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Saracino Filomena

Sommario La genetica (dal greco antico ghenetiks, relativo alla nascita, da ghnesis, genesi, origine) la scienza, branca della biologia, che studia i geni, lereditariet e la variabilit genetica degli organismi. Il campo di studio della genetica si focalizza dunque sulla comprensione dei meccanismi alla base di questi fenomeni degli organismi, noti sin dallantichit, assieme alla embriologia, ma non spiegati fino al XIX secolo, grazie ai lavori pionieristici di Gregor Mendel, considerato per questo il padre della genetica. Egli infatti per primo, pur non sapendo dellesistenza dei cromosomi e della meiosi, attribu ai caratteri ereditati in modo indipendente dai genitori, la propriet di determinare il fenotipo dellindividuo. In una visione moderna, linformazione genetica degli organismi contenuta allinterno della struttura chimica da molecole di DNA. I caratteri mendeliani dellindividuo corrispondono a sequenze di DNA, chiamate geni presenti nel genoma in duplice copia (nel cromosoma ereditato dal padre e in quello ereditato dalla madre). I geni infatti contengono linformazione per produrre molecole di RNA e proteine che permettono lo sviluppo e la regolazione dei caratteri cui sono correlati. Le proteine vengono prodotte attraverso la trascrizione del DNA a RNA, che viene trasportato fino ai ribosomi dallRNA messaggero, che viene tradotto in proteina dagli stessi. Tale processo noto come dogma centrale della biologia molecolare. Alcuni geni sono trascritti in RNA ma non divengono proteine, assolvendo a fondamentali funzioni biologiche. Sebbene la genetica giochi un ruolo importante nel determinare laspetto ed il comportamento dellindividuo, la sua interazione con lambiente a determinare laspetto complessivo. Per questo motivo due gemelli identici, sebbene aventi lo stesso patrimonio genetico, possono avere diverse personalit.

Gregor Mendel - Wikipedia

Gregor Johann Mendel (Hynice, 22 luglio 1822 Brno, 6 gennaio 1884) stato un biologo, matematico e un frate agostiniano ceco, considerato il precursore della moderna genetica per le sue osservazioni sui caratteri ereditari. Il nome Gregor - con cui oggi universalmente noto - quello che assunse dopo la professione religiosa.

BiografiaJohann Gregor Mendel apparteneva a una famiglia dellattuale Repubblica Ceca, allora facente parte dellImpero austriaco. Aveva due sorelle, una minore Veronika e laltra maggiore Theresia. Erano figli di un contadino di Hynice, una volta Heizendorf, dove Johann nacque il 20 luglio 1822. Durante linfanzia lavor come giardiniere, ma fin dalladolescenza sognava di essere ritenuto degno della memoria dei posteri ed era pertanto consapevole del fatto che il mondo contadino non gli si addiceva. Cos, conclusa let infantile, decise di intraprendere gli studi presso il ginnasio di Troppau, oggi Opava, dopo il quale frequent per due anni un istituto

filosofico ad Olmtz, oggi Olomouc. La permanenza nella nuova citt risult difficile, in quanto Mendel era privo di denaro, di casa e ostacolato anche dal problema della lingua.

Vocazione religiosa e studi universitariNel 1843 Mendel fece ingresso nel monastero di San Tommaso a Brunn (odierna Brno), accolto dai frati agostiniani e dallabate Cyrill Napp. Il monastero privilegiava limpegno accademico alla preghiera, dato il fatto che lo studio era considerato la pi alta forma di orazione. Ci costituiva un vantaggio per un uomo come Mendel: l poteva finalmente dedicarsi allo studio delle sue discipline preferite (matematica, botanica, meteorologia), e, in un clima di piena libert, si laure sia in biologia sia in matematica. Trascorsi cinque anni felici a San Tommaso, Mendel fu ordinato sacerdote il 6 agosto 1847. Nel 1849 cominci a insegnare in una scuola media a Znaim (odierna Znojmo, Repubblica Ceca): nella citt si sottopose allesame per diventare professore, che super solo dopo numerosi fallimenti e bocciature. Nel 1851 quando Napp gli concesse la possibilit di iscriversi allUniversit imperiale di Vienna Mendel seppe sfruttare pienamente loccasione e divenne quasi subito assistente allistituto di fisica, ruolo riservato agli studenti migliori. Nel 1853 Mendel conobbe Andreas von Ettingshausen e Franz Unger, linfluenza dei quali fu determinante per lo sviluppo del suo esperimento sui piselli odorosi: il primo gli spieg la teoria combinatoria, il secondo le tecniche pi avanzate di impollinazione artificiale.

Scoperte e PubblicazioniDopo anni trascorsi a Vienna, nel luglio del 1853 Mendel torn al monastero come professore, principalmente di fisica, matematica e biologia. L svilupp le sue doti di ricercatore e scienziato, fondamenti della sua attivit futura nel monastero di Brno. Mendel amava dedicarsi alla meteorologia (pubblic diversi lavori al riguardo) e allorto dellabbazia, dove scopr le caratteristiche variabili delle piante, svelando dopo molti anni di lavoro i meccanismi dellereditariet. Gregor Mendel, oggi conosciuto un po impropriamente come il padre della genetica moderna, per compiere i suoi esperimenti coltiv e analizz durante i sette anni di esperimenti circa 28.000 piante di piselli; successivamente impegn un biennio per elaborare i suoi dati, che portarono a tre generalizzazioni che divennero in seguito famose come Leggi dellereditariet di Mendel. Finalmente, nellinverno 1865 Mendel ebbe loccasione di esporre il lavoro di una vita a un pubblico di circa quaranta persone, tra cui biologi, chimici, botanici e medici, in due conferenze tenute rispettivamente l8 febbraio e l8 marzo. Purtroppo, nessuno riusc a seguire n a comprendere il suo lavoro. Lanno successivo pubblic il proprio lavoro facendone stampare quaranta copie che invi prontamente agli scienziati pi famosi dEuropa, per invogliarli alla verifica della sua grande scoperta mediante ulteriori esperimenti. Questa difatti poteva essere loccasione del suo tanto atteso e desiderato riconoscimento. Purtroppo per lunico che si interess al suo operato fu il professore universitario di botanica di Monaco, Karl Wilhelm von Ngeli con il quale rimase in contatto per molto tempo.

Gli ultimi anni di vitaNegli ultimi anni di vita, bench amareggiato dai fallimenti personali e professionali (non riusc

pi a riprodurre lo stesso rapporto statistico con altre piante), Mendel non perse mai il proprio umorismo n lamore per i nipotini che vedeva crescere di giorno in giorno. Investito del ruolo di abate, dovette inoltre impiegare tutte le proprie forze in una dura lotta contro il governo austriaco, che per ridurre il proprio dissesto finanziario aveva emanato una legge che imponeva gravi tasse ai monasteri. Mendel la riteneva cos ingiusta da indursi a scrivere lunghe lettere in cui spiegava perch si rifiutava di pagare le tasse. A causa di ci venne gradualmente isolato: prima dai suoi amici e poi dalla comunit. Il 6 gennaio 1884 Gregor Mendel mor di nefrite acuta.

Il lavoro di MendelFin da giovane Mendel aveva la convinzione che le forze della natura agiscono secondo una segreta armonia, che compito delluomo scoprire per il bene delluomo stesso e la gloria del Creatore. proprio a livello del metodo che si rileva un fondamentale contributo di Mendel: egli applica per la prima volta lo strumento matematico, in particolare la statistica e il calcolo delle probabilit, allo studio dellereditariet biologica. Trentacinque anni dopo la scoperta delle leggi mendeliane, lolandese Hugo de Vries, il tedesco Carl Correns e laustriaco Erich von Tschermak dopo essere giunti alle stesse conclusioni del monaco della Slesia, si accorsero della sua opera e riconobbero il merito a Gregor Mendel. Cos, nel 1900 lopera di Mendel riusc ad avere il luogo che le corrispondeva nella storia della scienza. La scienza dellereditariet ricevette il nome di genetica nel 1906 ad opera di William Bateson; il termine gene fu introdotto ancora pi tardi, nel 1909, da Wilhem Johansen. Il concetto base concepito dal monaco era molto innovativo: egli infatti dedusse che lereditariet era un fenomeno dovuto ad agenti specifici contenuti nei genitori, al contrario di quanto creduto allepoca. Non si pu tuttavia ancora parlare di genetica. Mendel, dopo sette anni di selezione, identific sette Linee pure: sette variet di pisello che differivano per caratteri estremamente visibili (forma del seme: liscio o rugoso; colore del seme giallo o verde). Proprio le caratteristiche di tale pianta (Pisum sativum) si prestavano particolarmente allo studio, unitamente a un semplice sistema riproduttivo, grazie al quale il monaco poteva impollinare a piacimento i suoi vegetali. Oper con un vastissimo numero di esemplari perch sapeva che le leggi della probabilit si manifestano sui grandi numeri. Mendel prese due variet di piante di pisello completamente diverse, appartenenti alle cosiddette linee pure (ovvero quelle nelle quali laspetto rimasto costante dopo numerose generazioni) e inizi ad incrociarle per caratteri specularmente diversi: ad esempio, una pianta a fiori rossi con una pianta a fiori bianchi. Not che la prima generazione filiale (detta anche F1) manifestava soltanto uno dei caratteri delle generazioni parentali (detta anche P) e ne dedusse che uno dei due caratteri doveva essere dominante rispetto allaltro: da questa osservazione trae origine la legge sulluniformit degli ibridi. Incrociando poi tra loro le piante della generazione F1, Mendel osserv, in parte della successiva generazione, la ricomparsa di caratteri persi nella F1 e cap quindi che essi non erano realmente scomparsi, bens erano stati oscurati da quello dominante. Osservando la periodicit della seconda generazione filiale o F2, (tre esemplari mostrano il gene dominante e uno il gene recessivo) Mendel port le scoperte ancora pi avanti: Lesistenza dei geni (detti da lui caratteri determinanti ereditari); I fenotipi alternativi presenti nella F2 sono definiti da forme diverse dello stesso gene: tali forme sono chiamate alleli; per dare origine alla periodicit della F2 ogni tipo di gene deve essere presente, nelle piante di pisello adulte, con due coppie per cellula che si segregano al momento della produzione dei gameti.

