA

66

Ctoplasma

Nucleo

DNA

Trascrizione

RNA

Traduzione

Proteina

67

68

1.9 L’informazione genetica codificata

nel DNA viene tradotta nella sequenza

delle proteine

L’ipotesi “un gene-un polipeptide”

– Beadle e Tatum dimostrarono l’ipotesi “un gene-un enzima” attraverso studi su ceppi di Neurospora Crassa, nei quali all’assenza di un gene corrispondeva quella di un enzima metabolico

– L’ipotesi è stata confermata e ampliata a “un gene-una proteina”

– È stato poi dimostrato che alcune proteine sono composte da più polipeptidi ciascuno codificato da un gene diverso: l’ipotesi è dunque diventata “un gene-un polipeptide”

69

70

STEP BY STEP

A che cosa servono la trascrizione e la traduzione?

1.9 L’informazione genetica codificata

nel DNA viene tradotta nella sequenza

delle proteine

70

71

1.10 L’informazione genetica è codificata nel DNA

in triplette di nucleotidi, ciascuna delle quali

corrisponde a un amminoacido nella proteina

corrispondente

Una sequenza di nucleotidi nel DNA contiene le informazioni per sintetizzare una proteina

– Per sintetizzare una proteina è necessario convertire la sequenza di nucleotidi in una sequenza di amminoacidi

– Durante la trascrizione l’informazione presente nel DNA viene trasferita all’RNA utilizzando il “linguaggio degli acidi nucleici”

72

1.10 L’informazione genetica è codificata nel DNA

in triplette di nucleotidi, ciascuna delle quali

corrisponde a un amminoacido nella proteina

corrispondente

– Una sequenza di nucleotidi nel DNA contiene le informazioni per sintetizzare una proteinaNella traduzione il “linguaggio degli acidi nucleici” viene convertito nel “linguaggio dei polipeptidi”

– A ciascuna possibile sequenza di tre nucleotidi (chiamata codone) corrisponde uno specifico amminoacido

– I codoni possibili sono 64, gli amminoacidi 20

– A ogni amminoacido corrisponde più di un codone

Polipeptide

Traduzione

Trascrizione

Gene 1

Molecola di DNA

Filamento di DNA

Codone

Amminoacido

Gene 2

Gene 3

RNA

73

Polipeptide

Traduzione

Trascrizione

Filamento di DNA

Codone

Amminoacido

RNA

74

75

1.10 L’informazione genetica è codificata nel DNA

in triplette di nucleotidi, ciascuna delle quali

corrisponde a un amminoacido nella proteina

corrispondente

STEP BY STEP

Una particolare proteina ha una lunghezza pari a 100 amminoacidi

Quanti nucleotidi sono necessari per codificarla?

76

1.11 Il codice genetico è la “stele di Rosetta” della

vita

Il codice genetico consiste di una serie di regole che stabiliscono la corrispondenza tra i codoni dell’RNA e gli amminoacidi delle proteine

– Soltanto 61 dei 64 codoni codificano per amminoacidi

– Gli altri sono codoni di arresto e segnalano la fine della traduzione

– La tripletta AUG codifica per la metionina e può indicare l’inizio di una catena polipeptidica

77

1.11 Il codice genetico è la “stele di Rosetta” della

vita

– Ridondanza: più di un codone codifica per lo stesso amminoacido

– Non ambiguità: nessun codone codifica per più di un amminoacido

– Non c’è punteggiatura: i codoni sono uno di seguito all’altro senza intervalli

– Il codice genetico è praticamente universale perché è condiviso da tutti gli organismi, dai più semplici batteri fino alle piante e agli animali più complessi

Pri

ma

ba

se

azo

tata

Te

rza

ba

se

azo

tata

Seconda base azotata

78

Filamento da trascrivere

DNA

79

Filamento da trascrivere

DNA

Codone di inizio

RNA

Trascrizione

Codone di stop

80

Filamento da trascrivere

DNA

Codone di inizio

RNA

Trascrizione

Codone di stop

Polipeptide

Traduzione

Met Lys Phe

81

82

1.11 Il codice genetico è la “stele di Rosetta” della

vita

STEP BY STEP

Qual è la sequenza di amminoacidi che corrisponde alla sequenza CCAUUUACG di nucleotidi dell’RNA?

