acidi nucleici [modalità compatibilità] · 1953-1964: DECIFRAZIONE DEL CODICE GENETICO SUTTON E...

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1866 MENDEL IPOTIZZA L’ESISTENZA DEI GENI1869 MIESCHER SCOPRE IL DNA1885 FLEMMING DESCRIVE I CROMOSOMI E ZACHARIAS

DIMOSTRA IL LORO ELEVATO CONTENUTO IN DNA1902 SUTTON E BOVERI PROPONGONO IL RUOLO DEI

CROMOSOMI NELLA EREDITARIETA’1902 GARROD: RAPPORTO TRA EREDITARIETA’ E

PRODUZIONE DI ENZIMI1919 LEVENE: STRUTTURA DEI NUCLEOTIDI1928-1944 GRIFFITH E AVERY: IL DNA PUO’ CONTENERE

UNA INFORMAZIONE GENETICA1949-1957: PAULING E INGRAM L’INFORMAZIONE

GENETICA CONTROLLA LE CARATTERISTICHE CHIMICHE E LA SEQUENZA AMINOACIDICA DI UNA PROTEINA

1952 HERSHEY E CHASE: L’INFORMAZIONE GENETICA DI UN VIRUS E’ COSTITUITA DA DNA

1953 WATSON E CRICK: MODELLO A DOPPIA ELICA DELLA STRUTTURA DEL DNA

1953-1964: DECIFRAZIONE DEL CODICE GENETICO

SUTTON E BOVERI

I GENI DI MENDEL

VG (Giallo)

Gameti V, G

CROMOSOMI

XY (Maschio)

Gameti X, Y

V G

VV

VV Verde VG Giallo

VV Verde VG Giallo

X Y

XX

XX Femmina XY Maschio

XX Femmina XY Maschio

xVV (Verde)

Gameti V, Vx

XX (Femmina)

Gameti X, X

Il comportamento dei cromosomi durante la meiosi e la fecondazione è uguale a quello previsto da Mendel per i geni: I cromosomi potrebbero essere la sede dei geni

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GARROD E LA ALCAPTONURIA

LA ALCAPTONURIA È UNA MALATTIA EREDITARIA CHE PROVOCA GRAVI FORME DI ARTRITE. I PAZIENTI PRODUCONO URINE MOLTO SCURE

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GARROD SUGGERI’ CHE UN DIFETTO EREDITARIO (ERRORE IN UN GENE) POTESSE PROVOCARE LA MANCATA CAPACITÀ DI METABOLIZZARE LA TIROSINA.

GARROD DIMOSTRO’ CHE LA MALATTIA ERA EREDITARIA ED ERA DOVUTA AD UNA INCAPACITA’ DI METABOLIZZARE NORMALMENTE UNO DEI 20 AMINOACIDI, LA TIROSINA, PRODUCENDO COMPOSTI TOSSICI CHE IN PARTE VENGONO ESCRETI CON LE URINE, PROVOCANDO UNA COLORAZIONE SCURA . QUESTI COMPOSTI SI ACCUMULANO NELLE ARTICOLAZIONI E SONO RESPONSABILI DELL’ARTRITE

RIDUCENDO CON LA DIETA L’INTRODUZIONE DELL’AMINOACIDO SI PREVENGONO I DANNI

Oggi diremmo: UN GENE ⇒ UN ENZIMA

ALTRA MALATTIA EREDITARIA DOVUTA AD UNA INCAPACITA’DI METABOLIZZARE NORMALMENTE UN AMINOACIDO, LA FENILALANINA E’ LA FENILCHETONURIA. IN QUESTA MALATTIA VENGONO PRODOTTI COMPOSTI TOSSICI CHE PROVOCANO DANNI ALLA CELLULE NERVOSE, RESPONSABILI DI GRAVE RITARDO MENTALE

RIDUCENDO LA FENILALANINA NELLA DIETA SI PREVENGONO I DANNI

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FENILALANINA TIROSINA

TIROXINA

MELANINA

COMPLETA OSSIDAZIONE

FENILCHETONIIN ECCESSO

COMPOSTI TOSSICI (FENILCHETONURIA)

CARENZA = ALBINISMO

CARENZA = IPOTIROIDISMO

Fenilalanina idrossilasi

Acido Omogentisico

Omogentisico Ossidasi ALCAPTONURIA










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Nucleotide (Adenosina monofosfato)

Nucleoside (Adenosina)

Un Desossi Ribonucleotide

AdeninaDesossiribosio

H

ZUCCHERO

H

DNAdeossiribosio

H

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A G

C T

Phoebus Levene chiarisce la struttura dei nucleotidi.