Le leggi di MendelLegge dei caratteri dominanti (o legge della omogeneit di fenotipo): gli individui nati

dallincrocio tra due individui omozigoti che differiscono per una coppia allelica, avranno il fenotipo dato dallallele dominante. Con significato pi ampio rispetto al lavoro di Mendel, pu essere enunciata come legge delluniformit degli ibridi di prima generazione. Legge della segregazione (o legge della disgiunzione): gli alleli di un singolo locus segregano al momento della formazione dei gameti (in seguito fu evidente che ci era dovuto al fenomeno noto come meiosi). Pu essere enunciata come ricomparsa del recessivo nella F2. Legge dellassortimento indipendente (o legge di indipendenza dei caratteri): i diversi alleli si trasmettono indipendentemente luno dagli altri, secondo precise combinazioni. Esistono anche delle eccezioni alla legge della dominanza: per esempio, nel sangue gli alleli sono A, B e 0. Se un bambino nasce da due genitori entrambi con il sangue di tipo 0 avr sangue di tipo 0 (due alleli di tipo 0, quindi 00); se i genitori sono di tipo 00 e BB o BB e BB il suo sangue sar di tipo B (in realt, B0 nel primo caso, BB nel secondo); se invece sono di tipo 00 e AA o AA e AA, il sangue del bambino sar di tipo A (in realt, A0 nel primo caso, AA nel secondo). Questo dimostra che A e B sono due fattori dominanti, perci, se un genitore ha sangue di tipo AA, e l altro di tipo BB, il sangue del bambino sar di tipo AB, visto che questi fattori sono entrambi dominanti e perci codominanti. Nel calcolo del gruppo sanguigno si deve in realt sempre considerare la possibile presenza dellallele 0, nascosto; quindi se un genitore ha il sangue A, ma i suoi geni sono di tipo A0, ed il secondo ha il sangue di tipo B, ma con geni B0, i figli possono nascere con qualsiasi gruppo sanguigno, tranne che con AA e BB (ma possono avere i gruppi AB, A0, B0 e 00). Le leggi di Mendel si applicano solo a caratteri in cui il fenotipo deriva dallespressione di un singolo gene (come appunto i caratteri esaminati dallabate), non si possono applicare per caratteri dovuti allinterazione tra molti geni e lambiente esterno (es. altezza, vigore, forza, produzione, capacit cognitive ecc), di questi si parla nella genetica quantitativa o metrica. Agli inizi del Novecento, con la riscoperta delle teorie di Mendel, le scienze evoluzionistiche incrociarono le sue scoperte con le ipotesi di Charles Darwin , si ebbe cos la nascita della cosiddetta sintesi moderna, ovvero la teoria evolutiva pi autorevole, che rimase in auge fino agli anni settanta. Questa teoria postulava la graduale selezione dei caratteri pi favorevoli, alla luce delle teorie genetiche, seguendo un adattamento delle specie allambiente. Questa teoria stata in parte modificata e resa pi rispondente alle prove empiriche dalla teoria degli equilibri punteggiati, che comunque riconosce le leggi di Mendel e il fondamentale contributo della genetica per studiare i processi evolutivi.

Gli esperimenti di Mendel (prime 2 leggi)Mendel, insegnante di scienze naturali, aveva sperimentato le sue ricerche su due tipi di piante di pisello odoroso. Le due piante, che si riproducevano per autoimpollinazione, presentavano caratteri antagonisti (cio una aveva i caratteri dominanti e laltra i caratteri recessivi), come ad esempio, il colore del fiore (rosso o bianco) la lunghezza del fusto (alto o basso) il suo obbiettivo era quello di combinare i due individui ed esaminare i caratteri del figlio. Cos prese due fiori che presentavano un solo carattere diverso (cio il colore del fiore bianco o rosso) accertandosi che provenissero da una linea pura, e incroci le due specie artificialmente. Tagli lo stame (organo riproduttivo maschile) del fiore rosso; prelev del polline dal fiore bianco con un pennellino, e lo pose sul pistillo del fiore rosso. Aspett che il polline del fiore bianco fecondasse il pistillo del fiore rosso, e aspett i risultati. Da quel fiore rosso sbocciarono tutti fiori rossi, perch (come si scopr molti anni dopo) il carattere dominante fiore rosso, aveva prevalso sul carattere recessivo fiore bianco. Quindi, dallunione dei due fiori rosso e bianco, omozigoti di linea pura, aveva ottenuto (nella prima generazione che chiameremo F1, prima generazione filiale) tutti fiori eterozigoti rossi. E cos formul la sua prima legge sulla dominanza dei caratteri. Poi aspett che questi ibridi si fecondassero e osserv la seconda generazione (F2) che aveva ottenuto. Ogni quattro fiori figli, tre presentavano il carattere dominante (fiore rosso) e uno il carattere recessivo (fiore

bianco). perch: RB (fiore rosso eterozigote) RB (fiore rosso eterozigote) alleleR alleleB alleleR alleleB possibili combinazioni: RR (fiore rosso omozigote); RB (fiore rosso eterozigote); BR (fiore rosso eterozigote); BB (fiore bianco omozigote). e cos formul la sua seconda legge.

Note^ Ernst Peter Fischer, Aristotele, Einstein e gli altri, ISBN 88-7078-455-X, pag. 242 ^ Robin Marantz Henig, Il monaco nellorto, Milano, Garzanti, 2001. ISBN 88-11-59371-9 pag. 24-25

BibliografiaSaggio sugli ibridi vegetali, Mendel 1866; Saggio su alcuni incroci di Hieracium ottenute da fecondazione artificiale, Mendel 1869; Robin Marantz Henig, Il monaco nellorto, Milano, Garzanti, 2001. ISBN 88-11-59371-9;

Voci correlateGenetica DNA Charles Darwin Lista di tratti mendeliani negli esseri umani Statistica Stazione polare Mendel

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Collegamenti esterniVoce su Treccani.it Voce su Sapere.it http://www.mendelmuseum.muni.cz/en/ Museo di Mendel Categorie: Biologi cechi Matematici cechi Nati nel 1822 Morti nel 1884 Nati il 22 luglio Morti il 6 gennaio Morti a Brno Presbiteri cechi Abati cechi Personalit legate a Brno | [1] [2] it.wikipedia.org

Genetica - Wikipedia

it.wikipedia.org Storia Thomas Hunt Morgan osserv come la mutazione che causava la presenza di occhi bianchi in Drosophila fosse legata al sesso dellanimale. Ci gli permise di ipotizzare che i geni si trovassero sui cromosomi. Nella seconda parte del XIX secolo la teoria evoluzionistica di Charles Darwin andava via via affermandosi. Fu tuttavia il contributo del monaco ceco Gregor Mendel a fornire la base teorica alla questione dellereditariet dei caratteri, che Darwin aveva risolto ipotizzando il meccanismo, poi rivelatosi errato, della pangenesi. Le teorie di Mendel prevedevano lassortimento indipendente dei caratteri e non il rimescolamento dei caratteri stessi proposto da Darwin. La pangenesi non aveva alcuna prova sperimentale alla sua base. In ogni caso, le tesi di Mendel furono ampiamente ignorate fino allinizio del XX secolo, quando vennero riscoperte da altri biologi che si trovavano ad affrontare problemi simili. La stessa parola genetica fu coniata solo nel 1905 dallo scienziato britannico William Bateson in una lettera, rivolta a Adam Sedgwick, datata 18 aprile. Bateson fu anche il primo ad usare il termine genetica in ambito ufficiale, nel corso della Terza Conferenza Internazionale sullIbridazione delle Piante del 1906 a Londra.

La genetica classicaNegli anni successivi alla riscoperta delle tesi di Mendel, si avvi un gran numero di esperimenti e tesi a delucidare le basi molecolari dellereditariet. Nel 1910 Thomas Hunt Morgan sugger che i geni si trovassero sui cromosomi, in seguito ad osservazioni su Drosophila (il moscerino della frutta). Morgan not infatti che le mutazioni che generavano un colore bianco degli ommatidi erano trasmesse in modo differente tra individui di diverso sesso in quanto questo gene mutante si trova sul cromosoma X. In seguito un suo studente, C.B. Bridges, dimostr con vari esperimenti la correttezza dellasserzione di Morgan. In pi osserv il fenomeno della non-disgiunzione in Drosophila m. e scopri che il cromosoma Y di questultima non ha rilevanza nella determinazione del sesso ma influenza la fertilit nei maschi. Nel 1913 il suo studente Alfred Sturtevant utilizz il fenomeno del linkage genetico e le frequenze di ricombinazione ad esso associate per dimostrare e mappare la disposizione lineare dei geni lungo il cromosoma. La struttura chimica del DNA Sebbene i cromosomi fossero comunemente accettati come sito di localizzazione dei geni, allinizio degli anni venti non vi era ancora chiarezza sulla composizione molecolare dei geni stessi. I cromosomi, infatti, sono composti sia di proteine che di DNA. Nel 1928 Frederick Griffith pubblic i risultati del suo lavoro (noto come esperimento di Griffith) sul fenomeno della trasformazione batterica, ipotizzando la presenza di un principio trasformante.

La genetica del DNASedici anni pi tardi (nel 1944) Oswald Theodore Avery, Colin McLeod e Maclyn McCarty ripresero la trasformazione, isolando ed identificando il DNA come molecola responsabile della

trasformazione stessa. Nel 1952 lesperimento di Hershey-Chase identific il DNA come la molecola contenente il materiale genetico dei virus, ulteriore prova del fatto che il DNA fosse la molecola responsabile dellereditariet. Nel 1953 James Watson e Francis Crick completarono la risoluzione del DNA attraverso la cristallografia a raggi X, individuandone la celebre struttura a doppia elica: ogni nucleotide posto su un filamento aveva un nucleotide complementare sullaltro. Tale struttura, oltre a chiarire che linformazione contenuta concretamente nelle sequenze di nucleotidi, sugger immediatamente il meccanismo fisico sottostante la replicazione del DNA. Essa infatti consiste nella separazione dellelica nei due filamenti e nella ricostruzione di filamenti complementari ad entrambi.

La genomicaI decenni successivi sono stati caratterizzati da una nuova espansione dei propri studi resi possibili dalla scoperta stessa della struttura del DNA. La scoperta degli enzimi di restrizione, in grado di tagliare in modo estremamente preciso, ha aperto la via ad una gestione sempre pi efficace degli acidi nucleici. Lo sviluppo delle tecniche di sequenziamento del DNA nel 1977 hanno permesso la determinazione precisa delle sequenze nucleotidiche dei geni. La messa a punto della reazione a catena della polimerasi (PCR) da parte di Kary Banks Mullis nel 1983 ha reso possibile lisolamento e lamplificazione di sequenze specifiche di DNA. Queste ed altre tecniche hanno permesso al Progetto genoma umano e alla Celera Genomics di annunciare nel 2001 il completamento del sequenziamento dellintero genoma umano.

Cronologia della genetica1865 Gregor Mendel scrive Esperimenti sugli ibridi vegetali in cui presenta i risultati dei suoi studi sullereditariet nel pisello. 1869 Friedrich Miescher scopre un acido debole allinterno dei globuli bianchi, che poi sar identificato come DNA. 1880-1890 Walther Flemming, Eduard Strasburger e Edouard van Beneden descrivono la distribuzione dei cromosomi durante la divisione cellulare. 1903 Si scopre che i cromosomi sono delle unit ereditarie 1906 Il termine genetica utilizzato per la prima volta pubblicamente dallo scienziato William Bateson. 1910 Thomas Hunt Morgan dimostra che i geni risiedono nei cromosomi e scopre lesistenza di geni associati che non seguono le leggi di ereditariet mendeliane. 1913 Alfred Sturtevant costruisce la prima mappa genica di un cromosoma e determina che le mappe geniche contengono geni disposti in ordine lineare. 1918 Ronald Fisher pubblica On the correlation between relatives on the supposition of Mendelian inheritance - (La correlazione tra genitori sulla base delle supposizioni dellereditariet mendeliana) e mette in correlazione gli studi mendeliani con quelli darwiniani: linizio della cosiddetta sintesi moderna. 1927 Alterazioni fisiche dei geni vengono chiamate mutazioni. 1928 Frederick Griffith scopre un principio trasformante trasmissibile nei batteri. 1931 Si scopre che il crossing over la causa della ricombinazione genetica. 1941 Edward Lawrie Tatum e George Wells Beadle dimostrano che i geni codificano per proteine. Formulano il cosiddetto dogma centrale della biologia molecolare. 1944 Oswald Theodore Avery, Colin McLeod e Maclyn McCarty dimostrano che il DNA ad essere la molecola che contiene linformazione genetica. Gli esperimenti si basano sulla scoperta del processo di trasformazione batterica.