83

1.12 La trascrizione produce messaggi genetici

sotto forma di RNA

L’RNA viene trascritto a partire dal DNA, attraverso un processo simile alla duplicazione del DNA

– I due filamenti di DNA si separano

– Solo uno dei due fa da stampo per la nuova molecola

– I nucleotidi di RNA si posizionano uno alla volta lungo il filamento stampo di DNA, formando legami idrogeno con le sue basi nucleotidiche

– Seguono la stessa regola di appaiamento delle basi complementari che vige nella duplicazione del DNA, solo che l’uracile prende il posto dell’adenina

– La RNA polimerasi catalizza la reazione

84

1.12 La trascrizione produce messaggi genetici

sotto forma di RNA

Le fasi della trascrizione

– Inizio: l’RNA polimerasi si unisce al promotore sul DNA e incomincia la sintesi dell’RNA

– Allungamento

– Terminazione: l’RNA polimerasi raggiunge la sequenza di terminazione, che segnala la fine del gene, e si stacca sia dall’RNA sia dal gene

RNA polimerasi

RNA di nuova sintesi

Direzione della trascrizione Filamento stampo

di DNA

Nucleotidi di RNA

85

1 Inizio

Dopo che l’RNA polimerasi si è legata al promotore, i

filamenti di DNA si svolgono e la polimerasi comincia la

sintesi dell’RNA a partire dal punto di inizio sul filamento

stampo

86

87

2 Allungamento

La polimerasi si muove verso valle, svolgendo la

molecola di DNA e allungando il trascritto di RNA in

direzione 5’ 3’

2 Allungamento

Sulla scia della trascrizione, i filamenti di DNA

riformano la doppia elica

88

3 Terminazione

Alla fine, il trascritto di RNA viene liberato e la

polimerasi si stacca dal DNA

89

90

91

1.12 La trascrizione produce messaggi genetici

sotto forma di RNA

STEP BY STEP

Che cos’è un promotore?

Qual è la sua funzione?

92

1.13 Prima di uscire dal nucleo della cellula

eucariote l’RNA messaggero viene modificato

L’RNA che codifica per le sequenze di amminoacidi delle proteine è chiamato RNA messaggero (mRNA)

– Nei procarioti trascrizione e traduzione avvengono entrambe nel citoplasma

– Negli eucarioti l’RNA subisce alcune modifiche nel nucleo prima di essere trasferito nel citoplasma dove avviene la traduzione

93

1.13 Prima di uscire dal nucleo della cellula

eucariote l’RNA messaggero viene modificato

Modifiche dell’RNA

– Aggiunta di un breve “cappuccio” a un’estremità (un unico nucleotide G)

– Aggiunta di una lunga coda all’altra estremità (una catena che contiene da 50 a 250 nucleotidi di adenina)

– RNA splicing: gli introni sono rimossi mentre gli esoni si uniscono producendo una molecola di mRNA

– Introni: regioni non codificanti presenti nei geni di piante e animali

– Esoni: regioni del gene che saranno poi espresse come amminoacidi

Trascritto

di RNA con

cappuccio e coda

Splicing degli esoni

Rimozione degli introni

Trascrizione, aggiunta

del cappuccio e della coda

Coda

DNA

mRNA

Cap

Esone Esone Esone Introne Introne

Sequenza codificante Nucleo

Citoplasma

94

95

1.13 Prima di uscire dal nucleo della cellula

eucariote l’RNA messaggero viene modificato

STEP BY STEP

Perché molti geni degli eucarioti sono più lunghi del trascritto di mRNA che esce dal nucleo?

96

1.14 Le molecole di RNA di trasporto agiscono da

interpreti durante la traduzione

Le molecole di RNA di trasporto (tRNA) sono gli “interpreti molecolari” che traducono i codoni in amminoacidi

– I tRNA assumono una conformazione tridimensionale che permette loro di svolgere questa funzione

– Anticodone: è una tripletta di nucleotidi complementare a un codone dell’mRNA

– Sito di legame per l’amminoacido: all’estremità opposta all’anticodone è presente un sito di legame specifico per un singolo amminoacido

97

1.14 Le molecole di RNA di trasporto agiscono da

interpreti durante la traduzione

Le molecole di RNA di trasporto (tRNA) sono gli “interpreti molecolari” che traducono i codoni in amminoacidi

– I tRNA assumono una conformazione tridimensionale che permette loro di svolgere questa funzione

– Anticodone: è una tripletta di nucleotidi complementare a un codone dell’mRNA

– Sito di legame per l’amminoacido: all’estremità opposta all’anticodone è presente un sito di legame specifico per un singolo amminoacido

Anticodone

Sito di legame per l’amminoacido

Catena polinucleotidica di RNA

Legame idrogeno

98

99

100

1.14 Le molecole di RNA di trasporto agiscono da

interpreti durante la traduzione

STEP BY STEP

Che cos’è un anticodone e qual è la sua funzione?