Ma poi fa un errore:

Pensando che nel DNA le quantità relative dei quattro nucleotidi fossero

uguali (A = T = C = G) Levene propose che la molecola fosse un

tetranucleotide o una ripetizione di tetranucleotidi sempre uguali

AT

G C

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Una molecola come quella proposta da Levene è chiaramente troppo semplice per poter essere responsabile dell’informazione genetica

……..A-T-C-G-A-T-C-G-A-T-C-G …………

Sarebbe come se il nostro linguaggio fosse formato soltanto da

….ABCDABCDABCDABCD……

Quali informazioni potrebbe portare?










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GLI ESPERIMENTI DI GRIFFITH (1928)PNEUMOCOCCHI DI CEPPO S, PATOGENI

LA DIFFERENZA TRA IL CEPPO S E IL CEPPO R STA NELLA CAPACITA’ DI DI SINTETIZZARE UNA CAPSULA CHE LO PROTEGGE DALLE DIFESE DELL’OSPITE, QUINDI NELLA PRESENZA DI UN ENZIMA

S

MUORE DI POLMONITE

PNEUMOCOCCHI DI CEPPO R, NON PATOGENI

R

SOPRAVVIVE

BATTERI DI CEPPO S UCCISI CON IL

CALORE

S

SOPRAVVIVE

BATTERI DI CEPPO S UCCISI CON IL

CALORE INSIEME A CEPPO R VIVI

S R

MUORE DI POLMONITE

NEL SANGUE DEL TOPO SI TROVANO DEI BATTERI DI CEPPO S VIVI !

S

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IPOTESI DI SPIEGAZIONE:

SPERIMENTANDO SULLA SECONDA IPOTESI AVERY (1944) DIMOSTRO’ CHE IL DNA (e non altre sostanze) ESTRATTO DAI BATTERI S MORTI O VIVI, SE AGGIUNTO AD UNA COLTURA DI BATTERI R VIVI, LI TRASFORMAVA GENETICAMENTE IN S, RESTITUENDO LA CAPACITA’ DI PRODURRE LA CAPSULA.

I BATTERI DI CEPPO R SI SONO TRASFORMATI IN S GRAZIE A QUALCHE SOSTANZA CONTENUTA NEI BATTERI DI CEPPO S ANCHE SE MORTI

I BATTERI DI CEPPO S SONO RESUSCITATI GRAZIE AD UN MIRACOLO OPERATO DAI BATTERI R (O DA ALTRI)

LA PRIMA IPOTESI NON E’ VERIFICABILE.

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Il risultato di AVERY mostra che il DNA può trasportare di una informazione, capace di influenzare le caratteristiche di un organismo, trasmissibile di generazione in generazione: QUINDI UNA INFORMAZIONE GENETICA

La virulenza dei batteri di ceppo S ottenuti grazie alla trasformazione indotta dal DNA si trasmette alle generazioni batteriche successive.

Il risultato fu accolto con scetticismo da molti studiosi: Il DNA era considerato una molecola semplice, come il tetranucleotide di Levene. In quegli anni la attenzione degli scienziati era rivolta soprattutto alle proteine e molti erano convinti che i geni dovessero essere formati da proteine, più complesse di ogni altra molecola conosciuta

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1949-1957: L’INFORMAZIONE GENETICA CONTROLLA LE CARATTERISTICHE CHIMICHE DI

UNA PROTEINA

LA ANEMIA FALCIFORME(Sickle Cell Anaemia)

LA ANEMIA FALCIFORME E’ UNA GRAVE FORMA DI ANEMIA EREDITARIA, MOLTO DIFFUSA SOPRATTUTTO NELL’AFRICA TROPICALE ED EQUATORIALE (OLTRE CHE IN ALCUNE REGIONI DELL’ AMERICA CENTRO-

MERIDIONALE)

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Anemia Falciforme

NEGLI INDIVIDUI OMOZIGOTI, I GLOBULI ROSSI, NEL SANGUE VENOSO, PRESENTANO FORMA ALTERATA, A FALCE

I GLOBULI ROSSI DEFORMATI OSTRUISCONO I CAPILLARI, SONO FRAGILI E SI EMOLIZZANO, PROVOCANDO L’ANEMIA. L’OSTRUZIONE DEI CAPILLARI PROVOCA DANNI AI TESSUTI

NELLA FORMA OMOZIGOTE LA MALATTIA RISULTA LETALE NELLA MAGGIOR PARTE

DEI CASI ENTRO I PRIMI ANNI DALLA NASCITA.