1950 Erwin Chargaff dimostra che i quattro nucleotidi sono presenti nel DNA, in cellule dello stesso organismo, in proporzioni stabili; ma in proporzioni diverse se consideriamo individui diversi (regole di Chargaff). Barbara McClintock scopre i trasposoni nel mais. 1952 Lesperimento di Hershey-Chase fornisce unulteriore dimostrazione che il DNA il vettore dellinformazione genica (anche nei fagi). 1953 Viene pubblicato il celebre articolo in cui James Watson e Francis Crick (con laiuto di Rosalind Franklin) descrivono la struttura della doppia elica del DNA 1956 Jo Hin Tjio e Albert Levan stabiliscono in 46 il numero esatto di cromosomi nella specie umana. 1958 Lesperimento di Meselson e Stahl dimostra che per il DNA la replicazione semiconservativa. 1961 Si ha la prova definitiva che il codice genetico organizzato in triplette (codoni). 1964 Howard Temin dimostra, usando virus a RNA, che il dogma centrale presenta delle eccezioni. 1970 Vengono scoperti gli enzimi di restrizione studiando il batterio Haemophilus influenzae. 1972 Walter Fiers e il suo gruppo di lavoro determinano per la prima volta la sequenza di un gene. 1976 Walter Fiers e colleghi determinano la sequenza nucleotidica completa del fago ad RNA MS2 1977 Il DNA sequenziato per la prima volta da Fred Sanger, Walter Gilbert e Allan Maxam in maniera indipendente. Il laboratorio di Sanger ha completato la sequenza completa dellintero genoma del fago -X174. 1983 Kary Banks Mullis mette a punto la PCR, la reazione a catena della polimerasi, una tecnica che permette la facile amplificazione del DNA. 1985 Alec Jeffreys scopre il fingerprinting. 1989 Viene sequenziato il gene per la proteina CFTR (che, se mutato, pu indurre fibrosi cistica) da parte di Francis Collins e Lap-Chee Tsui; il primo gene umano ad essere sequenziato. 1995 sequenziato per la prima volta un genoma batterico, quello di Haemophilus influenzae. 1996 Saccharomyces cerevisiae il primo organismo eucariote il cui genoma sequenziato. 1998 completato il sequenziamento del primo genoma di un organismo pluricellulare: il nematode Caenorhabditis elegans. 2001 Il Progetto Genoma Umano e Celera Genomics annunciano il sequenziamento del genoma umano. 2003 Completato con successo il Progetto genoma umano: il 98% del genoma sequenziato con un livello di precisione del 99.99%.

Aree della geneticaCariotipo di una bambina Con il passare dei decenni, gli approcci della genetica si sono differenziati, generando di fatto un buon numero di differenti aree in cui si applica la ricerca genetica.

Genetica formaleLa genetica formale (o classica) lavora con le tecniche e le metodologie messe a punto prima dellavvento della biologia molecolare. In seguito alla scoperta del codice genetico ed alla messa a punto di strumenti come gli enzimi di restrizione, le vie di studio tipiche della genetica formale sono state in parte superate dalle evidenze messe in luce dalla genetica molecolare. Alcuni approcci di genetica formale, in ogni caso, restano decisamente utili ancora oggi. Le leggi di Mendel sono ad esempio ancora decisamente utili per la predizione dellereditariet di alcuni caratteri monogenici. Per lanalisi di molti

caratteri multigenici (o multifattoriali), invece, esse sono insufficienti, e si utilizzano approcci molecolari pi fini e complessi.

Genetica comportamentaleLa genetica comportamentale studia linfluenza della genetica sul comportamento degli individui. La genetica comportamentale ha messo in evidenza questioni di notevole interesse relativamente allevoluzione del comportamento animale. In popolazioni di suricati o di guppy, ad esempio, la presenza di individui con ruolo di vedetta contro i predatori sembra essere geneticamente determinata. Tali individui hanno una aspettativa di vita decisamente minore rispetto agli altri e la loro presenza, stando alle regole della selezione naturale, dovrebbe venir meno in poche generazioni.

Genetica clinicaLa genetica clinica (o genetica medica) raccoglie numerose applicazioni della genetica alla medicina. Il ruolo della genetica in patologia, infatti, decisamente importante. Molte malattie, infatti, hanno causa scatenante essenzialmente ereditaria. Per altre, le cause genetiche sono presenti ma non sufficienti per indurre la patologia. Tra gli approcci della genetica clinica figurano la citogenetica e la consulenza genetica. Una nuova branca derivante dalle applicazioni delle conoscenze genetiche in medicina e nella pratica clinica rappresentata dalla genetica personalizzata. Grazie alle scoperte derivanti dal sequenziamento del genoma umano ora possibile eseguire degli studi predittivi sullincidenza di una data patologia su un campione o su un individuo rispetto alla popolazione generale genetica personalizzata.

Genetica molecolareLa genetica molecolare pone le sue basi sulla genetica classica, ma si focalizza sulla struttura e la funzione dei geni a livello molecolare. Questa disciplina utilizza sia le metodologie della genetica classica, che della biologia molecolare. Una branca importante della genetica molecolare, detta sistematica molecolare, analizza a livello molecolare la filogenesi e permette lanalisi della corretta classificazione scientifica degli organismi. Lo studio dei caratteri ereditari non strettamente associati a modifiche della sequenza del DNA sono invece il campo di studio dellepigenetica.

Genetica delle popolazioniLa genetica delle popolazioni analizza le caratteristiche genetiche delle popolazioni nel loro insieme mediante metodi matematici, ed in particolare afferenti alla teoria delle probabilit e alla statistica. La disciplina studia, in particolare, le distribuzioni e le variazioni nelle frequenze alleliche dei geni sotto linflusso delle quattro forze che regolano levoluzione: la selezione naturale, la deriva genetica, le mutazioni e le migrazioni. Questa branca, dunque, in grado di spiegare fenomeni come ladattamento e la speciazione. La genetica delle popolazioni consta di due ulteriori sotto-discipline. La genetica quantitativa si prefigge di predire la risposta alla selezione in base ad informazioni sul fenotipo e le relazioni tra gli individui. Un recente sviluppo di questa disciplina consiste nellanalisi dei tratti quantitativi. La genetica ecologica pi focalizzata sui temi ecologici e studia prevalentemente le dinamiche delle popolazioni selvatiche.

GenomicaLa genomica la branca di pi recente nascita. Essa si prefigge lo scopo di studiare le

caratteristiche genetiche di interi genomi. Ci possibile attraverso ampie banche dati biologiche (come Ensembl, che raccoglie informazioni su diversi genomi) ed un crescente numero di strumenti computazionali messi a disposizione dalla bioinformatica.

Discipline strettamente correlateRelazione tra biologia molecolare, genetica e biochimica in unaccezione classica dei relativi campi di studio. Il confine tra la genetica e le discipline affini, come la biologia molecolare e la biochimica non ben definito ed destinato ad esserlo sempre meno. Una definizione classica vedeva infatti la biologia molecolare come lo studio dei processi molecolari di replicazione, trascrizione, splicing e traduzione del materiale genetico; la biochimica come lo studio delle sostanze chimiche e del metabolismo degli esseri viventi; la genetica come lo studio dei fenomeni dellereditariet. Tuttavia, oggi molti approcci di genetica molecolare si servono di tecniche e nozioni della biologia molecolare. Allo stesso modo, lo studio approfondito del metabolismo (argomento prettamente biochimico) non pu esimersi dallinvestigare i processi molecolari che lo controllano a livello genico. Le tre discipline, dunque, solo idealmente trattano aspetti diversi della biologia microscopica: di fatto i campi di studio sono notevolmente sovrapposti.

Note^ (EN) Daniel Hartl and Elizabeth Jones, Genetics: Analysis of Genes and Genomes, 6th edition, Jones & Bartlett, 2005. 854 pages. ISBN 0-7637-1511-5. ^ (EN) Robert C. King, William D. Stansfield, Pamela K. Mulligan, A Dictionary of Genetics, 7th edition, Oxford University Press, 2006. 596 pages. ISBN 0-19-530761-5 (paper) ^ Online copy of William Batesons letter to Adam Sedgwick ^ Bateson, William (1907). Ed. Wilks, W. The Progress of Genetic Research. Report of the Third 1906 International Conference on Genetics: Hybridization (the cross-breeding of genera or species), the cross-breeding of varieties, and general plant breeding, London: Royal Horticultural Society ^ (EN) Daniel Hartl and Elizabeth Jones (2005). Genetics: Analysis of Genes and Genomes, 6th edition. Jones & Bartlett. 854 pages. ISBN 0-7637-1511-5 ^ (EN) Ernest W. Crow and James F. Crow (2002). 100 Years Ago: Walter Sutton and the Chromosome Theory of Heredity. Genetics 160: 1-4. ^ (EN) Watson JD, Crick FH, Molecular structure of nucleic acids; a structure for deoxyribose nucleic acid, Nature. 1953 Apr 25;171(4356):737-8 ^ (EN) Min Jou W, Haegeman G, Ysebaert M, Fiers W., Nucleotide sequence of the gene coding for the bacteriophage MS2 coat protein, Nature. 1972 May 12;237(5350):82-8 ^ (EN) Fiers W et al., Complete nucleotide-sequence of Bacteriophage MS2-RNA primary and secondary structure of replicase gene, Nature, 260, 500-507, 1976 ^ (EN) Sanger F, Air GM, Barrell BG, Brown NL, Coulson AR, Fiddes CA, Hutchison CA, Slocombe PM, Smith M., Nucleotide sequence of bacteriophage phi X174 DNA, Nature. 1977 Feb 24;265(5596):687-94 ^ (EN) Lannuncio del completamento del Progetto genoma umano

Voci correlateCromosoma DNA Optogenetica Risorse genetiche

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Le tre leggi di Mendel

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Leredit delle caratteristiche