101

1.15 I ribosomi assemblano i polipeptidi

I ribosomi coordinano il funzionamento di mRNA e tRNA ed eseguono materialmente l’assemblaggio dei polipeptidi

– Un ribosoma consiste di due subunità, ognuna formata da proteine e da un tipo di RNA detto RNA ribosomiale (rRNA)

– Ogni ribosoma ha un sito di legame per l’mRNA e due siti di legame per il tRNA

Molecole di tRNA

Polipeptide in formazione

Subunità maggiore

Subunità minore

mRNA

102

Siti di legame per il tRNA

Subunità maggiore

Subunità minore

Sito di legame per l’mRNA

103

mRNA

Amminoacido

seguente da

aggiungere

al polipeptide

Polipeptide in formazione

Codoni

tRNA

104

105

1.15 I ribosomi assemblano i polipeptidi

STEP BY STEP

Qual è il compito del ribosoma durante la sintesi proteica?

106

1.16 L’inizio del messaggio portato dall’mRNA è

indicato da uno speciale codone

Il processo di traduzione può essere diviso in tre fasi: inizio, allungamento e terminazione

Durante la fase di inizio l’mRNA entra in contatto con un tRNA che porta il primo amminoacido e avviene l’attacco delle due subunità del ribosoma

107

1.16 L’inizio del messaggio portato dall’mRNA è

indicato da uno speciale codone

La fase di inizio avviene in due tappe

1. Una molecola di mRNA si lega alla subunità ribosomiale più piccola e uno speciale tRNA di partenza si lega al codone di inizio AUG

- Il tRNA di partenza possiede l’anticodone UAC e trasporta l’amminoacido metionina (Met)

2. La subunità ribosomiale più grande si unisce a quella più piccola, formando un ribosoma funzionale

- Il tRNA di partenza si colloca in uno dei due siti di legame per il tRNA (detto sito P, cioè sito peptidico)

- L’altro sito del ribosoma, chiamato sito A (sito amminoacidico), ancora vuoto, è pronto per accogliere il successivo tRNA

Inizio del messaggio genetico

Fine

108

Subunità minore del ribosoma

Codone di inizio

Sito P

mRNA

Sito A

Subunità maggiore del ribosoma

tRNA di partenza

2 1

109

110

1.16 L’inizio del messaggio portato dall’mRNA è

indicato da uno speciale codone

STEP BY STEP

Che cosa può accadere se per un errore il codone di inizio viene sostituito da un altro codone?

111

1.17 Nella fase di allungamento la catena

polipeptidica si accresce finché il codone di

arresto termina la traduzione

L’allungamento è il processo con cui nuovi amminoacidi sono aggiunti al primo della sequenza, uno alla volta

112

1.17 Nella fase di allungamento la catena

polipeptidica si accresce finché il codone di

arresto termina la traduzione

L’aggiunta di un amminoacido avviene in tre fasi

1. Riconoscimento del codone: l’anticodone di una molecola di tRNA (unita all’amminoacido corrispondente) si appaia con il codone dell’mRNA nel sito A

2. Formazione del legame peptidico: il polipeptide si separa dal tRNA al quale era legato (nel sito P) e si attacca mediante un legame peptidico all’amminoacido trasportato dal tRNA nel sito A

3. Traslocazione: il tRNA del sito P lascia il ribosoma e il tRNA che si trovava nel sito A viene spostato, insieme al polipeptide, dal sito A al sito P

