Capitolo 10

La biologia molecolare del gene

0

La struttura del materiale genetico10.1 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

30

0 0

00

L’esperimento di Hershey e Chase:

Fago

Batterio

Proteina radioattiva

DNA

DNA del fago

Involucri proteici vuoti Radioattività

nel liquido

PrecipitatoSi centrifuga

Ceppo 1Proteina radioattiva

Ceppo 2DNA 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 fosfatoBase azotata

ZuccheroA

C

T

G

T

Gruppo fosfato

O

O–

OO P CH2

H3C C

C

C

CN

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

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)

CC

C

CC

C

O

N

C

H

H

ONH

H3C

H H

H

H

N

N

N

H

OC

H HN

H C

N

N N

N

C

CC

C

H

H

N

N

H

C

CN

C HN

CN

H C

O

H

H

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

PurinePirimidine

Figura 10.2B

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

Gruppo fosfato

O

O–

OO P CH2

HC

C

C

CN

C

N

H

H

O

O

C

O

O

H

C H H

OH

C

H

Uracile (U)

Zucchero(ribosio)

LegendaIdrogeno

CarbonioAzoto

Ossigeno

Fosforo

Anche l’RNA 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 un’elica 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 l’uno sull’altro 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

G C

T A

A T

G

G

C

C

A T

GC

T A

T A

A T

A T

G C

A T

O

O

OH–O

P

OO

–OPO

OO

P– O

– O OP

OO

O

OH

H2C

H2C

H2C

H2C

O

O

O

O

O

O

O

O

PO–

O–

O–

O–

OH

HO

O

O

O

P

P

P

O

O

O

O

O

O

O

O

T A

G C

C G

A T

CH2

CH2

CH2

CH2

Legame idrogeno

Coppie di basi appaiate

Modello a nastro Struttura chimica Modello computerizzato

La duplicazione del DNA10.4 La duplicazione del DNA dipende dall’accoppiamento 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

A T

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

A T

C G

AC

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

G C

A T

G C

A T

C G

AGA

CG

C

GC

G

TA

G

C

TAT

AA

TT

A

CG

CG

CG

T

AG

C

T

A

T

A

AT

T

A

TC

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 all’altro.

Figura 10.5B

P

P

P

P

P

P

P

P

HO

OH

A

C

G

T

T

C

G

A

21

34

5

15 4

32

Estremità 5 Estremità 3

Estremità 3 Estremità 5

• La cellula sintetizza un filamento nuovo in maniera continua usando l’enzima DNA-polimerasi.

• L’altro filamento è sintetizzato in brevi segmenti consecutivi che sono poi uniti in un unico filamento dall’enzima DNA-ligasi.

Figura 10.5C

3

53

53

5

53

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 all’RNA 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 l’informazione 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 dall’RNA 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 L’informazione 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 A A C C G G C A A A A

U U U G G C C G U U U 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.

UUCUGUUGC

Met o inizio

Phe

Leu

Leu

Ile

Val Ala

Thr

Pro

Ser

Asn

Lys

His

Gln

Asp

Glu

Ser

Arg

Arg

Gly

CysTyr

G

A

C

U

U C A G

Te

rza

b

as

e a

zota

ta

Seconda base azotata

Pri

ma

ba

se

azo

tata

UUA

UUU

CUC

CUU

CUGCUA

AUCAUU

AUG

AUA

GUC

GUU

GUG

GUA

UCCUCU

UCG

UCA

CCC

CCU

CCGCCA

ACCACU

ACCACA

GCCGCU

GCG

GCA

UACUAU

UAG Stop

UAA Stop

CACCAU

CAGCAA

AACAAU

AAG

AAA

GAC

GAU

GAG

GAA

UGG Trp

CGC

CGU

CGGCGA

AGCAGU

AGG

AGA

GGCGGU

GGG

GGA

U

C

A

G

U

C

A

G

U

C

A

G

U

C

A

G

UUG

UGA Stop

Processo per decifrare l’informazione genetica del DNA:

Figura 10.8B

T A C T T C A A A A T C

A T G A A G T T T T A G

A U G A A G U U U U A G

Trascrizione

Traduzione

mRNA

DNA

Met Lys PhePolipeptide

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 dell’RNA

Direzione della trascrizione

Filamento stampo di DNA

RNA appena sintetizzato

TC

AT C C A A T

TG

G

CC

AATTGGAT

G

U

C A U C C AA

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 dell’appaiamento 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 completatoRNA-polimerasi

Figura 10.9B

1 Inizio

2 Allungamento

3 Terminazione

10.10 L’RNA 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 TrascrizioneAggiunta del cappuccio e della coda

RNAtrascritto 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 dell’mRNA 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 dell’mRNA

Per la traduzione del messaggio genetico dell’mRNA nel messaggio proteico, la cellula utilizza un interprete molecolare, un particolare tipo di RNA, chiamato RNA di trasporto (tRNA).

0Sito d’attacco dell’aminoacido

Legame idrogeno

Catena polinucleotidica di RNA

AnticodoneFigura 10.11A

Ogni molecola di tRNA ha un’ansa a filamento singolo, posta a un’estremità, che contiene una speciale tripletta di basi azotate chiamata anticodone (complementare a un particolare codone dell’mRNA).