Le tre leggi di MendelAl termine degli esperimenti, Mendel arriv alle seguenti conclusioni (che gli permisero di enunciare le tre leggi di Mendel che sono alla base della genetica): 1. i caratteri non si mescolano negli ibridi ma mantengono la propria identit; 2. ogni carattere controllato da una coppia di fattori ereditari, che vengono trasmessi, uno da ciascun genitore, ai figli attraverso i gameti. Oggi si sa che questi fattori sono i geni, che sono presenti sul cromosoma in una delle due forme alternative, dette alleli, delle quali una (allele dominante) prevale sullaltra (allele recessivo), mascherandone la presenza nella F1; 3. al momento della meiosi, ciascuna coppia di cromosomi (uno di origine materna e uno paterno) si separa in modo che in un gamete vada solo un cromosoma; ogni spermatozoo e ogni cellula uovo possiede quindi un solo allele per ogni carattere; 4. con la fecondazione i gameti si combinano a caso e si riformano le coppie di cromosomi (e quindi di alleli); 5. si definiscono omozigoti gli individui che hanno i due alleli di un carattere uguali (dominanti o recessivi), eterozigoti gli individui che hanno i due alleli diversi (uno dominante e uno recessivo): gli omozigoti possono produrre un solo tipo di gamete, gli eterozigoti due; Le leggi di Mendel valgono sia per le piante sia per gli animali: anche nelluomo molti caratteri sono trasmessi secondo queste leggi. Il bruno dei capelli dominante sul rosso; i capelli crespi dominano su quelli lisci; gli occhi scuri su quelli azzurri; il naso aquilino su ogni altro tipo di naso. Legge della dominanza dei caratteri o della uniformit degli ibridi Incrociando tra loro individui che differiscono per un solo carattere, si ottengono alla prima generazione ibridi tutti uguali. Indicando gli alleli con le lettere dellalfabeto e precisamente con A il carattere dominante e con a il carattere recessivo, nellincrocio di due linee pure si avr: generazione parentale P AA x aa gameti di P A A a a prima generazione finale F1 tutti Aa Legge della segregazione Alla seconda generazione, ottenuta incrociando tra loro gli ibridi della prima, gli alleli che controllano un determinato carattere si separano (segregano) e vengono trasmessi a gameti diversi. Si ottengono 1/4 degli individui con il carattere recessivo e 3/4 con il carattere dominante. Di questi ultimi 2/3 sono eterozigoti, 1/3 omozigote. prima generazione finale F1 Aa x Aa gameti di F1 A a A a seconda generazione finale F2 AA Aa aA aa Si definisce fenotipo il complesso dei caratteri visibili di un individuo; genotipo la combinazione di alleli posseduta da un individuo. Da questi incroci si osserva che il fenotipo dominante espresso sia dagli omozigoti dominanti sia dagli eterozigoti. Per determinare il genotipo dellindividuo con fenotipo dominante si ricorre al test-cross (o incrocio di controllo) che utilizza lomozigote recessivo. Se il genitore con fenotipo dominante eterozigote, i discendenti avranno per met il fenotipo dominante e per met quello recessivo (v. fig. 7.3 a). Se invece il genitore con fenotipo dominante omozigote, i discendenti avranno tutti il fenotipo dominante (v. fig. 7.3 b).

Legge dellassortimento indipendente Incrociando individui che differiscono tra loro per due o pi caratteri, ogni coppia di alleli per ciascun carattere viene ereditata in maniera del tutto indipendente dallaltra. Si hanno cos tutte le possibili combinazioni degli alleli di ciascuna coppia e la comparsa di individui con caratteri nuovi. Incrociando tra loro 2 diibridi RrGg, ogni individuo d origine a 4 tipi di gameti (RG, Rg, rG e rg) che possono combinarsi in 16 modi diversi (v. fig. 7.4).

Tab. 7.2: Legge della dominanza dei caratteri o della unifor Legge della dominanza dei caratteri o della uniformit degli ibridi enerazione parentale P AA x aa gameti di P A A a a prima generazione filiale F1 tutti Aa Tab. 7.3: Legge della segregazione Legge della segregazione prima generazione filiale F1 Aa x Aa gameti di F1 A a A a seconda generazione filiale F2 AA Aa aA aa Media ApprofondimentiMendel, il fondatore della genetica

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Mendel - Wikipedia

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OnomasticaMendel - forma diminutiva del prenome Menahem.

PersoneGregor Mendel - biologo, matematico e religioso ceco. Henriette Mendel - moglie morganatica di Luigi di Baviera. Nate Mendel - bassista statunitense.

ToponimiStazione polare Mendel - base antartica ceca sullisola James Ross. Categoria: Disambigua it.wikipedia.org

Genetica mendeliana

ips.it Sebbene lereditariet biologica sia stata oggetto di interesse e stupore sin dagli inizi della storia umana, solo recentemente luomo ha iniziato a capire il suo funzionamento; in effetti lo studio scientifico dellereditariet, noto come genetica, non inizi di fatto prima della seconda met del 1800 con il monaco Gregor Johann Mendel (1822-1884). Il suo lavoro, effettuato nel giardino di un tranquillo monastero agostiniano nellattuale Brno, segn linizio della genetica moderna. Il maggior contributo di Mendel fu laver dimostrato che i caratteri ereditari sono trasmessi come unit che vengono distribuiti singolarmente a ogni generazione. Queste unit distinte, che vengono da Mendel Elemente, furono in seguito chiamate geni. La soluzione che dette Mendel al problema delleredit sembra oggi tanto semplice che sorprende che nessuno nel 1865 avesse compreso la sua accurata e ragionata analisi. Quel lavoro, che segn linizio della biologia quantitativa, rimane ancora come un modello di brillante procedura sperimentale. Mendel osserv landamento numerico di alcune caratteristiche di tre generazioni di piante di pisello ed, in seguito, analizz matematicamente i risultati ottenuti. E proprio questa linnovazione di Mendel: lidea che un problema biologico potesse essere studiato quantitativamente era del tutto nuova; poi, analizzando i risultati ottenuti, ipotizz due leggi, note come legge della segregazione e legge della segregazione indipendente, che diventarono le prime importanti leggi di genetica, e quindi diedero di fatto origine alla genetica classica. La scelta di Mendel di utilizzare la pianta di pisello per i suoi esperimenti non era certo originale. Tuttavia egli riusc a formulare i princpi fondamentali dellereditariet, dove altri avevano fallito, grazie al suo approccio metodologico. Innanzitutto egli verific unipotesi molto specifica in una serie di esperimenti logici. Pianific i suoi esperimenti con cura ed intelligenza, scegliendo di studiare solamente differenze ereditarie nette e scartando le caratteristiche che potevano apparire nella prole in modo incerto. In secondo luogo, Mendel studi i discendenti non solo della prima generazione e della seconda, ma anche delle generazioni successive. Infine, in terzo luogo, analizz i suoi dati in modo tale da rendere la loro valutazione semplice ed oggettiva. Gli esperimenti stessi furono descritti cos chiaramente che poterono essere ripetuti e controllati da altri scienziati, cosa che in effetti poi avvenne. INCROCI SPERIMENTALI Mendel selezion sette caratteri che mostravano, nelle diverse variet di piante di pisello, due forme nettamente differenti. Una variet, per esempio, produceva sempre semi gialli, mentre unaltra sempre semi verdi. In seguito, Mendel esegui incroci sperimentali asportando le antere di un fiore contenenti il polline e cospargendo gli stigmi con il polline di un fiore di un altra variet. Poi Mendel permise ai fiori di pisello di autoimpollinarsi, quindi di dare origine ad unaltra generazione da analizzare. LEGGE DELLA SEGREGAZIONE Mendel mise a confronto le generazioni da lui analizzate ed osserv che nella prima generazione F1, cio prima generazione filiale, tutti i figli mostravano solamente uno dei caratteri presenti nei genitori; laltro carattere era completamente scomparso. Le caratteristiche che apparivano nella generazione F1 furono chiamate da Mendel dominanti. Per a questo punto sorse spontanea una domanda: che cosa era successo al carattere antagonista? Il quesito fu risolto dallanalisi della seconda generazione filiale o F2, in cui riapparivano i caratteri scomparsi nella generazione precedente. Queste caratteristiche, presenti nella generazione parentale (P) e ricomparse nella F2, dovevano in qualche modo essere presenti anche nella generazione F1, sebbene non evidenti. Mendel chiam questi caratteri recessivi. La F2 quindi era composta da caratteri sia dominanti che recessivi, per legati dal rapporto 3:1. Mendel intu che la comparsa dei caratteri antagonisti e le loro

proporzioni costanti nella F2 potevano essere spiegate ammettendo che le caratteristiche fossero determinate da fattori separati. Questi fattori, riteneva Mendel, dovevano trovarsi nelle piante F1 in coppie: un componente di ogni coppia era ereditato dal padre e laltro dalla madre. Questa, nota anche come prima legge di Mendel, la legge della segregazione. Quindi la F1, dovendo avere entrambi i caratteri, pu essere scritta come Yy, di conseguenza chiamarla eterozigote; per c da ricordare che un organismo eterozigote manifesta nel suo fenotipo (aspetto esteriore) solo lallele (carattere) dominante. Mentre la P formata da organismi yy e YY, cio da linee pure, chiamati anche omozigoti. Chiarito il significato di tali parole possiamo cercare una spiegazione del rapporto 3:1. Uno dei modi pi semplici il quadrato di Punnet, dal nome del genetista inglese che per primo o utilizz per lanalisi dei caratteri determinati geneticamente. Il quadrato di Punnet utilizza le leggi della probabilit. Ritorna ad inizio pagina LEGGE DELLASSORTIMENTO INDIPENDENTE In una seconda serie di esperimenti Mendel prese in considerazione degli incroci tra piante di piselli che differivano per due caratteri: un genitore produceva semi lisci e gialli e laltro rugosi e verdi. I caratteri liscio e giallo sono dominanti, mentre rugoso e verde sono recessivi. Mendel, segu il medesimo procedimento che aveva usato con il primo esperimento, ed ottenne risultati simili, ma significativi. La F1 era composta per intero da componenti genotipicamente eterozigoti (quindi fenotipicamente con semi lisci e gialli), mentre fra i componenti della F2 Mendel not un rapporto in media di 9:3:3:1. Su 16 combinazioni, 9 sono gli individui che presentano i due caratteri dominanti, 1 lindividuo con i due caratteri recessivi, 3 e 3 sono gli individui con le due combinazioni alternative di caratteri dominanti e recessivi. In base a questi risultati, Mendel formul la seconda legge, o dellassortimento indipendente, che afferma: quando si formano i gameti, gli alleli di un gene si separano indipendentemente dagli alleli di unaltro gene. Ritorna ad inizio pagina ips.it

DNA - Wikipedia

it.wikipedia.org Disambiguazione DNA rimanda qui. Se stai cercando altre voci che possono riferirsi alla stessa combinazione di 3 caratteri, vedi DNA (disambigua). Lacido desossiribonucleico (DNA) un acido nucleico che contiene le informazioni genetiche necessarie alla biosintesi di RNA e proteine, molecole indispensabili per lo sviluppo ed il corretto funzionamento della maggior parte degli organismi viventi. Dal punto di vista chimico, il DNA un polimero organico costituito da monomeri chiamati nucleotidi (deossiribonucleotidi). Tutti i nucleotidi sono costituiti da tre componenti fondamentali: un gruppo fosfato, il deossiribosio (zucchero pentoso) e una base azotata che si lega al deossiribosio con legame N-glicosidico. Le basi azotate che possono essere utilizzate nella formazione dei nucleotidi da incorporare nella molecola di DNA sono quattro: adenina, guanina, citosina e timina e nel RNA, al posto della timina, presente luracile. La definizione di DNA (o ADN) pi propriamente questa: il DNA una doppia catena polinucleotidica (A,T,C,G), antiparallela, orientata, complementare, spiralizzata, informazionale. La disposizione in sequenza di queste quattro basi costituisce linformazione genetica, leggibile attraverso il codice genetico, che ne permette la traduzione in amminoacidi. Il processo di traduzione genetica (comunemente chiamata sintesi proteica) possibile solo in presenza di una molecola intermedia di RNA, generata attraverso la trascrizione del DNA. Tale processo non genera solo filamenti di RNA destinati alla traduzione, ma anche frammenti gi in grado di svolgere svariate funzioni biologiche (ad esempio allinterno dei ribosomi, dove lRNA ha una funzione strutturale). Linformazione genetica duplicata prima della divisione cellulare, attraverso un processo noto come replicazione del DNA, che evita la perdita di informazione durante le generazioni. Negli eucarioti, il DNA si complessa allinterno del nucleo in strutture chiamate cromosomi. Negli altri organismi, privi di nucleo, esso pu essere organizzato in cromosomi o meno (nei batteri presente ununica molecola di DNA circolare a doppia catena, i virus possono avere genomi a DNA oppure ad RNA). Allinterno dei cromosomi, le proteine della cromatina (come gli istoni, le coesine e le condensine) permettono di compattare e controllare la trascrizione dei geni, almeno nella maggior parte dei casi.