Polipeptide

A site

1 Riconoscimento del codone

Codoni

Amminoacido

Anticodone

Sito P

mRNA

113

Polipeptide

A site

1 Riconoscimento del codone

Codoni

Amminoacido

Anticodone

Sito P

mRNA

2 Formazione del legame peptidico

114

Polipeptide

A site

1 Riconoscimento del codone

Codoni

Amminoacido

Anticodone

Sito P

mRNA

3 Traslocazione

Nuovo legame peptidico

2 Formazione del legame peptidico

115

Polipeptide

A site

1 Riconoscimento del codone

Codoni

Amminoacido

Anticodone

Sito P

mRNA

3 Traslocazione

Nuovo legame peptidico

Codone di arresto

Spostamento dell’mRNA

2 Formazione del legame peptidico

116

117

1.17 Nella fase di allungamento la catena

polipeptidica si accresce finché il codone di

arresto termina la traduzione

La terminazione

− L’allungamento continua finché nel sito A del ribosoma giunge un codone di arresto (UAA, UAG o UGA) che interrompe la traduzione

− Il polipeptide completo si stacca dall’ultimo tRNA e abbandona il ribosoma, le cui subunità si separano di nuovo

118

STEP BY STEP

Che cosa accade al tRNA nel sito A e nel sito P del ribosoma durante la fase di allungamento?

1.17 Nella fase di allungamento la catena

polipeptidica si accresce finché il codone di

arresto termina la traduzione

119

1.18 In sintesi: il flusso dell’informazione genetica

procede dal DNA all’RNA e dall’RNA

alle proteine

Il flusso dell’informazione genetica

- Trascrizione: DNA RNA

- Traduzione: RNA proteine

Qual è il significato generale dei processi di trascrizione e traduzione?

- Attraverso questi processi il genotipo specifica il fenotipo

RNA polimerasi

Amminoacido

DNA Trascrizione

mRNA

tRNA

ATP

Traduzione

Enzima

tRNA di partenza

Subunità maggiore del ribosoma

Anticodone

Subunità minore del ribosoma

mRNA

Codone di inizio

Si forma un nuovo

legame peptidico Polipeptide in formazione

Codoni

mRNA

Polipeptide

Codone di arresto

L’mRNA è trascritto

a partire da un DNA

stampo

1

Ogni amminoacido

si lega al rispettivo

tRNA grazie all’aiuto

di uno specifico

enzima e dell’ATP

2

Inizio della sintesi

polipeptidica

L’mRNA, il primo tRNA

e le subunità

ribosomiali si uniscono

3

Allungamento

Molecole di tRNA

aggiungono

in successione

gli amminoacidi

alla catena polipeptidica

mentre l’mRNA si

sposta lungo il ribosoma,

un codone alla volta

4

Terminazione

Il ribosoma riconosce

un codone di arresto;

il polipeptide è terminato

e viene liberato

5

120

Inizio della sintesi

polipeptidica

L’mRNA, il primo tRNA

e le subunità

ribosomiali si uniscono

Ogni amminoacido

si lega al rispettivo

tRNA grazie all’aiuto

di uno specifico enzima

e dell’ATP

L’mRNA è trascritto

a partire da un DNA

stampo RNA

polimerasi

Amminoacido

DNA Trascrizione

mRNA

tRNA

ATP

Traduzione

Enzima

tRNA di partenza

Subunità maggiore del ribosoma

Anticodone

Subunità minore del ribosoma

mRNA

Codone di inizio

1

2

3

121

Si forma un nuovo

legame peptidico Polipeptide in formazione

Codoni

mRNA

Polipeptide

Codone di arresto

Allungamento

Molecole di tRNA

aggiungono

in successione

gli amminoacidi

alla catena polipeptidica

mentre l’mRNA si sposta

lungo il ribosoma,

un codone alla volta

4

Terminazione

Il ribosoma riconosce

un codone di arresto;

il polipeptide è terminato

e viene liberato

5

122

123

STEP BY STEP

Quale tra le molecole e le strutture elencate sotto non partecipa direttamente alla traduzione?

ribosomi tRNA • mRNA • DNA • ATP • enzimi

1.18 In sintesi: il flusso dell’informazione genetica

procede dal DNA all’RNA e dall’RNA

alle proteine

124

1.19 Le mutazioni possono modificare

il significato dei geni

Ogni variazione nella sequenza nucleotidica del DNA è chiamata mutazione

– Sostituzione di basi: un nucleotide viene scambiato con un altro

– Questa mutazione causa effetti sul fenotipo solo quando determina la sostituzione di un amminoacido rilevante per l’attività della proteina