All’altra estremità c’è invece il sito di attacco di uno specifico amminoacido.

Sito d’attacco dell’amminoacido

AnticodoneFigure 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 l’mRNA

Polipeptide in via di formazione

Successivo amminoacido da aggiungere al polipeptide

mRNA

tRNA

Codoni

Figure 10.12B, C

10.13 Un codone d’inizio indica il punto di partenza del messaggio portato dall’mRNA

Inizio del messaggio genetico

Fine

Figura 10.13A

Met Met

tRNA di partenza

mRNA Subunità ribosomiale più piccola

Codone d’inizio

Subunità ribosomiale più grande

Sito AU A CAU C

A U G A U G

Sito P

Nel processo d’inizio della traduzione, vengono coinvolti l’mRNA, 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 d’inizio, 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 dell’mRNA

Codone di arresto

Nuovolegame peptidico

Anticodone

Amminoacido

Sito A

1

2

3 Traslocazione

Il processo di allungamento:

Traslocazione3Figura 10.14

Riconoscimento del codone1

Formazione del legame peptidico2

L’mRNA 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.

L’allungamento continua fino a quando un codone d’arresto (UAA, UAG, UGA) giunge nel sito A del ribosoma, terminando la traduzione.

10.15 Il passaggio di informazioni genetiche nella cellula segue la direzione DNARNAproteina

La sequenza dei codoni nel DNA «scrive lettera per lettera» la struttura primaria di un polipeptide.

Figura 10.15

Le diverse tappe dalla trascrizione alla formazione di un polipeptide:

1

5

43

2

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 T T C A T

Emoglobina normale

DNA di emoglobina mutante

G A A G U A

Emoglobina dell’anemia falciforme

DNA di emoglobina normale

Glu Val

mRNA mRNA

Figura 10.16A

La sostituzione, l’inserzione o la delezione di nucleotidi alterano un gene con varie conseguenze sull’organismo.

Gene normale

mRNA

Sostituzione di una base azotata

Delezione di una base azotata Mancante

Met Lys Phe Gly Ala

Met Lys Phe Ser Ala

Met Lys Leu Ala His

A U G A A G U U U G G C G C A

A U G A A G U U U A G C G C A

A U G A A G U U G G C G C A U

U

Proteina

Figura 10.16B

La genetica dei virus e dei batteri10.17 Il DNA virale può diventare parte del

cromosoma ospite

• I virus possono essere considerati come geni impacchettati in proteine.

• I virus possono riprodursi solo all’interno di una cellula, utilizzandone le strutture e l’energia.

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 litico Ciclo lisogeno

OPPURE

Cromosoma batterico

Il DNA fagico assume un aspetto circolare

Figura 10.17

1

2

3

4

56

7

1

Involucro esterno

RNA

Rivestimento proteico

Estroflessione glicoproteicaFigura 10.18A

10.18 Molti virus sono causa di malattie negli animali

Molti virus che infettano gli animali e le piante causano malattie.

Molti, come il virus dell’influenza, hanno come materiale genetico l’RNA al posto del DNA.

Uscita

7

Glicoproteina

Involucro esterno

Rivestimento proteicoRNA 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 dell’ospite per lunghi periodi.

Assemblaggio6

Sintesi di RNA5

Sintesi di RNA3

Eliminazione del rivestimento

2

Ingresso1

COLLEGAMENTI10.19 Le malattie virali delle piante

Proteine RNA

Figura 10.19

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.

COLLEGAMENTI10.20 L’umanità deve affrontare la comparsa di

nuovi virus

Col

oriz

zata

TE

M 5

0 00

0

Col

oriz

zata

TE

M 3

70 0

00

Figura 10.20A Figura 10.20B

10.21 Il virus dell’AIDS assembla il DNA utilizzando l’RNA come stampo

Il virus dell’AIDS (HIV) è un retrovirus.

Involucro esterno

Glicoproteina

Rivestimento proteico

RNA (due filamenti identici)

Trascrittasi inversa

Figura 10.21A

All’interno di una cellula, l’HIV usa il proprio RNA come stampo per produrre DNA da inserire nel DNA cromosomico dell’ospite.

RNA virale

Filamento di DNA

DNA a doppio filamento

RNA virale e proteine

CITOPLASMA

NUCLEODNA cromosomico

DNA del provirus

RNA

Figura 10.21B

1

2

3

45

6

10.22 In natura i batteri possono trasferire il DNA in tre modi diversi

I batteri possono trasferire geni da una cellula all’altra attraverso tre processi: trasformazione, trasduzione o coniugazione.

DNA che entra nella cellula

Frammento di DNA appartenente a un’altra cellula batterica

Cromosoma batterico (DNA)

Phage

Frammento di DNA appartenente a una cellulabatterica (precedente ospite del fago)

Fago

Pili sessuali

Ponte citoplasmatico

Cellula donatrice (maschio)

Cellula ricevente (femmina)

Figure 10.22A–CTRASFORMAZIONE TRASDUZIONE CONIUGAZIONE

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 un’altra cellula.

I plasmidi possono servire come trasportatori per trasferire i geni.

Plasmidi

Col

oriz

zata

TE

M 2

000

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» donatoreFattore F (integrato)

Cellula ricevente

Figure 10.23A–C