StoriaFrancis Crick Il DNA fu inizialmente isolato dal biochimico svizzero Friedrich Miescher che, nel 1869, individu una sostanza microscopica contenuta nel pus di bende chirurgiche utilizzate. Dal momento che tale molecola aveva la sua localizzazione nel nucleo, egli la chiam nucleina. Nel 1919 Phoebus Levene individu la struttura del nucleotide, composta da base azotata, zucchero e fosfato. Levene sugger che il DNA consistesse di un filamento di nucleotidi legati tra loro attraverso i fosfati. In ogni caso, Levene era convinto che tale filamento fosse corto e che le basi fossero disposte secondo un preciso ordine ripetuto. Nel 1937 William Astbury present i primi risultati di alcuni studi di diffrazione a raggi X, che dimostrarono che il DNA ha una struttura estremamente regolare. Nel 1944 Erwin Schrdinger asser che, visto che secondo la fisica quantistica i sistemi di pochi atomi hanno un comportamento disordinato, il materiale genetico doveva essere costituito da una grande molecola non ripetitiva, sufficientemente stabile da mantenere linformazione genetica, chiamata cristallo aperiodico. Nel 1928 Frederick Griffith scopr che i caratteri della forma smooth (liscia) di Pneumococcus potevano essere trasferiti alla forma rough (rugosa), miscelando i resti di batteri smooth morti con batteri rough vivi. Questo sistema, pur non fornendo nessuna evidenza su quale fosse la sostanza che determinava il cambiamento, mostrava comunque che qualcosa potesse trasportare linformazione

genetica dai resti dei batteri morti a quelli vivi. Si parl quindi di un principio trasformante in grado di modificare i batteri vivi. Nel 1943 Oswald Theodore Avery dimostr, in un celebre esperimento insieme a Colin MacLeod e Maclyn McCarty, che il DNA il principio trasformante alla base di questo fenomeno. Il ruolo del DNA nellereditariet stato dimostrato infine nel 1953 da Alfred Hershey e Martha Chase attraverso un altro classico esperimento, che dimostr che il materiale genetico del fago T2 effettivamente il DNA. Il 1953 anche lanno in cui, attraverso ulteriori immagini da diffrazione a raggi X realizzate da Rosalind Franklin, chimica-fisica inglese, James Watson e Francis Crick presentarono sulla rivista Nature quello che oggi accertato come il primo modello accurato della struttura del DNA, quello della doppia elica. A disegnarne il bozzetto fu Odile Speed, pittrice e moglie di Crick. Le evidenze sperimentali a supporto del modello di Watson e Crick furono riportate in una serie di cinque articoli pubblicati sullo stesso numero di Nature. Tra questi figurava larticolo della Franklin e di Raymond Gosling, che conteneva i dati di diffrazione a raggi X fondamentali per sostenere il modello. Tale numero conteneva anche un articolo sulla struttura del DNA scritto da Maurice Wilkins. Nel 1962, dopo la morte di Rosalind Franklin (a causa di un tumore provocato, probabilmente, dalle alte dosi di raggi X a cui si era esposta nel corso dei suoi esperimenti), Watson, Crick e Wilkins ricevettero congiuntamente il Premio Nobel per la medicina. Dal momento che la scoperta del modello si bas essenzialmente sui dati di Rosalind Franklin, ancora oggi esistono pareri molto eterogenei nella comunit scientifica su chi avrebbe dovuto ricevere tale premio. In unimportante presentazione del 1957, Crick propose il dogma centrale della biologia molecolare, che fissa le relazioni tra DNA, RNA e proteine. La conferma finale del meccanismo di replicazione basato sulla struttura a doppia elica fu fornita nel 1958 dallesperimento di Meselson-Stahl. Un successivo lavoro di Crick dimostr come il codice genetico fosse basato su triplette di basi non sovrapposte, permettendo ad Har Gobind Khorana, Robert Holley e Marshall Warren Nirenberg di decifrarlo. Queste scoperte sono alla base della moderna biologia molecolare. Nel 1961 Marshall Nirenberg e Severo Ochoa scoprono che ogni tripletta di nucleotidi codifica per uno specifico amminoacido. Nel 1986 Renato Dulbecco propone di decifrare il codice genetico delluomo per sconfiggere il cancro.

ComposizioneAnimazione di un frammento di DNA. Visibili il solco maggiore ed il solco minore. Il DNA un lungo polimero costituito da unit ripetute di nucleotidi. La catena del DNA larga tra i 22 ed i 26 ngstrm (da 2,2 a 2,6 nanometri) ed ogni unit nucleotidica lunga 3,3 ngstrom (0,33 nanometri). Sebbene ogni unit occupi uno spazio decisamente ridotto, la lunghezza dei polimeri di DNA pu essere sorprendentemente elevata, dal momento che ogni filamento pu contenere diversi milioni di nucleotidi. Ad esempio, il pi grande cromosoma umano (il cromosoma 1) contiene quasi 250 milioni di paia di basi. Negli organismi viventi, il DNA non quasi mai presente sotto forma di singolo filamento, ma come una coppia di filamenti saldamente associati tra loro. Essi si intrecciano tra loro a formare una struttura definita doppia elica. Ogni nucleotide costituito da uno scheletro laterale, che ne permette il legame covalente con i nucleotidi adiacenti, e da una base azotata, che instaura legami idrogeno con la corrispondente base azotata presente sul filamento opposto. Il composto formato da una base azotata legata allo zucchero definito nucleoside; un nucleotide invece un nucleoside a cui sono legati uno o pi gruppi fosfato. La struttura laterale del DNA composta da unit ripetute ed alternate di gruppi fosfato e di 2deossiribosio, uno zucchero pentoso (a cinque atomi di carbonio) che si lega ai fosfati adiacenti attraverso legami fosfodiesterici presso il terzo ed il quinto carbonio; in pratica, ogni molecola di fosfato forma un

ponte molecolare collegando, attraverso legami fosfodiesterici, il carbonio in posizione 3 di una molecola di deossiribosio con quello in posizione 5 dello zucchero successivo. Conseguenza di questi legami asimmetrici che ogni filamento di DNA ha un senso, determinato dalla direzione dei legami fosfodiesterici. In una doppia elica, il senso di un filamento opposto a quello del filamento complementare. Per tale motivo, i due filamenti che costituiscono una doppia elica sono detti antiparalleli. Le estremit asimmetriche di un filamento di DNA sono definite estremit 5 (cinque primo) ed estremit 3 (tre primo). La principale differenza tra il DNA e lRNA lo zucchero pentoso utilizzato: lRNA utilizza, infatti, il ribosio. La doppia elica del DNA stabilizzata dai legami idrogeno che si instaurano tra le basi azotate presenti sui due filamenti. Le quattro basi che sono state individuate nel DNA sono ladenina (abbreviata con la lettera A), la citosina (C), la guanina (G) e la timina (T). Adenina e guanina sono composti eterociclici chiamati purine, mentre citosina e timina sono anelli pirimidinici. Esiste una quinta base, di tipo pirimidinico, chiamata uracile (U), ma essa non di norma presente nelle catene di DNA. Luracile altres presente nei filamenti di RNA al posto della timina, da cui si differenzia per la mancanza di un gruppo metile. Luracile presente nel DNA solo come prodotto della degradazione della citosina. Solo nel batteriofago PBS1 tale base pu essere utilizzata allinterno del DNA. Al contrario, molto pi frequente individuare la timina allinterno di molecole di RNA, a causa della metilazione enzimatica di diversi uracili. Questo evento avviene solitamente a carico di RNA con funzione strutturale o enzimatica (rRNA e tRNA). La doppia elica una spirale destrorsa. Con lavvitarsi su s stessi dei due filamenti, restano esposti dei solchi tra i diversi gruppi fosfato. Il solco maggiore largo 22 , mentre il solco minore largo 12 . La differente ampiezza dei due solchi si traduce concretamente in una differente accessibilit delle basi, a seconda che si trovino nel solco maggiore o minore. Proteine come i fattori di trascrizione, dunque, solitamente prendono contatto con le basi presenti nel solco maggiore.

Appaiamento delle basiIn alto, un appaiamento GC, caratterizzato da tre legami idrogeno. In basso, un appaiamento AT con due legami idrogeno. Ogni tipo di base presente su un filamento forma un legame con la base posta sul filamento opposto. Tale evento noto come appaiamento complementare. Le basi puriniche formano legami idrogeno con le basi pirimidiniche: A pu legare solo T e G pu legare solo C. Lassociazione di due basi viene comunemente chiamata paio di basi ed lunit di misura maggiormente utilizzata per definire la lunghezza di una molecola di DNA. Dal momento che i legami idrogeno non sono covalenti, essi possono esser rotti e riuniti in modo relativamente semplice, poich questi sono legami ad alta energia. I due filamenti possono essere allontanati tra loro, come avviene per una cerniera, sia dalle alte temperature che da unazione meccanica (come avviene durante la replicazione del DNA). Conseguenza di questa complementarit che tutte le informazioni contenute nella doppia elica possono essere duplicate a partire da entrambi i filamenti, evento fondamentale per una corretta replicazione del DNA. I due tipi di paia di basi formano un numero differente di legami idrogeno: A e T ne formano due, G e C tre. Per tale motivo, la stabilit del legame GC decisamente maggiore di quello AT. Di conseguenza, la stabilit complessiva di una molecola di DNA direttamente correlata alla frequenza di GC presenti nella molecola stessa, nonch alla lunghezza dellelica: una molecola di DNA dunque tanto pi stabile quanto pi contiene GC ed lunga. Unaltra conseguenza di tale evento il fatto che le regioni di DNA che devono essere separate facilmente contengono unelevata concentrazione di A e T, come avviene ad esempio per il Pribnow box dei promotori batterici, la cui sequenza infatti TATAAT. In laboratorio, la stabilit dellinterazione tra filamenti misurata attraverso la temperatura necessaria a rompere tutti i legami idrogeno, chiamata temperatura di melting (o Tm). Quando tutti i legami idrogeno sono rotti, i singoli filamenti si separano e possono assumere strutture molto variegate.