GLI INDIVIDUI ETEROZIGOTI SOPRAVVIVONO E SONO QUASI NORMALI, PUR POTENDO PRESENTARE CRISI EMOLITICHE IN CONDIZIONI PARTICOLARI (ESPOSIZIONE AD ALCUNI FARMACI, CARENZA DI OSSIGENO)

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L’INFORMAZIONE GENETICA CONTROLLA LE CARATTERISTICHE CHIMICHE DI UNA PROTEINA

L’ANALISI ELETTROFORETICA DIMOSTRA CHE LA EMOGLOBINA DEGLI INDIVIDUI AFFETTI DA ANEMIA FALCIFORME HA UNA CARICA ELETTRICA DIVERSA DALLA EMOGLOBINA NORMALE, RISULTANDO CARICA PIU’ POSITIVAMENTE

L. PAULING 1949

Hb normale

Hb S

1 2

1: individuo normale2: malato di anemia falciforme

+

-

NELL’ANALISI ELETTROFORETICA UN CAMPIONE CONTENENTE UNA MISCELA DI PROTEINE DIVERSE VIENE SOTTOPOSTO A UN CAMPO ELETTRICO. LE DIVERSE PROTEINE SI SEPARERANNO MIGRANDO CON UNA VELOCITA’ CHE DIPENDE DALLA LORO CARICA E DALLA LORO MASSA

+ -

L’EMOGLOBINA DEI MALATI DI ANEMIA FALCIFORME (HbS) MIGRA PIU’ VELOCEMENTE VERSO IL POLO NEGATIVO, HA QUINDI CARICA PIU’ POSITIVA

Supporto (Es. Carta assorbente)

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ESEMPIO DI TRACCIATO ELETTROFORETICO. Le proteine vengono colorate per permetterne la visualizzazione

1 individuo normale2 malato di anemia falciforme (omozigote)3 individuo eterozigote HbA/HbS

Hb normale

Hb S

1 2 3+

-

Gli individui omozigoti producono soltanto la emoglobina anomala.Gli eterozigoti producono sia la forma normale che la forma anomala

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Pauling’s Prediction (1949)

In base alle caratteristiche della emoglobina S si può

prevedere che in condizioni di bassa ossigenazione queste

molecole possano interagire producendo dei complessi fibrosi insolubili, che precipitano all’interno del globulo rosso.

Haemoglobin fibres

Haemoglobin fibres

The fibres distort the red blood cells

The fibres distort the red blood cells

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Effect of sickling on blood flow

IN CONDIZIONI DI BASSA OSSIGENAZIONELE CELLULE FALCIFORMI, DEFORMATE E ALLUNGATE, BLOCCANO I CAPILLARI PIU’ SOTTILI E OSTACOLANO IL FLUSSO DEL SANGUE

Vernon Ingram, 1957Vernon Ingram, 1957

L’emoglobina S ha una mutazione:Glu 6 → Val (catena β)

L’INFORMAZIONE GENETICA CONTROLLA LA SEQUENZA AMINOACIDICA DI UNA PROTEINA

Questo spiega la differenza di carica:Glu ha carica negativaVal è priva di carica

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1 vhltpeeksa vtalwgkvnv devggealgr llvvypwtqr ffesfgdlst pdavmgnpkv

61 kahgkkvlga fsdglahldn lkgtfatlse lhcdklhvdp enfrllgnvl vcvlahhfgk

121 eftppvqaay qkvvagvana lahkyh 146 (e = acido glutamico)

Hb β (normale)

1 vhltpveksa vtalwgkvnv devggealgr llvvypwtqr ffesfgdlst pdavmgnpkv

61 kahgkkvlga fsdglahldn lkgtfatlse lhcdklhvdp enfrllgnvl vcvlahhfgk

121 eftppvqaay qkvvagvana lahkyh 146 (v = valina)