– Inserzione e delezione di basi

– Possono alterare il quadro di lettura dell’mRNA

– Tutti i nucleotidi “a valle” della mutazione vengono infatti raggruppati in codoni diversi da quelli originali

– Solitamente causa la sintesi di un polipeptide non funzionale

125

1.19 Le mutazioni possono modificare

il significato dei geni

I meccanismi della mutagenesi

– Errori durante la duplicazione o la ricombinazione del DNA causano mutazioni spontanee

– Le mutazioni possono essere indotte dall’esposizione a particolari agenti mutageni

– Mutageni fisici, come radiazioni ad alta energia (UV, raggi X)

– Mutageni chimici: particolari composti in grado di interagire con il DNA

DNA dell’emoglobulina normale DNA dell’emoglobulina mutante

Emoglobulina dell’anemia falciforme Emoglobulina normale

mRNA mRNA

Val Glu

126

Gene normale

Proteina

Sostituzione di una base

Delezione di una base Base mancante

mRNA

Met Lys Phe Ser Ala

Met Lys Phe Gly Ala

Met Lys Leu Ala His

127

128

1.19 Le mutazioni possono modificare

il significato dei geni

STEP BY STEP

In che modo la sostituzione di una singola base nel DNA può dar luogo alla formazione di una catena polipeptidica più breve?

Lezione 4

LA GENETICA DEI VIRUS E DEI BATTERI

129

130

1.20 Le mutazioni possono modificare

il significato dei geni

I fagi hanno due tipi di ciclo riproduttivo

– Ciclo litico: comporta la rottura (lisi) della cellula ospite con conseguente liberazione dei virus che si sono formati al suo interno

– Ciclo lisogenico: la duplicazione del DNA virale si verifica senza la distruzione della cellula ospite

– Il DNA del fago si integra con il cromosoma batterico formando il profago

– Ogni volta che la cellula si divide, duplica il DNA del fago insieme al proprio e ne trasmette una copia alle cellule figlie

– In particolari condizioni un profago può separarsi dal cromosoma batterico trasformando il ciclo lisogeno in litico

Cromosoma batterico

Il fago inietta il proprio DNA

Fago

DNA del fago

Si ancora alla cellula

2

1

3

Il DNA del fago assume una forma circolare

Ciclo litico

4

Vangono sintetizzati il DNA e le proteine dei fagi

Assemblaggio dei fagi

La cellula scoppia liberando i fagi

131

6 5

7

Il DNA del fago si integra

con il cromosoma batterico

Il batterio lisogeno si riproduce

normalmente, duplicando il

profago a ogni divisione

Profago

Ciclo lisogeno

Molte divisioni

cellulari

Cromosoma batterico

Il fago inietta il proprio DNA

Fago

DNA del fago

Si ancora alla cellula

2

1

3

Il DNA del fago assume una forma circolare

Ciclo litico

4

Vangono sintetizzati il DNA e le proteine dei fagi

Assemblaggio dei fagi

La cellula scoppia liberando i fagi

132

Cromosoma batterico

Il fago inietta il proprio DNA

Fago

Dna del fago

Si ancora alla cellula

Il DNA del fago assume

una forma circolare

Ciclo litico

Vengono sintetizzati il

DNA e le proteine del fago

Assemblaggio dei fagi

Assemblaggio dei fagi

1

2

3

4

133

Cromosoma batterico

Il fago inietta il proprio DNA

Il DNA del fago assume una forma circolare

Il DNA del fago si integra

con il cromosoma batterico

Il batterio lisogeno si riproduce

normalmente, duplicando il

profago a ogni divisione

Profago

Ciclo lisogenico

Molte divisioni cellulari

5

7

6

2

Fago

DNA del fago

Si ancora alla cellula

1

134

135

1.20 Il DNA virale può diventare parte del

cromosoma dell’ospite

STEP BY STEP

In che modo un virus può perpetuare i propri geni senza distruggere la cellula ospite?