La stabilizzazione della doppia elica, in ogni caso, non dovuta ai soli legami idrogeno, ma anche ad interazioni idrofobiche e di pi stacking.

Senso e antisensoUna sequenza di DNA definita senso se la sua sequenza la stessa del relativo mRNA. La sequenza posta sul filamento opposto invece detta antisenso. Dal momento che le RNA polimerasi lavorano producendo una copia complementare, il filamento necessario per la trascrizione lantisenso. Sia nei procarioti che negli eucarioti vengono prodotte numerose molecole di RNA antisenso a partire dalle sequenze senso. La funzione di questi RNA non codificanti non stata ancora completamente chiarita. Si ritiene che gli RNA antisenso possano giocare un ruolo nella regolazione dellespressione genica. Esistono alcune sequenze di DNA, sia in procarioti che in eucarioti (ma soprattutto nei plasmidi e nei virus) in cui la differenza tra sequenze senso ed antisenso meno chiara, dal momento che le sequenze di alcuni geni si sovrappongono tra loro. In questi casi, dunque, alcune sequenze rivestono un doppio compito: codificare una proteina se lette in direzione 53 su un filamento; codificarne unaltra se lette sullaltro (sempre in direzione 53). Nei batteri, questa sovrapposizione genica spesso coinvolta nella regolazione della trascrizione, mentre nei virus il fenomeno dovuto alla necessit di contenere in un piccolo genoma unelevata quantit di informazioni. Un altro modo di ridurre le dimensioni genomiche quello individuato da altri virus, che contengono molecole di DNA lineare o circolare a singolo filamento.

SuperavvolgimentoIl DNA pu essere distorto come avviene per una corda attraverso un processo definito superavvolgimento. Quando il DNA in uno stato rilassato, un filamento percorre un giro completo intorno allasse ogni 10.4 paia di basi. Se invece il DNA distorto, il numero di basi pu aumentare o diminuire. Lo stato di superavvolgimento in cui si trova una molecola di DNA definito topologia. Se il DNA si avvolge nella direzione dellelica, si parla di superavvolgimento positivo, con le basi strette tra loro in modo pi marcato. In caso contrario, si parla di superavvolgimento negativo. In natura, la maggior parte delle molecole di DNA presentano un lieve superavvolgimento negativo, introdotto da enzimi definiti topoisomerasi. Questi enzimi sono anche necessari in processi come la trascrizione e la replicazione del DNA, dal momento che sono in grado di risolvere gli stress topologici indotti dai processi stessi.

Strutture alternative a doppia elicaLe strutture del DNA A, B e Z Il DNA esiste in diversi tipi di conformazioni. Esse sono denominate A-DNA, B-DNA, C-DNA, D-DNA, E-DNA, H-DNA, L-DNA, P-DNA e Z-DNA. In ogni caso, solo le conformazioni A-DNA, B-DNA e Z-DNA sono state osservate nei sistemi biologici naturali. La conformazione del DNA pu dipendere dalla sequenza, dal superavvolgimento, dalla presenza di modificazioni chimiche delle basi o dalle condizioni del solvente, come la concentrazione di ioni metallici. Di tali conformazioni, la conformazione B la pi frequente nelle condizioni standard delle cellule. Le due conformazioni alternative sono differenti dal punto di vista della geometria e delle dimensioni. La forma A unampia spirale destrorsa (il solco minore largo ma poco profondo, quello maggiore pi stretto e profondo), con un passo di 2,9 nm (circa 11bp) ed un diametro di 2,5 nm. Tale conformazione presente in condizioni non fisiologiche, quando il DNA viene disidratato. In condizioni fisiologiche, questa conformazione caratterizza gli eteroduplex di DNA e RNA e i complessi formati dalle associazioni DNA-proteina.

La conformazione Z tipica invece delle sequenze che presentano modificazioni chimiche come la metilazione, e dei tratti di DNA ricchi di basi C e G. Essa assume un andamento sinistrorso, opposto rispetto alla conformazione B. Ha un passo di 4,6 nm ed un diametro di 1,8 nm, il solco maggiore pi superficiale e quello minore pi stretto; deve il suo nome allandamento a zig-zag che la caratterizza. Queste strutture inusuali possono essere riconosciute da specifiche Z-DNA-binding proteins, con conseguenze notevoli nella regolazione della trascrizione.

La struttura di un quadruplex di DNA formato da ripetizioni di telomeri. La conformazione dello scheletro laterale ampiamente differente rispetto alla tipica struttura ad elica. In giallo sono evidenziati ioni potassio che stabilizzano la struttura. Strutture alternative alla doppia elicaLe regioni terminali dei cromosomi lineari sono sequenze ripetute dette telomeri. La funzione principale di tali regioni quella di permettere alla cellula di replicare le estremit dei cromosomi senza che ci sia perdita di informazioni geniche, dal momento che le DNA polimerasi coinvolte nella replicazione del DNA non sono in grado di replicare le estremit 3 dei cromosomi. Se un cromosoma non avesse telomeri, infatti, diventerebbe un po pi corto ad ogni replicazione, con il rischio di perdere sequenze codificanti. Attraverso un particolare tipo di DNA polimerasi (detto telomerasi), invece, i telomeri mantengono costantemente la loro lunghezza, proteggendo cos la parte interna del cromosoma. Nelle cellule umane, i telomeri sono composti da alcune migliaia di ripetizioni di una semplice sequenza costituita da TTAGGG. Questa sequenza ricca in guanina pu stabilizzare le estremit dei cromosomi formando strutture insolite, composte da unit di quattro basi azotate al posto delle canoniche due. Ci dovuto allinterazione tra quattro guanine, che formano una struttura planare che si impila sopra ad altre strutture dello stesso tipo, ad ottenere un filamento stabile definito G-quadruplex structure. Tali strutture sono stabilizzate dalla formazione di legami idrogeno che si instaurano tra le sommit delle basi e dalla chelazione con uno ione metallico, situato al centro di ogni unit di quattro basi. Oltre a queste, i telomeri generano anche strutture circolari, chiamate telomere-loops o T-loops. In questo caso, il singolo filamento di DNA si piega a formare ampie circonferenze, stabilizzate da proteine specifiche che legano i telomeri. Al termine del T-loop, il singolo filamento di DNA prende contatto con un doppio filamento, che si apre e forma una struttura a tripla elica. Questa struttura chiamata displacement-loop o D-loop. La sua struttura stata paragonata ad una lunghissima scala a pioli attorcigliata su se stessa e composta da due montanti (filamenti costituiti da molecole di acido fosforico e di desossiribosio) e da tanti gradini (formati da quattro composti, detti basi azotate: adenina, guanina, citosina e timina). Le basi azotate si legano secondo una regola ben precisa: ladenina si lega solamente con la timina. La guanina si lega esclusivamente con la citosina. Si dice perci che le basi azotate adenina-timina e guanina-citosina sono complementari. Linsieme di acido fosforico + zucchero desossiribosio + base azotata costituisce lunit di base del DNA: questo insieme detto nucleotide e si ripete in ciascun filamento per tutta la sua lunghezza. Ogni essere vivente possiede il proprio DNA, che contiene tutte le informazioni genetiche necessarie per controllare le attivit dellorganismo. La particolare struttura del DNA ne consente di duplicarsi e, quindi di sostituire eventuali parti mancanti perfettamente uguali alloriginaleci, avviene durante linterfase quando i cromosomi sono dispersi nel nucleo e gli danno lopportunit di duplicarsi. La formazione delle proteine, detta sintesi delle proteine o traduzione , avviene nel citoplasma e segue delle fasi ben precise: il DNA nel nucleo fa da stampo per la formazione dellRNA messaggero, mediante un processo chiamato Trascrizione che un meccanismo simile a quello della duplicazione. In questo modo, la sequenza dei nucleotidi nel mRNA risulta complementare a quella del DNA con la base U al posto della base T.

Modificazioni chimiche

Struttura della citosina con e senza il gruppo metile in posizione 5. In seguito ad una deaminazione, la 5-metilcitosina acquisisce la stessa struttura della timina Modificazioni di basiLespressione genica di un determinato locus influenzata dalla struttura che la cromatina assume presso il locus stesso. Regioni eterocromatiniche (caratterizzate da una espressione scarsa o assente) sono estesamente metilate sulle citosine. La metilazione della citosina, ad esempio, fondamentale per linattivazione del cromosoma X. Il livello medio di metilazione molto variabile tra i diversi organismi: Caenorhabditis elegans non presenta metilazione delle citosine, mentre i vertebrati mostrano livelli maggiori, con circa l1% del genoma contenente 5-metilcitosina. La 5-metilcitosina, essendo suscettibile di deaminazione spontanea, una base presso cui lincidenza di mutazioni elevatissima. Ulteriori modificazioni di basi sono la metilazione delladenina (presente nei batteri) e la glicosilazione delluracile che produce le cosiddette basi J nei cinetoplastidi.

Danni al DNAIl benzopirene il maggiore agente mutageno presente nel fumo di tabacco. In questimmagine riportato un addotto al DNA generato dalla molecola. Il DNA pu essere alterato dallazione di numerosi agenti, genericamente definiti mutageni; fondamentale notare per come una mutazione -ovverosia un cambiamento raro, casuale, che alteri la sequenza di basi azotate- non sia necessariamente un evento pernicioso ma anzi sia alla base dellevoluzione: suddetta mutazione dovr per farsi spazio nella fittissima rete cibernetica cellulare nonch nellambiente nel quale vive ed opera lorganismo vivente in questione; qualora vengano superati questi punti di restrizione (altamente selettivi vista la loro complessit intrinseca, la stragrande maggioranza delle mutazioni difatti si rivela non vantaggiosa od anche neutra), si avr un organismo arricchito dalla mutazione. Tra gli agenti alteranti figurano ad esempio agenti ossidanti, agenti alchilanti ed anche radiazioni ad alta energia, come i raggi X e gli UV. Il tipo di danno causato al DNA dipende dal tipo di agente: gli UV, ad esempio, danneggiano il DNA generando la formazione di dimeri di timina, costituiti da ponti aberranti che si instaurano tra basi pirimidiniche adiacenti. Agenti ossidanti come i radicali liberi o il perossido di idrogeno, invece, producono danni di tipo pi eterogeneo, come modificazioni di basi (in particolare di guanine) o rotture del DNA a doppio filamento. Secondo diversi studi, in ogni cellula umana almeno 500 basi al giorno sono sottoposte a danni ossidativi. Di tali lesioni, le pi pericolose sono le rotture a doppio filamento, dal momento che tali danni sono i pi difficili da riparare e costituiscono lorigine primaria delle mutazioni puntiformi e frameshift che si accumulano sulle sequenze genomiche, nonch delle traslocazioni cromosomiche. Molti agenti devono il loro potere mutageno alla capacit di intercalarsi tra due basi azotate consecutive. Gli intercalanti sono tipicamente molecole planari e aromatiche, come letidio, la daunomicina, la doxorubicina o la talidomide. Perch un intercalante possa trovare posto tra le due basi, occorre che la doppia elica si apra e perda la sua conformazione standard. Tali modifiche strutturali inibiscono sia la trascrizione che la replicazione del DNA ed aumentano la possibilit di insorgenza di mutazioni. Per tale motivo, gli intercalanti sono considerati molecole cancerogene, come dimostrato da numerosi studi su molecole come il benzopirene, lacridina, laflatossina ed il bromuro di etidio. In ogni caso, proprio grazie alla loro capacit di inibire trascrizione e replicazione, tali molecole sono anche utilizzate in chemioterapia per inibire la rapida crescita delle cellule neoplastiche.