Hb S (patologica)

L’Emoglobina normale è un tetramero, formato da due catene α e da due catene β

Come per quasi tutti i geni (e quindi per le proteine) ESISTONO DIVERSE VARIANTI DI CATENE α E DI CATENE β, alcune funzionalmente normali ed alcune patologiche

Hb α

Hb I

Hb G

Hb Norfolk

Hb Boston

Hb Philadelphia

Hb β

Hb S

Hb C

Hb E

Hb Milwaukee

Hb Zurich

CATENE α CATENE β

L’HbS NON E’ UN CASO UNICO

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LA PRODUZIONE EREDITARIA DI UNA PROTEINA ANOMALA DERIVA DA UN ERRORE VERIFICATOSI NEL DNA (MUTAZIONE) E POI TRASMESSO AI DISCENDENTI TRAMITE LA REPLICAZIONE DEL DNA

OGGI SAPPIAMO CHE LA COMPARSA DI QUESTI ERRORI E’ CASUALE E MOLTO RARA

NELLA POPOLAZIONE UNA MUTAZIONE CON CONSEGUENZE GRAVI COME LA HbS DOVREBBE ESSERE MOLTO RARA, VISTO CHE I MALATI MUOIONO IN ETA’ INFANTILE E QUINDI NON POSSONO RIPRODURSI: LA SUA ABBONDANZA DOVREBBE ESSERE UGUALE ALLA FREQUENZA DI MUTAZIONE

PERCHE’ IN AFRICA, E PERCHE’ COSI’ ABBONDANTE ?

LA DISTRIBUZIONE DELLA HbS NON E’ CASUALE: (QUASI SOLTANTO IN AFRICA) E LA MUTAZIONE NON E’ AFFATTO RARA (IN ALCUNE REGIONI CIRCA IL 40% DELLA POPOLAZIONE E’ PORTATORE DEL GENE

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Distribution of

Plasmodium falciparum

(malaria)

Distribution of

Hb S allele

LA DISTRIBUZIONE DELLA ANEMIA FALCIFORME E DELLA MALARIA IN AFRICA E IN ASIA (LA MALARIA CAUSA NEL MONDO CIRCA 700000 MORTI OGNI ANNO, MOLTI DI PIU’ FINO A POCHI ANNI OR SONO)

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HbS

Malaria

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Hb S carriers are more resistant

to malaria

Anopheles

Mosquito

Plasmodium

Gli individui eterozigoti per HbS sono protetti nei confronti della MALARIA. Per questo motivo, nei paesi a forte incidenza malarica questo gene è stato selezionato positivamente e, in alcune

regioni dell’Africa la sua frequenza raggiunge il 40%,

con un’alta proporzione di eterozigoti nella popolazione

Gli omozigoti normali vengono selezionati negativamente dalla malaria, gli omozigoti S vengono selezionati negativamente dalla anemia falciforme, gli eterozigoti risultano quindi avvantaggiati.

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LA PRESENZA DEL GENE S IN AMERICA E’LA CONSEGUENZA DELLA TRATTA DEGLI SCHIAVI DALL’AFRICA E DELLA PRESENZA DELLA MALARIA NELL’AMERICA TROPICALE

PERCHE’ IN SUD AMERICA ?

PERCHE’ NON IN ITALIA, DOVE LA MALARIA ERA ENDEMICA FINO AI PRIMI DECENNI DEL XX SECOLO O IN ASIA, DOVE LA MALARIA È ANCORA MOLTO DIFFUSA?

LA DISTRIBUZIONE DELLA MALARIA E DELLA TALASSEMIA: Altre anomalie a carico del sangue possono proteggere parzialmente dalla malaria(TALASSEMIA, EMOGLOBINA C, CARENZA G6PD)

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Un FAGO, virus che infetta batteri, si poggia sulla superficie

di un batterio

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Il fago inserisce qualcosa all’interno del batterio

Il batterio infettato produce numerosissime copie del fago.

Evidentemente ciò che il primo fago aveva inserito nel

batterio conteneva l’informazione per produrre nuovi fagi.

Che cosa aveva inserito? I fagi sono costituiti soltanto da

poche proteine e da DNA.