COLLEGAMENTO salute

136

Un’armata invisibile

I virus possono provocare malattie negli animali e nelle piante

Solitamente i virus che attaccano le cellule animali hanno un involucro membranoso esterno ed estroflessioni simili a spine, costituite da glicoproteine

COLLEGAMENTO salute

137

Un’armata invisibile

Il ciclo riproduttivo di un virus a RNA

– Ingresso: l’involucro del virus si fonde allora con la membrana cellulare

– Alcuni enzimi rimuovono poi il rivestimento proteico

– Un enzima usa il genoma virale a RNA come stampo per sintetizzare filamenti complementari di RNA

– mRNA per la sintesi di nuove proteine virali

– Stampi per sintetizzare nuovo RNA virale

– Le nuove proteine di rivestimento si assemblano intorno al nuovo RNA virale

– Le particelle virali lasciano la cellula utilizzando parte della sua membrana plasmatica come involucro

COLLEGAMENTO salute

138

Un’armata invisibile

Alcuni virus si riproducono nel nucleo della cellula ospite

La maggior parte dei virus che attaccano le cellule vegetali è costituita da virus a RNA

– Per infettare una pianta, un virus deve riuscire a oltrepassare lo strato protettivo esterno delle cellule

– Una volta all’interno, il virus può riprodursi e propagarsi in tutta la pianta facilmente, sfruttando i plasmodesmi

Membrana plasmatica

della cellula ospite

VIRUS

Ingresso

Rimozione del rivestimento

RNA virale

(genoma)

RNA virale

(genoma)

2

1

3

Involucro

membranoso

Rivestimento proteico Estroflessione glicoproteica

Sintesi di RNA veicolata

da un enzima virale

Filamento

stampo

Sintesi

di RNA

Sintesi

proteica

mRNA

4 5

6

Nuovo

genoma virale Nuove

proteine virali Assemblaggio

7

Uscita

139

Membrana plasmatica

della cellula ospite

VIRUS

Ingresso

RNA virale

(genoma)

RNA virale

(genoma)

2

Involucro membranoso

Rivestimento proteico Estroflessione glicoproteica

Rimozione

del rivestimento

Sintesi di RNA veicolata

da un enzima virale 3

1

140

Filamento

stampo

Sintesi di RNA sintesi

proteica

Nnuovo

genoma virale

mRNA

Nuove

proteine virali

Assemblaggio

Uscita

4 5

6

7

141

142

1.21 La salute delle popolazioni umane è

minacciata dalla comparsa di nuovi virus

I virus che compaiono improvvisamente o quelli i cui effetti sono ancora sconosciuti alla scienza medica vengono chiamati virus emergenti

Da dove vengono tutti questi virus?

– Mutazione di virus esistenti

– I virus a RNA mutano molto rapidamente

– Trasmissione da una specia all’altra

– Circa tre quarti delle nuove malattie che colpiscono gli esseri umani siano nati in altri animali

– Diffusione a partire da una piccola popolazione isolata

143

144

145

1.21 La salute delle popolazioni umane è

minacciata dalla comparsa di nuovi virus

STEP BY STEP

Se contrai l’influenza in un dato anno, perché non risulti immune all’attacco dei virus influenzali degli anni successivi?

146

1.22 Il virus dell’AIDS sintetizza il DNA

utilizzando l’RNA come stampo

L’AIDS è cusata dall’HIV un virus a RNA con alcune caratteristiche peculiari

L’HIV è un retrovirus

– Inverte il normale flusso di informazioni genetiche (dal DNA all’RNA) grazie all’azione della trascrittasi inversa

147

1.22 Il virus dell’AIDS sintetizza il DNA

utilizzando l’RNA come stampo

Il ciclo riproduttivo dei retrovirus

1. La trascrittasi inversa usa l’RNA virale come stampo per sintetizzare un filamento di DNA

2. L’enzima aggiunge quindi un secondo filamento complementare di DNA

3. Il doppio filamento di DNA entra nel nucleo della cellula ospite e si integra con il DNA cromosomico, diventando un provirus

4. Occasionalmente il provirus viene trascritto per formare nuovi RNA virali

148

1.22 Il virus dell’AIDS sintetizza il DNA

utilizzando l’RNA come stampo

5. Questi vengono tradotti nelle proteine virali

6. Le nuove particelle virali assemblate a partire da questi componenti fuoriescono dalla cellula e possono quindi infettarne altre

Trascrittasi inversa

RNA (due filamenti identici)

Rivestimento proteico

Glicoproteina

Involucro

149

DNA a doppio filamento

RNA virale e proteine

Filamento di DNA

RNA virale

NUCLEO

CITOPLASMA

DNA cromosomico

DNA del provirus

RNA

2

1

5

3

4

6

150

151

1.22 Il virus dell’AIDS sintetizza il DNA

utilizzando l’RNA come stampo

STEP BY STEP

Perché l’HIV è classificato tra i retrovirus?