Disposizione del DNA

Negli eucarioti, il DNA solitamente presente allinterno di cromosomi lineari (circolari nei procarioti). La somma di tutti i cromosomi di una cellula ne costituisce il genoma; il genoma umano conta circa 3 miliardi di paia di basi contenute in 46 cromosomi. La disposizione finale a cromosomi segue precise regole gerarchiche di impacchettamento. Nelle cellule, infatti, il doppio filamento di DNA non pu essere disposto a casaccio, ma deve seguire precise regole di ordinamento. Tali accorgimenti si rivelano necessari perch la lunghezza dei filamenti di DNA solitamente molto elevata e creerebbe seri problemi alla cellula ospite. Ad esempio, il cromosoma di Escherichia coli, il procariote pi studiato nella storia della biomedicina, misura circa 1 mm. In una cellula lunga solo 2 m, come quella di E.coli, la disposizione casuale di un cromosoma del genere potrebbe generare problemi. Se una molecola di questa lunghezza si disponesse casualmente, infatti, ci sarebbe bisogno di una cellula grande almeno 1000 volte tanto. Le modalit di impacchettamento sono differenti tra gli organismi procarioti e quelli eucarioti.

ProcariotiNella maggior parte delle cellule batteriche il DNA disposto su un unico cromosoma circolare (e presenta, come molti altri batteri, ununica origine di replicazione), come previsto da numerosi esperimenti di linkage ed infine evidenziato in cellule cresciute con timina marcata con tritio. I meccanismi messi in atto dalla cellula procariote per ridurre lo spazio necessario consistono anzitutto nel mascheramento delle cariche negative presenti sul DNA attraverso la sua associazione con poliammine cariche positivamente, come la spermina e la spermidina. Oltre a queste, il DNA procariote prende contatto anche con numerose piccole proteine, che compattano la struttura complessiva del DNA. Tra di esse, figura H-NS, un dimero con funzioni molto simili agli istoni eucariotici. In ogni cellula di E.coli esistono in media 20000 molecole di H-NS, che si dispongono lungo il DNA a distanza di circa 400bp. Il DNA di E.coli inoltre molto superavvolto. Tale fenomeno contribuisce ulteriormente al compattamento del DNA, permettendo ad esso di disporsi comodamente allinterno della cellula.

EucariotiNegli eucarioti limpacchettamento ottenuto attraverso diversi accorgimenti. Il DNA associato ad un gran numero di proteine: lassociazione complessiva DNA-proteine definita cromatina, la cui struttura ampiamente conservata tra tutti gli organismi eucarioti. Le proteine cromatiniche pi abbondanti sono gli istoni, una famiglia di polipeptidi basici presenti nel nucleo. Le principali proteine istoniche sono H1, H2A, H2B, H3 e H4. La basicit degli istoni dovuta alla grande quantit di amminoacidi carichi positivamente (lisina e arginina), in grado di instaurare interazioni elettrostatiche con i gruppi fosfato del DNA. Le proteine istoniche sono anche pesantemente modificate, proprio sui residui carichi, da modificazioni post-traduzionali, tra cui laggiunta di acetili, di fosfati e di metili, che neutralizzano la carica positiva o la rendono negativa. Le sequenze amminoacidiche di quattro dei cinque istoni (H2A, H2B, H3 e H4) sono altamente conservate, anche tra specie molto diverse. La sequenza di H1 presenta invece maggiori variazioni lungo levoluzione: in alcuni organismi, H1 non nemmeno presente in tutti i tessuti (ad esempio negli eritrociti degli uccelli H1 sostituita da un sesto istone, chiamato H5). La presenza di differenti H1, in ogni caso, non modifica sostanzialmente la struttura complessiva dellapparato istonico (definito nucleosoma), che resta ampiamente conservato nellarchitettura nella quasi totalit degli eucarioti.

Funzioni biologicheNel genoma, linformazione conservata in sequenze di DNA chiamate geni. La trasmissione dellinformazione contenuta nei geni garantita dalla presenza di sequenze di basi azotate

complementari. Infatti, durante la trascrizione, linformazione pu essere facilmente copiata in un filamento complementare di RNA. Solitamente, tale copia di RNA utilizzata per sintetizzare una proteina, attraverso un processo definito traduzione (o sintesi proteica). In alternativa, una cellula pu semplicemente duplicare linformazione genetica attraverso un processo definito replicazione del DNA.

Struttura del genomaNegli organismi eucarioti, il DNA genomico localizzato allinterno del nucleo cellulare, nonch in piccole quantit allinterno di mitocondri e cloroplasti. Nei procarioti, il DNA invece racchiuso in un organello irregolare, privo di membrana, contenuto nel citoplasma, chiamato nucleoide. Linformazione contenuta allinterno dei geni, unit ereditarie in grado di influire sul fenotipo dellorganismo. Ogni gene contiene un open reading frame (regione in grado di essere trascritta a RNA) ed una regione regolatoria, costituita sia da un promotore che da enhancers. In molte specie, solo una piccola frazione della sequenza totale di un genoma pu essere trascritta e tradotta. Ad esempio, solo l1.5% del genoma umano costituito da esoni codificanti una proteina, mentre pi del 50% consiste di sequenze ripetute di DNA non codificante. La ragione per cui ci sia una tale quantit di DNA non codificante non tuttora completamente chiara ed stata definita come enigma del C-value. In ogni caso, le sequenze di DNA che non codificano una proteina possono essere trascritte in RNA non codificante, coinvolto nella regolazione dellespressione genica. Una T7 RNA polimerasi (blu) mentre produce una molecola di mRNA (verde) a partire da uno stampo di DNA (arancione). Alcune sequenze non codificanti ricoprono un ruolo strutturale per i cromosomi. Le regioni telomeriche e centromeriche contengono solitamente pochissimi geni, ma sono necessarie per la funzione e la stabilit dei cromosomi. Nelluomo, grandi quantit di DNA non codificante si ritrovano negli pseudogeni, copie di geni rese inattive dalla presenza di una mutazione. Queste sequenze sono considerate come fossili molecolari, anche se esistono evidenze secondo le quali si pu ipotizzare che siano una sorta di materiale grezzo necessario per la creazione di nuovi geni attraverso i processi di duplicazione genica e di evoluzione divergente.

Trascrizione e traduzioneUn gene una sequenza di DNA che contiene le informazioni in grado di influire sulle caratteristiche del fenotipo dellorganismo. Allinterno di un gene, la sequenza di basi di DNA utilizzata come stampo per la sintesi di una molecola di RNA che, nella maggior parte dei casi, tradotta in una molecola peptidica. Il meccanismo attraverso il quale la sequenza nucleotidica di un gene copiata in un filamento di RNA detto trascrizione ed avviene per mezzo dellenzima RNA polimerasi. Il filamento di RNA pu andare incontro a destini differenti: alcune molecole di RNA hanno, infatti, funzioni di tipo strutturale (come quelle che si trovano allinterno del ribosoma) o catalitica (molecole note come ribozimi); gli RNA pi noti, tuttavia, subiscono un processo di maturazione per produrre mRNA, molecole destinate ad esser tradotte in proteina. Il processo di traduzione avviene nel citoplasma, dove gli mRNA si associano ai ribosomi, ed mediato dal codice genetico. Il ribosoma permette la lettura sequenziale dei codoni del mRNA, favorendone il riconoscimento e linterazione con specifici tRNA, molecole che trasportano gli amminoacidi corrispondenti ad ogni singolo codone. Il codice genetico Il codice genetico consiste di parole di tre lettere chiamate codoni, costituite dalla sequenza di tre nucleotidi (ad esempio ACU, CAG, UUU), ognuna delle quali associata ad un particolare amminoacido. Ad esempio la timina ripetuta in una serie di tre (UUU) codifica la fenilalanina.

Utilizzando gruppi di tre lettere si possono avere fino a 64 combinazioni diverse (), in grado di codificare i venti diversi amminoacidi esistenti. Poich esistono 64 triplette possibili e solo 20 amminoacidi, il codice genetico detto ridondante (o degenere): alcuni amminoacidi possono infatti essere codificati da pi triplette diverse. Non invece vero il contrario: ad ogni tripletta corrisponder un solo amminoacido (senza possibilit di ambiguit). Esistono infine tre triplette che non codificano alcun amminoacido, ma rappresentano codoni di stop (o nonsense), ovvero indicano il punto in cui, allinterno del gene, termina la sequenza che codifica la proteina corrispondente: si tratta dei codoni UAA, UGA e UAG.

La replicazione del DNA. La doppia elica aperta dalle elicasi e dalle topoisomerasi. In seguito, una DNA polimerasi genera un filamento complementare sul filamento veloce. Unaltra DNA polimerasi lega invece il filamento lento, generando segmenti discontinui (detti frammenti di Okazaki) che verranno uniti da una DNA ligasi ReplicazioneLa divisione cellulare, necessaria ad un organismo per crescere, richiede una duplicazione del DNA cellulare, in modo che le cellule figlie possano avere la stessa informazione genetica della cellula madre. La struttura a doppia elica del DNA permette un meccanismo estremamente semplice per la replicazione del DNA. I due filamenti, infatti, sono separati e da ognuno viene creato un filamento complementare, ad opera di un enzima chiamato DNA polimerasi. Con questo meccanismo, le basi presenti sul filamento figlio sono determinate da quelle presenti sul filamento parentale: proprio attraverso questo meccanismo che le cellule figlie presentano genoma identico alla cellula madre (salvo errori avvenuti durante il processo, che portano alla comparsa di mutazioni). Tale tipo di replicazione, che porta a doppie eliche costituite da un filamento preesistente e uno neoformato detta semiconservativa. Per iniziare la replicazione, occorre anzitutto lapertura della forca replicativa, attraverso la parziale denaturazione del DNA a doppia elica, portata a termine dalle elicasi e dalle single-strandbinding proteins (SSBPs): le elicasi sono enzimi che separano attivamente i due filamenti usando lenergia dellATP; le SSBPs sono in grado di mantenere la denaturazione del DNA legandosi esclusivamente alle porzioni a singolo filamento e stabilizzandole. Nelle molecole di DNA circolari dei procarioti si ha una sola regione di origine della replicazione dalla quale partono due forche replicative (la struttura prende il nome di bolla di replicazione). Quando le due forche si incontrano dal lato opposto la replicazione completata. Negli eucarioti la replicazione di ogni cromosoma inizia invece in pi punti. Le DNA polimerasi, enzimi capaci di costruire una nuova catena solo in direzione 5-3, sono stati individuati per la prima volta da Arthur Kornberg, il quale, grazie ad un suo famoso esperimento, identific la DNA polimerasi I in Escherichia coli. La reazione della DNA polimerasi diretta dallo stampo, perch produce un nuovo filamento di DNA esattamente complementare ad uno preesistente che funge, appunto, da stampo. La DNA polimerasi non in grado di iniziare la sintesi di un filamento ex novo, mentre pu allungare un filamento polinucleotidico preesistente. In una cellula in replicazione, dunque, indispensabile la presenza di un filamento preesistente (detto primer), che consiste solitamente in un breve segmento di RNA complementare allo stampo, sintetizzato da enzimi specifici detti primasi. Dal momento che le DNA polimerasi sono in grado di svolgere la loro attivit solo in direzione 5-3, esse hanno messo a punto diversi meccanismi per copiare i due filamenti della doppia elica. Un filamento (chiamato filamento guida) pu essere replicato in modo quasi continuo, man mano che viene esposto, laltro (filamento lento) risulta invece disseminato da brevi filamenti di DNA di nuova sintesi (i frammenti di Okazaki), ognuno dei quali presenta un innesco iniziale di RNA. I nuovi filamenti devono essere quindi completati mediante la rimozione degli inneschi da parte di endonucleasi e il riempimento degli spazi rimasti ad opera di polimerasi di riparazione. Successivamente tutti questi frammenti di DNA di nuova sintesi del filamento lento vengono legati dalle DNA ligasi.