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HERSHEY E CHASE

Il ciclo vitale di un batteriofago (virus che infetta batteri)

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Watson e Crick

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“Non è sfuggito alla nostra attenzione il fatto che l’appaiamento specifico che abbiamo postulato suggerisce immediatamente un possibile meccanismo di copiatura del materiale genetico.”

J.D.Watson, F.H.C.CrickNature, vol 171, n.4356, 25 Aprile 1953, pagg

737-738

Crick al ristorante con Watson e altri colleghi,

28 febbraio 1953

“Oggi Jim ed io abbiamo scoperto il segreto della vita”

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IL MODELLO DELLA DOPPIA ELICA

IL DNA, ACIDO DESOSSIRIBONUCLEICO, E’ UN POLIMERO FORMATO DA UNA CATENA DI MONOMERI, I NUCLEOTIDI

NEL DNA ESISTONO 4 TIPI DI NUCLEOTIDI (A T C G) DIVERSI A SECONDA DELLA BASE AZOTATA CONTENUTA

UN FILAMENTO DI DNA PUO’ ESSERE FORMATO DA MILIONI DI NUCLEOTIDI

IL NUMERO DI SEQUENZE DIVERSE CHE POSSIAMO FORMARE E’ QUINDI: 4n, DOVE n = ALCUNI MILIONI

OGNI NUCLEOTIDE DEL DNA CONTIENE UNO ZUCCHERO, IL DESOSSIRIBOSIO, UNA BASE AZOTATA E UN ACIDO FOSFORICO

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BASI AZOTATE DEL DNA

A

G C

T U

L’ RNA, ACIDO RIBONUCLEICO, E’ UN POLIMERO FORMATO DA UNA LUNGA CATENA DI MONOMERI, I NUCLEOTIDI,

NELL’RNA ESISTONO 4 TIPI DI NUCLEOTIDI (A U C G)

ESISTONO DIVERSI TIPI DI RNA, CON FILAMENTI FORMATI DA POCHE DECINE FINO A MIGLIAIA DI NUCLEOTIDI

OGNI NUCLEOTIDE DELL’ RNA CONTIENE UNO ZUCCHERO, IL RIBOSIO, UNA BASE AZOTATA E UN ACIDO FOSFORICO

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ZUCCHERO

H

DNAdeossiribosio

RNAribosio

H

BASI AZOTATE DELL’RNA

A

G C

T U

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Nucleotide (Adenosina monofosfato)(AMP)


Un Ribonucleotide

AdeninaRibosio

Un nucleotide trifosfato: Adenosina trifosfato

Adenina

AdenosinaATP

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In una catena polinucleotidica un nucleotide si unisce al successivo mediante un legame (legame fosfodiestere) tra un gruppo acido del fosfato appartenente a un nucleotide e il gruppo ossidrile legato al carbonio 3’ dell’altro nucleotide

AdeninaRibosio

H2O

LEGAME FOSFODIESTERE

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Nucleotide (Adenosina monofosfato)


Un Desossi Ribonucleotide

AdeninaDesossiribosio

H

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g-C_DNA.pdb

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I due filamenti sono anti-paralleli (decorrono in senso inverso uno rispetto all’altro)

IL MODELLO DELLA DOPPIA ELICA

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Il DNA è presente come doppia elica sia nei Procarioti che negli Eucarioti ed è il principale componente dei CROMOSOMI

Negli Eucarioti troviamo doppie eliche lineari (in genere più di una per cellula)

Nei Procarioti troviamo doppie eliche circolari (in genere una per cellula)

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GRAZIE ALLA COMPLEMENTARIETA’

DELLE BASI IL DNA PUO’DIRIGERE LA PROPRIA AUTO-REPLICAZIONE

1953 WATSON E CRICK

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DNA polimerasi

Esperimenti di Meselson e Stahl, fine anni ‘50

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La replicazione semiconservativa nel cromosoma batterico

Nei VIRUS possiamo trovare DNA sia a doppia elica che a elica singola, lineare o circolare

In molti virus l’informazione genetica non è sotto forma di DNA ma di RNA (RNA-virus)

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2000-2006 - Progetto Genoma

Completa identificazione e mappatura del genoma umano (lettura

dei 3 miliardi (x 2 = 6 miliardi) di nucleotidi del nostro DNA

Abbiamo capito tutto?

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