152

1.23 Viroidi e prioni sono agenti patogeni diffusi

nelle piante e negli animali

Alcuni agenti patogeni sono costituiti da una singola molecola proteica o di RNA

– Viroidi: piccole molecole circolari di RNA che infettano le piante

– Non codificano per alcuna proteina ma possono duplicarsi nelle cellule vegetali ospiti utilizzando gli enzimi cellulari

– Interferiscono con la crescita della pianta

– Prioni: proteine infettive che possano causare in varie specie animali gravi malattie degenerative del cervello

– Proteine presenti normalmente nelle cellule cerebrali, ma ripiegate in modo difettoso

– Convertono le molecole normali nella versione difettosa

153

1.23 Viroidi e prioni sono agenti patogeni diffusi

nelle piante e negli animali

STEP BY STEP

Che cosa rende i prioni diversi da tutti gli altri agenti infettivi conosciuti?

154

1.24 I batteri possono ricombinare i propri geni in

tre modi

Nei batteri, esistono tre meccanismi attraverso i quali i geni possono spostarsi da una cellula all’altra

– Trasformazione: è la captazione di DNA estraneo dall’ambiente circostante

– Trasduzione: è il trasferimento di geni batterici mediante un fago

– Coniugazione: il DNA della cellula donatrice passa nella cellula ricevente attraverso un ponte citoplasmatico

Quando nuovo DNA penetra in una cellula batterica, parte di esso può integrarsi nel suo genoma

Il DNA entra nella cellula

Cromosoma batterico (DNA)

Frammento di DNA

proveniente

da un’altra

cellula batterica

155

Fago

Frammento

di DNA proveniente

da un’altra

cellula batterica

(precedente cellula

ospite del fago)

156

Ponte citoplasmatico

Pili sessuali

Cellula donatrice

(“maschio”)

Cellula ricevente

(“femmina”)

157

DNA trasferito

Cromosoma

della cellula ricevente

Intersezioni

Cromosoma ricombinante

DNA demolito

158

159

1.24 I batteri possono ricombinare i propri geni in

tre modi

STEP BY STEP

Quale meccanismo di trasferimento dei geni da un batterio all’altro somiglia al crossing over tra cromosomi di una cellula eucariote? Perché?

160

1.25 I plasmidi batterici possono essere impiegati

per trasferire i geni

La capacità di una cellula donatrice di E. coli di compiere la coniugazione è dovuta a un segmento specifico di DNA, chiamato fattore F

– Quando è integrato nel cromosoma, permette il trasferimento di geni dal batterio donatore al ricevente durante la coniugazione

– Quando è presente sotto forma di plasmide durante la coniugazione viene duplicato completamente e trasferito dalla cellula donatore alla cellula ricevente

161

1.25 I plasmidi batterici possono essere impiegati

per trasferire i geni

Il plasmide è una piccola molecola circolare di DNA separata dal cromosoma batterico

– Include un punto di origine della duplicazione, in grado di innescare la propria duplicazione nella cellula

– I plasmidi R (cioè “resistenti”) contengono geni che rendono i batteri che li contengono resistenti all’azione di antibiotici

Cellula “maschile” (donatore)

Origine della duplicazione di F

Cromosoma batterico

Il fattore F avvia

la duplicazione

e il trasferimento del DNA

Fattore F (integrato)

Cellula ricevente

Soltanto una parte

del cromosoma

viene trasferita

Può avvenire

la ricombinazione

162

Cellula “maschile” (donatore)

Cromosoma batterico

Il fattore F avvia

la duplicazione

e il trasferimento

Fattore F (plasmide)

Il plasmide completa

il trasferimento e assume

di nuovo la forma circolare

La cellula è ora diventata “maschile”

163

Plasmidi Cromosoma

164

165

1.25 I plasmidi batterici possono essere impiegati

per trasferire i geni

STEP BY STEP

Quale problema causano, in medicina, i plasmidi R?