Interazioni con proteineTutte le funzioni del DNA dipendono dalle sue interazioni con specifiche proteine. Tali interazioni possono sia essere aspecifiche, sia prevedere un legame estremamente specifico della proteina ad una singola sequenza di DNA. Sono numerosi anche gli enzimi che possono legare il DNA e, tra questi, sono particolarmente importanti le polimerasi che copiano le sequenze nella trascrizione e nella replicazione del DNA.

Proteine che legano il DNAInterazione del DNA con gli istoni (in bianco, nellimmagine in alto). Gli amminoacidi basici di queste proteine (in blu nellimmagine in basso a sinistra) legano in modo non covalente i gruppi fosfato del DNA, acid (in rosso in basso a destra). Le proteine strutturali che legano il DNA sono esempi delle interazioni aspecifiche tra DNA e proteine. Allinterno dei cromosomi, il DNA associato a complessi di natura proteica, che si organizzano tra loro a formare una struttura compatta chiamata cromatina. Negli eucarioti, questa struttura presuppone il legame del DNA a piccoli complessi proteici basici chiamati istoni; nei procarioti, invece, sono coinvolti diversi tipi di differenti proteine. Gli istoni formano un complesso a forma di disco chiamato nucleosoma, che instaura interazioni di tipo ionico (tra i residui basici degli istoni e lo scheletro fosforico acido del DNA) con circa duecento paia di basi di DNA, che si avvolgono intorno al disco formando due giri completi, indipendentemente dalla sequenza che li caratterizza. Questi residui basici possono subire metilazioni, fosforilazioni e acetilazioni: tali modificazioni chimiche alterano linterazione tra gli istoni e il DNA, rendendolo cos pi o meno accessibile ai fattori di trascrizione e modulando la velocit della trascrizione stessa. Altre DNA-binding proteins (DNAbp) di tipo aspecifico, anchesse presenti nella cromatina, sono le high-mobility group proteins, che legano preferenzialmente il DNA ripiegato o distorto. Queste proteine hanno un ruolo fondamentale nel ripiegamento delle file di nucleosomi e nel loro impacchettamento allinterno di strutture cromatiniche pi complesse. Un ulteriore gruppo di DNAbp sono le single-strand-binding proteins (SSBP), che si legano esclusivamente ad una molecola di DNA a singolo filamento. Nelluomo, la RPA (replication protein A) il membro meglio caratterizzato di questa famiglia ed essenziale per la maggior parte dei processi che richiedono una separazione della doppia elica, tra cui la replicazione del DNA, la sua ricombinazione e la sua riparazione. Queste DNAbp sono in grado di stabilizzare la forma a singolo filamento, impedendo che la molecola si ripieghi a formare stem loops o venga degradata dallazione delle nucleasi. Il repressore lambda, con la sua caratteristica struttura elica-giro-elica, legato al proprio DNA bersaglio A differenze di quelle finora presentate, esistono anche numerose proteine che legano specificamente determinate sequenze di DNA. Quelle maggiormente studiate sono i fattori di trascrizione (TF), proteine in grado di regolare la trascrizione. Ognuna di esse si lega ad una o pi sequenze specifiche, poste solitamente nei pressi del promotore di un gene, attivando o inibendo la trascrizione del gene stesso. Tale processo viene svolto attraverso due tipi di meccanismo: anzitutto, i TF sono in grado di legare, direttamente o attraverso proteine adattatrici, la RNA polimerasi responsabile della trascrizione, localizzandola presso il sito di inizio della trascrizione e favorendone dunque lavvio; unaltra modalit consiste nel legame tra i TF ed enzimi in grado di modulare metilazioni ed acetilazioni degli istoni presenti presso il promotore, modificando dunque laccessibilit di quella regione alla polimerasi. Dal momento che un TF pu avere numerose sequenze bersaglio, cambiamenti di attivit di un TF possono avere effetti sullespressione di migliaia di geni. Di conseguenza, queste proteine sono spesso i bersagli finali delle cascate di trasduzione del segnale, che mediano le risposte cellulari agli stimoli interni ed esterni alla cellula. La specificit dei TF per il DNA legato ai contatti multipli che si instaurano tra la proteina ed il solco maggiore, dove le basi azotate sono maggiormente accessibili.

Lenzima di restrizione EcoRV (verde) in complesso con il suo DNA substrato Enzimi che modificano il DNANucleasi e ligasi

Le nucleasi sono enzimi in grado di tagliare filamenti di DNA, dal momento che catalizzano lidrolisi del legame fosfodiesterico. Le nucleasi che idrolizzano il DNA partendo dai nucleotidi situati alle estremit dei filamenti sono definite esonucleasi. Sono endonucleasi, invece, quelle che tagliano direttamente allinterno del filamento. Le nucleasi pi utilizzate in biologia molecolare, dette enzimi di restrizione, tagliano il DNA in corrispondenza di specifiche sequenze. Lenzima EcoRV, ad esempio, riconosce la sequenza di sei basi 5-GAT|ATC-3 ed effettua il taglio presso la linea verticale. In natura, questo enzima protegge i batteri dalle infezioni fagiche, digerendo il DNA del fago quando esso fa il suo ingresso nella cellula batterica. Generalmente, le nucleasi di restrizione riconoscono particolari sequenze nucleotidiche palindromiche, note come siti di restrizione, nelle quali la stessa sequenza si ripete in direzioni opposte sulle due eliche complementari, e quindi producono dei tagli su entrambi i filamenti. Tali enzimi sono utilizzati ampiamente nelle tecniche che prevedono il subclonaggio di DNA allinterno di vettori. Le DNA ligasi sono enzimi in grado di riunire filamenti di DNA precedentemente tagliati o spezzati, utilizzando energia chimica proveniente da ATP o da NAD. Le ligasi sono particolarmente importanti nella replicazione del filamento lento, dal momento che esse riuniscono i frammenti di Okazaki in un filamento unico. Esse rivestono un ruolo importante anche nella riparazione del DNA e nella ricombinazione genetica. Topoisomerasi ed elicasi Le topoisomerasi sono enzimi che presentano sia unattivit nucleasica che una ligasica. Queste proteine sono in grado di modificare le propriet topologiche del DNA. Alcune di esse svolgono tale funzione tagliando lelica di DNA e permettendole di ruotare, riducendo il suo grado di superavvolgimento, per poi procedere alla ligazione delle due estremit. Altre topoisomerasi sono invece in grado di tagliare lelica e far passare attraverso il sito di rottura una seconda elica, prima di ligare il filamento spezzato. Le topoisomerasi sono necessarie per molti processi che coinvolgono il DNA, come ad esempio la replicazione del DNA e la trascrizione. Le elicasi sono proteine in grado di utilizzare lenergia chimica presente nei nucleosidi trifosfato, soprattutto ATP, per rompere i legami idrogeno che si instaurano tra le basi azotate, permettendo lapertura della doppia elica di DNA in singoli filamenti. Questi enzimi sono essenziali per la maggior parte dei processi biologici che coivolgono enzimi che richiedono un diretto contatto con le basi del DNA. Polimerasi Le polimerasi sono enzimi che sintetizzano catene polinucleotidiche a partire dal nucleosidi trifosfato. Esse funzionano aggiungendo nucleotidi al 3-OH del precedente nucleotide presente sul filamento. Come conseguenza di ci, tutte le polimerasi lavorano in direzione 5->3. Nel sito attivo di questi enzimi, il nucleoside trifosfato si appaia ad un nucleotide presente su un filamento usato come stampo: ci permette alle polimerasi di sintetizzare in modo accurato filamenti fedelmente complementari agli stampi. Le polimerasi sono classificate sulla base del tipo di stampo che utilizzano. La replicazione del DNA richiede una DNA polimerasi DNA-dipendente, in grado cio di realizzare una perfetta copia di una sequenza di DNA. Laccuratezza fondamentale in questo processo, motivo per cui molte di queste polimerasi presentano anche unattivit di proofreading (dallinglese,

correzione di bozze). Esse sono infatti in grado di rilevare un errore di appaiamento (o mismatch) tra basi azotate ed attivare unazione 3 o 5 esonucleasica per rimuovere la base scorretta. Nella maggior parte degli organismi, le DNA polimerasi funzionano allinterno di un pi ampio complesso proteico definito replisoma, che consiste anche di numerose subunit accessorie come ad esempio le elicasi. Le DNA polimerasi RNA-dipendenti sono una classe di polimerasi specializzate nella sintesi di una copia di DNA, usando come stampo un frammento di RNA. Tra di esse figurano la trascrittasi inversa, un enzima virale coinvolto nellinfezione dei retrovirus, e la telomerasi, necessaria per la replicazione dei telomeri. La telomerasi una polimerasi inusuale, dal momento che contiene una sequenza stampo di RNA allinterno della propria struttura. La trascrizione invece svolta da RNA polimerasi DNA-dipendenti, che legano il DNA presso il promotore di un gene e separano i due filamenti. Successivamente, lenzima genera una molecola di mRNA fino al raggiungimento del terminatore, dove si interrompe la trascrizione e lenzima si distacca dal DNA. Come avviene per le DNA polimerasi DNA-dipendenti, anche queste polimerasi operano allinterno di un ampio complesso proteico, composto di molecole accessorie e regolatorie.

Ricombinazione geneticaLa ricombinazione consiste di una rottura e successiva riunione di due cromosomi (M ed F) a produrre due cromosomi riarrangiati (C1 e C2). S